干法摻入煤液化殘渣瀝青穩(wěn)定碎石基層材料性能

張宜洛，陳陽陽，李 晨，王佳偉，董飛龍，郭 創(chuàng)

(1. 長安大學 公路學院，陜西 西安 710064； 2. 中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014)

0 引 言

煤液化分離后的殘渣(LQ)主要物質成分為瀝青烯類物質以及較多的油分，其組成成分與瀝青中瀝青質的成分具有很高的相似性[1-2]，考慮到我國目前瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層造價較高的現狀，將煤液化殘渣添加到瀝青穩(wěn)定碎石基層中，不僅能夠降低柔性基層的造價，還能實現工業(yè)廢棄物的再利用，利于環(huán)保。綜合目前國內外對于煤液化殘渣的研究現狀，國外的研究主要集中于對材料自身相關性質的試驗研究[3]，而很少涉及其在道路工程相關方面的應用研究，而國內因為煤炭資源消耗較大且用于道路建設的材料相對較少，使得國內對于煤液化殘渣的研究主要集中于道路方面。目前國內的主要研究方向為對殘渣進行提純，將其加入到瀝青中對瀝青進行改性，對改性瀝青的性質進行評價研究[4-6]，而對用煤液化殘渣改性瀝青制得的瀝青混合料的性能研究較少。并且以上述濕法的方式摻入，忽略了一般煤直接液化殘渣中含有一定量的高灰分的礦物元素成分，這部分成分與瀝青并不相溶，但研究中近似認為殘渣可以全部溶解。主要通過將煤液化殘渣以干法添加工藝，用煤液化殘?zhí)娲糠值V粉的方式外摻加入到瀝青混合料中，全面地研究干法摻入煤液化殘渣后瀝青穩(wěn)定碎石混合料的路用性能和疲勞性能，為替代部分礦粉填料的干法外摻煤液化殘渣工藝的可行性提供依據。

1 試驗原材料技術性能

瀝青采用中石化“東海牌”70號瀝青，石料為蘇尼特左旗瑞通礦業(yè)有限公司生產的石灰?guī)r碎石，礦粉為二連浩特市通惠水泥廠生產的石灰?guī)r礦粉，各材料技術指標見表1～表3。

表1 瀝青技術指標Table 1 Asphalt technical indicators

表2 集料技術指標Table 2 Aggregate technical indicators

表3 礦粉物理指標檢測結果Table 3 Test results of mineral powder physical indicators

2 LQ在瀝青穩(wěn)定碎石基層中應用探究

2.1 LQ材料特性

煤液化殘渣是原煤在處理過程中，經過減壓蒸餾等工藝分離出的殘留物，其中灰質、炭質、揮發(fā)分含量很高，并且組成成分中含有大量瀝青烯物質和油分[7]，其外觀為黑色粉末狀顆粒，對LQ進行電鏡掃描分析，從圖像中可以看出，LQ中材料顆粒由大到小連續(xù)存在，顆粒形狀為不規(guī)則的多面體結構，且顆粒表面粗糙，有豐富的附著結構[8]。分別對礦粉、LQ材料和水泥進行粒度分析和比表面積測試，結果見表4、表5。

圖4 LQ材料顆粒表面微觀圖片Fig. 4 Micro picture of LQ material particle surface

樣品名稱d10/μmd30/μmd60/μm0.075 mm/%礦粉1.3588.42631.75392.627LQ6.03712.22320.38298.128水泥2.71610.37528.57196.524

注：d10是指累計粒度達到10%時所對應的顆粒尺寸，其他類同。

LQ、水泥以及礦粉3種材料的0.075 mm篩孔通過率逐漸減小，LQ材料顆粒中，粒徑為10 μm 左右的顆粒含量所占比例高于另外兩種材料，并且其d60也比另外兩種材料小，因此LQ顆粒總體比礦粉和水泥的顆粒要細。根據材料比表面積測試結果，LQ 材料的比表面積最大，說明LQ摻入到瀝青混合料中與瀝青的接觸面積較大，有較強的吸附能力，與瀝青之間的作用力大。

2.2 LQ摻入工藝研究

材料的摻入工藝對混合料的性能有重要的影響，摻入工藝不同，材料在混合料中分布狀態(tài)以及反應程度就不同，從而影響整個混合料的性質。常用的添加劑摻入工藝有濕法和干法兩種，LQ材料的濕法摻入是指先將LQ加熱到熔點(190 ℃以上)，使其成為熔融狀態(tài)摻入瀝青中，充分混合均勻后與石料拌和[9]，但LQ材料中灰分礦物質含量較多，其與瀝青基本不相溶，若不能采取合適的摻加工藝，會對制得的改性瀝青性質產生一定程度的不良影響，達不到預期的效果。

