湖沥青改性沥青混合料路用性能研究

戚云生， 李志勇, 杜 闯

(1.安徽省交通控股集团有限公司， 合肥 230088； 2.重庆交通大学 土木学院， 重庆 400074)

湖沥青技术的应用最早起始于1880年的美国Washington特区，当时市区内的几条重点城市道路率先采用了这种技术，并且取得了很好的路用效果。

1944年，在特立尼达和多巴哥修建丘吉尔·罗斯福公路时，上面层采用湖沥青对普通沥青进行改性，并得到了良好的使用性能，其服务寿命长达30年，比预期多15年左右[1]。

日本对路面材料质量要求较高，在很多年前就开始了对湖沥青的研究和推广应用，比较代表性的工程是1988年4月建成使用的日本本州四国联络桥。

目前湖沥青被广泛应用于世界上30多个国家的道路、桥梁、机场等工程中，充分说明了湖沥青作为一种天然改性沥青，其优良的改性效果得到了国际社会的一致认可[2]。

1999年，我国首次采用湖沥青技术铺筑的江阴长江大桥建成通车后，该技术在全国范围开始推广使用。2002年北京市一环路大修采用了湖沥青和 SBS的双重改性技术，很好地改善了沥青混合料的路用性能，这种复合改性沥青的成功应用加快了湖沥青在我国的发展进程[3]。

随后在诸如沧黄高速公路、佛山一环道路、乌鲁木齐市七道湾道路整改等工程中也采用了湖沥青改性技术。随着该技术的不断发展，在我国道路建设和路面养护领域具有广阔的应用前景[4]。

湖沥青属天然沥青，具有与基质沥青较好的相容性、与集料较好的粘附性、改善混合料的高温稳定性和水稳定性以及低温抗裂性等特点[5]。将其按一定比例掺入基质沥青，即形成湖沥青改性沥青，由此形成的沥青混合料即为湖沥青改性沥青混合料[6]。本文结合具体工程，重点研究湖沥青改性沥青及其混合料的路用性能。

1 湖沥青组成成分及胶体结构

研究发现，许多石油沥青的组成和结构存在着复杂性和不确定性，但是湖沥青中的化学成分和物质含量却十分稳定，湖沥青的主要组成成分如表1所示。

表1 湖沥青的组成成分

在微观结构上，湖沥青呈胶体状，以沥青质为中心，胶质吸附在周围形成胶团作为分散相，其结构形式如图1所示[7]。

(a) 湖沥青胶体状结构

(b) 湖沥青凝胶型结构

由表1可知，湖沥青的主要成分为地沥青和灰分，其中灰分的提取方法有2种：燃烧法和抽提法[8]。本文采用抽提法，即利用三氯乙稀作为溶剂，将湖沥青中的地沥青完全溶解，再用离心沉淀机抽提。该方法为物理过程，提取的灰分在成分组成上几乎不变。

经现场取样测试，本次试验所用湖沥青灰分含量为36.4%。

2 湖沥青改性沥青技术指标试验

为探明湖沥青改性沥青的技术特性，分别采用沥青3大技术指标、薄膜烘箱等试验手段，通过针入度、质量损失等技术指标来研究其特性。试验过程中，将基质沥青和湖沥青分别加热至150 ℃，然后按设定比例进行混合，由于有灰分存在，制备过程中应对混合后的沥青进行充分搅拌，搅拌温度控制在170 ℃左右。由于湖沥青内部含有37%左右的矿物质，且密度较大，易沉淀离析，因此对制备好的改性沥青试样不宜存放时间过长，应及时进行试验使用。同时需要注意的是对于普通基质沥青AH-70#也要采用与湖沥青改性沥青同样的操作工艺、相同的试验温度，得到对比试样，以保证试验过程的误差最小。

为了考察不同TLA掺配比例对AH-70#的改性效果，本文对TLA和SBS改性沥青进行了基本的性能检测试验，并与未改性的普通基质沥青进行指标对比分析。其中湖沥青掺入比例控制为20%、25%、33%、40%、50%五种掺量，SBS改性剂的掺量参考相关资料并结合工程所在地的实际情况定为5%，即按5种组合分别进行改性沥青的3大指标试验、粘度试验和老化试验，分析不同掺量湖沥青对普通基质沥青技术指标的影响[9]。试验结果如表2所示。

由表2试验结果可知：1) 随着湖沥青掺量的增加，沥青胶结料高温性能得到改善，其主要表现为针入度降低，软化点、粘度、当量软化点升高；2) 沥青材料温度敏感性能降低，主要表现为针入度指数PI值随着湖沥青掺量增加而变大，普通沥青的PI=-1.8，但当湖沥青掺量达到50%时，PI=-0.3左右；3) 沥青材料低温性能有所改善，表现为湖沥青掺量增加当量脆点T1.2的绝对值和延度变小；4) 通过老化试验发现掺量增加，TFOT后沥青质量增加，针入度比和延度比降低。这在一定程度上说明，湖沥青的掺入可以提高沥青胶结料的抗老化性能。