干拌法是相對于濕法的另一種摻加工藝，將材料在瀝青與石料的拌和過程中以外摻的形式加入。對于LQ材料而言，在混合料拌和過程中一部分溶入到瀝青中，對瀝青起到改性作用，從而提高混合料的性能，同時由于其中含有較多的灰組分，沒有溶入的部分以物理形態(tài)分布于瀝青中，一些沒有溶入瀝青中粒徑相對較大的LQ顆粒與瀝青的結合能力較弱，其在混合料中的存在方式主要為和灰分礦物質一起分布在礦料之間充當填料，降低空隙率，提高密實度，對混合料的路用性能和疲勞性能有一定程度的改善。主要研究LQ替代部分礦粉摻入混合料前后瀝青穩(wěn)定碎石路用性能和疲勞性能的變化，為了更好的研究LQ材料的性質，增加一組以水泥為填料的對比組，LQ和水泥的替代量為礦粉質量的50%，混合料類型記為礦粉、礦粉+LQ、礦粉+水泥，通過對混合料試件的試驗分析，評價LQ瀝青穩(wěn)定碎石的性能。

3 路用性能

3.1 混合料配合比設計

采用ATB-25型瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料，馬歇爾試驗方法確定的礦粉和礦粉+水泥兩種類型混合料最佳瀝青用量為3.5%，礦粉+LQ瀝青混合料最佳瀝青用量為3.2%，設計級配見表6，最佳油石比試驗結果見表7。

表6 ATB-25礦質混合料級配Table 6 ATB-25 mineral mixture gradation

表7 最佳油石比試驗結果Table 7 Test results of optimum asphalt aggregate ratio

3.2 混合料高溫性能

根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T 0719—2011 對瀝青混合料進行車轍試驗，不同混合料的車轍試驗結果見表8：

表8 不同瀝青混合料車轍試驗結果Table 8 Rutting test results of different asphalt mixtures

由表8可知：礦粉+LQ瀝青混合料的動穩(wěn)定度最大，礦粉+水泥瀝青混合料的動穩(wěn)定度次之，純礦粉瀝青混合料動穩(wěn)定度最小，礦粉+LQ瀝青混合料穩(wěn)定度接近純礦粉瀝青混合料的1.5倍。從車轍深度來看，礦粉+LQ瀝青混合料的車轍深度最淺，純礦粉瀝青混合料的車轍深度最深，說明干法摻入LQ可以提高瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料的高溫性能，LQ材料具有一定的增黏效果，增加了瀝青的黏度，因此LQ瀝青穩(wěn)定碎石基層高溫下抵抗變形的能力增加。

3.3 混合料水穩(wěn)定性

不同類型混合料進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂強度試驗，試驗結果見圖2：

圖2 水穩(wěn)定性試驗結果Fig. 2 Water stability test results

由圖2可知：礦粉+水泥瀝青混合料的水穩(wěn)定性最優(yōu)，純礦粉混合料的殘留穩(wěn)定度最小，礦粉+LQ混合料的凍融劈裂強度比最小，但符合道路工程瀝青路面施工規(guī)范中對于瀝青混合料凍融劈裂強度的規(guī)定要求。LQ材料表面附著結構豐富使瀝青膜的抗剝落能力增強，提高了混合料的浸水殘留穩(wěn)定度，其凍融劈裂強度變低的原因，是因為瀝青含量相對較少，瀝青混合料的空隙率高，在水的浸泡下內部含水率高，凍融循環(huán)過程中由于水的作用試件更加容易遭受破壞。

3.4 低溫性能

根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T 0715—2011 對瀝青混合料進行低溫彎曲試驗，結果見表9：

表9 不同瀝青混合料低溫性能試驗結果Table 9 Low temperature performance test results ofdifferent asphalt mixtures

由表9可知：純礦粉瀝青混合料破壞時的應變最大，礦粉+水泥瀝青混合料次之，礦粉+LQ混合料破壞時應變最小，LQ混合料與另外兩種混合料相對比，其低溫抗裂性明顯變差，一個原因是LQ混合料中的瀝青含量相對較少，另一原因是LQ材料加入后使得瀝青混合料的脆性增加，導致低溫抗裂性變差。