表2 TLA改性沥青指标试验结果

因此，在选取湖沥青的掺量时，应参考改性沥青各指标的变化程度合理选取，如果仅从湖沥青改性沥青的基本指标试验分析，湖沥青的掺量控制在20%～25%之内改性效果最佳。

3 湖沥青改性沥青混合料配合比设计

本文依托安徽省泗许高速公路实体工程，试验段总沥青用量130 t，矿质混合料的选料为：上面层粗集料为玄武岩，细集料为机制砂，填料用矿粉；中面层粗集料为石灰岩，细集料、填料材料和上面层选料相同。材料粒径选择如表3所示。

表3 矿质混合料的选用规格

利用试算法对上面层AC-13C和中面层AC-20C进行矿料配合比设计[10]，得到修正后的设计级配上面层为1#∶2#∶3#∶4#∶矿粉=27%∶32%∶7.5%∶31%∶2.5%，中面层为1#∶2#∶3#∶4#∶矿粉=37%∶26.5%∶9%∶25.5%∶2%。最佳油石比的计算公式如下：

OAC1=(a1+a2+a3+a4)/4

(1)

OAC2=(OACmax+OACmin)/2

(2)

OAC=(OAC1+OAC2)/2

(3)

式中：a1为稳定度最大时的油石比；a2为毛体积密度最大时的油石比；a3为孔隙率中值时的油石比；a4为饱和度中值时的油石比；OAC1为第1个初始最佳油石比；OAC2为第2个初始最佳油石比；OACmin为各指标均符合要求的最小油石比；OACmax为各指标均符合要求的最大油石比。

AC-13C和AC-20C最佳油石比计算结果如表4所示。

表4 计算最佳油石比结果

4 湖沥青改性沥青混合料路用性能

沥青混合料的设计应考虑行车荷载及环境因素的作用，其应具有良好的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等路用性能[11-12]。

4.1 高温稳定性

对不同类型混合料高温稳定性的研究拟采用车辙试验[13]，分别对上面层和中面层混合料在最佳油石比下成型的板块状标准尺寸试件进行车辙试验，结果如表5、表6所示。

表5 不同混合料动稳定度试验结果

表6 不同混合料相对变形试验结果

动稳定度表示标准试件每增加1 mm变形所需要行走的次数。动稳定度测试值越大，说明混合料抵抗高温变形的能力越强，则混合料高温稳定性越好。如在相同碾压次数条件下，相对变形量小，则车辙深度小，也说明沥青混合料高温稳定性好。

从表5可知，与普通沥青混合料相比，改性后沥青混合料的动稳定度均出现较大程度的提高，与5%SBS改性沥青混合料相比，不同温度下TLA改性沥青的动稳定度均有不同程度的提高，其中25%湖沥青与5%SBS基本相近，而33%TLA要比前两者提高很多，中面层测试的动稳定度在60 ℃时达到了5 000以上。

为保证测试结果的准确性，本文同时开展了相对变形试验。表6结果表明，随着湖沥青的掺入，相对变形量变小，出现这种现象的主要原因是湖沥青自身内部沥青质含量较大，沥青稠度较高，软化点与SBS相比也较高，所以其变形程度会有所降低，这也说明了湖沥青可改善沥青的高温稳定性。

从动稳定度和相对变形的相对关系来看，两者在变化趋势上具有一定的规律性，但相对变形的变化率比动稳定度的变化率要小，这也说明2种指标在反映沥青混合料高温稳定性方面存在一定差异，仅采用动稳定度指标评价高温稳定性存在不能反映沥青混合料整个使用过程中抗永久性变形方面的不足。因此在评价混合料高温稳定性时，建议将2种指标结合起来进行综合评价。

4.2 低温抗裂性

为研究湖沥青材料的低温性能，采用小梁低温弯曲试验来进行，即利用弯曲试验压力机对成型试件进行弯曲破坏试验[14]，结果如表7所示。

表7 小梁弯曲试验结果

分析表7数据可知，改性后混合料试件破坏时的抗弯拉强度均有所提高，且随着TLA掺量增加，抗弯拉强度也随着变大，说明湖沥青提升了试件的抗弯拉强度；当湖沥青掺量为25%和SBS改性剂为5%时，试件破坏时的最大弯拉应变均大于普通基质沥青混合料；但是当湖沥青掺量达到33%时，最大弯拉应变有所降低，说明过大的湖沥青掺量会对降低其抗弯拉应变。

因此湖沥青可改善混合料的高温性能，但也会对其低温性能有所影响，实际应用中可通过控制湖沥青的掺入量试验，确定其掺入量，确保湖沥青改性混合料的高温性能和低温性能。根据本文试验，控制其掺入量在25%左右即可。