3.5 瀝青穩(wěn)定碎石抗疲勞特性

采用MTS材料試驗機，試驗溫度控制在15 ℃±0.5 ℃，應力水平采用0.2、0.3、0.4、0.6四個應力比，對3種填料形式的ATB-25瀝青混合料進行疲勞試驗[10]，4種應力水平條件下的疲勞試驗結果及疲勞回歸方程見表10。

疲勞方程中k值是控制指標，代表材料的抗疲勞能力，值越大材料抗疲勞能力越強；而n值表示應力變化對材料疲勞壽命的影響，n值越大，應力變化對疲勞壽命的影響越明顯。從疲勞試驗回歸方程系數k和n的值來看，礦粉+LQ瀝青混合料的抗疲勞性能最好，摻加了水泥的混合料和純礦粉混合料的疲勞性能差別不大。LQ混合料與其他兩種混合料相比，其抗疲勞性能較為優(yōu)異， LQ摻入到瀝青混合料中，提高了瀝青膠漿的黏結能力，而一般疲勞產生的破壞都是從膠漿處產生，在行車荷載的反復作用下不斷發(fā)展，黏結能力較強的瀝青混合料能有效地延緩和阻礙疲勞破壞的發(fā)展，從而增加混合料的疲勞壽命。另外LQ瀝青混合料與另外兩種混合料相比，其疲勞方程的n值最大，表明荷載應力水平對其抗疲勞性能有較大的影響。

表10 不同填料瀝青穩(wěn)定碎石疲勞試驗結果Table 10 Fatigue test results of different packing asphalt stabilized gravel

從圖3中可以看出，應力水平不斷增加，應力比超過0.6，應力值大于2 MPa的情況下，LQ混合料的疲勞回歸直線開始低于另外兩種混合料，表明再此條件下LQ混合料的疲勞壽命小于另外兩種混合料，當應力值處于大于2 MPa的應力條件下，LQ混合料的抗疲勞能力劣于另外兩種混合料。對此現象進行分析得出，LQ瀝青混合料的油石比較低，添加的瀝青相對較少，導致空隙率大，在高應力的作用下，試件易從空隙集中處發(fā)生斷裂，觀察試件經過疲勞試驗后產生的斷裂面，其中粒徑較大的集料沒有發(fā)生破壞，均比較完整，斷裂破壞從集料與瀝青黏結的部位產生，并且沿著集料的輪廓延伸發(fā)展，空隙越多，裂縫的發(fā)展越容易。當應力增加到超過瀝青混合料的最大抵抗變形應力時，試件就產生破壞，由于LQ混合料中瀝青含量低，其抵抗變形能力不足以抵抗高應力條件下的疲勞破壞，因此抗疲勞性能下降。在重載道路中，其基層底部的拉應力較大[11]，使用干法摻入煤液化殘渣混合料修筑基層時，為了防止基層在高應力條件下產生疲勞破壞，可以適當增加基層厚度。

圖3 三種瀝青混合料疲勞雙對數回歸方程Fig. 3 Fatigue double logarithmic regression equation for three asphalt mixtures

4 結 論

1)LQ顆粒總體比礦粉細，比表面積較大，其表面有豐富的附著結構，有很好的吸附瀝青的能力，提高了瀝青膜的抗剝落能力。馬歇爾試驗方法確定的礦粉和礦粉+水泥兩種類型混合料最佳瀝青用量為3.5%，礦粉+LQ瀝青混合料最佳瀝青用量為3.2%，在瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層中，LQ材料可以降低一定程度的瀝青用量。

2)填料類型為礦粉+LQ瀝青穩(wěn)定碎石混合料的動穩(wěn)定最高，高溫抵抗變形的能力最好；相比于純礦粉瀝青混合料，LQ瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度提高，凍融殘留強度比降低，但仍滿足使用要求；礦粉+LQ瀝青混合料的最大彎拉應變比礦粉+水泥和純礦粉瀝青混合料都小，低溫抗裂性能變差。

3)在應力水平較低時(小于1.5 MPa)，LQ瀝青穩(wěn)定碎石抗疲勞性能比另外兩種混合料好，但應力水平較高時，其抗疲勞性比另外兩種混合料差；摻加水泥填料與純礦粉混合料抗疲勞性能沒有明顯的差異。

4)在瀝青穩(wěn)定碎石基層中采用替代部分礦粉填料的干法外摻煤液化殘渣是可行的，并且能降低瀝青用量，降低瀝青穩(wěn)定碎石基層造價，具有很好的經濟效益，有利于柔性基層的推廣。