湖沥青改性沥青在低温性能方面存在一些不足，是由湖沥青的特性决定的，但考虑到它在高温稳定性及其他路用性能方面较SBS改性沥青优越，因此在安徽泗许高速公路建设时，采用了湖沥青改性沥青混合料铺设路面。

4.3 水稳定性

水损害是指在水渗入沥青路面内部，在行车荷载作用下形成动水压力，在动水压力的冲刷作用下致使沥青材料与集料脱落，导致沥青混合料发生松散、剥落，造成沥青路面形成坑槽，对路面行车安全造成很大影响，致使路面加速破坏[15]。本文采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和二次冻融循环试验对混合料的水稳定性进行室内试验检测。

1) 浸水马歇尔试验

采用公式(4)计算分析混合料的水稳定性，试验结果如表8所示。

(4)

式中：MS0为浸水马歇尔试验的残留稳定度，%；MS为试件浸水30 min～40 min后稳定度，kN；MS1为试件浸水48 h后马歇尔稳定度，kN。

表8 不同改性沥青混合料浸水马歇尔试验结果 %

由表8可知，无论是上面层还是中面层，改性后混合料的残留稳定度均比改性前大。当SBS改性剂为5%时，与普通沥青混合料相比，上面层AC-13C沥青混合料残留稳定度提高了15.1%，中面层提高了13.6%；当湖沥青掺量为25%时，相同指标上面层提高了16.3%，中面层提高了20.1%； 当湖沥青掺量为33%时，上面层和中面层分别提高了14%和16.1%。

综上分析，3种改性后的混合料其残留稳定度相差不大，但同比条件下，掺入25%TLA的改性沥青混合料残留稳定度增幅最大。根据相关文献[9]，由于基本指标很容易达到规范要求≥85%的最低下限要求，因此仅采用残留稳定度指标评价混合料的水稳定性不够全面，为此还需结合冻融劈裂试验对混合料的水稳定性进行评价。

2) 冻融劈裂试验

冻融循环试验主要是模拟沥青-集料界面外力破坏作用，以评价界面的粘结程度。冻融循环是一种效果较好、实施简便的评价混合料抗水损害的方法。

冻融试验残留强度比的计算公式如下所示，计算结果如表9所示。

(5)

式中：RTi为经过冻融循环试件的劈裂抗拉强度平均值，MPa，i=1为1次冻融循环，i=2为2次冻融循环；RT为未经冻融循环试件的劈裂抗拉强度平均值，MPa；TSRi为试件冻融劈裂残留强度比，%。

表9 不同沥青混合料冻融劈裂强度试验结果 %

表9中，TSR1和TSR2分别为冻融循环1次和2次后的劈裂强度残留强度比。分析表9数据可知，较普通沥青混合料，不管通过何种方式改性，混合料的残留劈裂强度比均有所提高。其中1次冻融循环后，4种混合料的TSR1均满足规范要求，其值相差不大且无明显线性关系。当TLA的掺量为33%时，TSR1达到最大值；经2次冻融循环试验后，TSR值较1次冻融循环均有所降低，其中普通沥青混合料和5%SBS改性沥青混合料的TSR2值均降至规范要求值以下，而25%和33%TLA改性沥青混合料的TSR2值均能满足规范不低于80%的要求。且不论上面层，还是中面层，湖沥青改性沥青混合料的残留劈裂强度比均优于SBS改性剂掺量为5%的沥青混合料，说明在改善沥青混合料水稳定性方面，湖沥青改性沥青优于SBS改性沥青，可以更好地改善混合料内部的粘结力。

5 结束语

本文依托工程，结合实验室室内检测湖沥青各种指标，依次从湖沥青结构成分、湖沥青改性沥青的技术特性、矿料配比及混合料路用性能展开研究，得出如下主要结论：

1) 针对湖沥青改性沥青的技术特性开展试验研究，发现湖沥青改性沥青有较好的高温性能，可降低沥青的温度敏感性，也可提高沥青的抗老化性能。

2) 通过试验，确定了湖沥青改性沥青混合料的矿料配合比及上面层混合料AC-13C和中面层混合料AC-20C的最佳油石比。

3) 通过车辙试验、小梁低温弯曲试验、浸水马歇尔及冻融劈裂试验，研究了湖沥青改性沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性。结果表明：湖沥青改性沥青混合料有非常好的高温稳定性和水稳定性；若湖沥青添加比例合适，对其低温抗裂性也有所改善。

4) 通过对试验确定的最佳油石比配比条件下的沥青混合料路用性能进行检测，发现掺配25%湖沥青改性沥青混合料水稳定性较好，且高温稳定性也得到改善，没有出现传统改性沥青低温抗裂性降低的缺陷。同时考虑到安徽泗许高速气候特点以及重载交通条件，为了提高路面的抗车辙、抗水损害和抗裂缝能力，通过不同掺配比例的湖沥青改性沥青性能对比试验，确定了最佳的湖沥青掺量为25%。