干法掺入煤液化残渣沥青稳定碎石基层材料性能

张宜洛，陈阳阳，李 晨，王佳伟，董飞龙，郭 创

(1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2. 中设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014)

0 引 言

煤液化分离后的残渣(LQ)主要物质成分为沥青烯类物质以及较多的油分，其组成成分与沥青中沥青质的成分具有很高的相似性[1-2]，考虑到我国目前沥青稳定碎石柔性基层造价较高的现状，将煤液化残渣添加到沥青稳定碎石基层中，不仅能够降低柔性基层的造价，还能实现工业废弃物的再利用，利于环保。综合目前国内外对于煤液化残渣的研究现状，国外的研究主要集中于对材料自身相关性质的试验研究[3]，而很少涉及其在道路工程相关方面的应用研究，而国内因为煤炭资源消耗较大且用于道路建设的材料相对较少，使得国内对于煤液化残渣的研究主要集中于道路方面。目前国内的主要研究方向为对残渣进行提纯，将其加入到沥青中对沥青进行改性，对改性沥青的性质进行评价研究[4-6]，而对用煤液化残渣改性沥青制得的沥青混合料的性能研究较少。并且以上述湿法的方式掺入，忽略了一般煤直接液化残渣中含有一定量的高灰分的矿物元素成分，这部分成分与沥青并不相溶，但研究中近似认为残渣可以全部溶解。主要通过将煤液化残渣以干法添加工艺，用煤液化残替代部分矿粉的方式外掺加入到沥青混合料中，全面地研究干法掺入煤液化残渣后沥青稳定碎石混合料的路用性能和疲劳性能，为替代部分矿粉填料的干法外掺煤液化残渣工艺的可行性提供依据。

1 试验原材料技术性能

沥青采用中石化“东海牌”70号沥青，石料为苏尼特左旗瑞通矿业有限公司生产的石灰岩碎石，矿粉为二连浩特市通惠水泥厂生产的石灰岩矿粉，各材料技术指标见表1～表3。

表1 沥青技术指标Table 1 Asphalt technical indicators

表2 集料技术指标Table 2 Aggregate technical indicators

表3 矿粉物理指标检测结果Table 3 Test results of mineral powder physical indicators

2 LQ在沥青稳定碎石基层中应用探究

2.1 LQ材料特性

煤液化残渣是原煤在处理过程中，经过减压蒸馏等工艺分离出的残留物，其中灰质、炭质、挥发分含量很高，并且组成成分中含有大量沥青烯物质和油分[7]，其外观为黑色粉末状颗粒，对LQ进行电镜扫描分析，从图像中可以看出，LQ中材料颗粒由大到小连续存在，颗粒形状为不规则的多面体结构，且颗粒表面粗糙，有丰富的附着结构[8]。分别对矿粉、LQ材料和水泥进行粒度分析和比表面积测试，结果见表4、表5。

图4 LQ材料颗粒表面微观图片Fig. 4 Micro picture of LQ material particle surface

样品名称d10/μmd30/μmd60/μm0.075 mm/%矿粉1.3588.42631.75392.627LQ6.03712.22320.38298.128水泥2.71610.37528.57196.524

注：d10是指累计粒度达到10%时所对应的颗粒尺寸，其他类同。

LQ、水泥以及矿粉3种材料的0.075 mm筛孔通过率逐渐减小，LQ材料颗粒中，粒径为10 μm 左右的颗粒含量所占比例高于另外两种材料，并且其d60也比另外两种材料小，因此LQ颗粒总体比矿粉和水泥的颗粒要细。根据材料比表面积测试结果，LQ 材料的比表面积最大，说明LQ掺入到沥青混合料中与沥青的接触面积较大，有较强的吸附能力，与沥青之间的作用力大。

2.2 LQ掺入工艺研究

材料的掺入工艺对混合料的性能有重要的影响，掺入工艺不同，材料在混合料中分布状态以及反应程度就不同，从而影响整个混合料的性质。常用的添加剂掺入工艺有湿法和干法两种，LQ材料的湿法掺入是指先将LQ加热到熔点(190 ℃以上)，使其成为熔融状态掺入沥青中，充分混合均匀后与石料拌和[9]，但LQ材料中灰分矿物质含量较多，其与沥青基本不相溶，若不能采取合适的掺加工艺，会对制得的改性沥青性质产生一定程度的不良影响，达不到预期的效果。

干拌法是相对于湿法的另一种掺加工艺，将材料在沥青与石料的拌和过程中以外掺的形式加入。对于LQ材料而言，在混合料拌和过程中一部分溶入到沥青中，对沥青起到改性作用，从而提高混合料的性能，同时由于其中含有较多的灰组分，没有溶入的部分以物理形态分布于沥青中，一些没有溶入沥青中粒径相对较大的LQ颗粒与沥青的结合能力较弱，其在混合料中的存在方式主要为和灰分矿物质一起分布在矿料之间充当填料，降低空隙率，提高密实度，对混合料的路用性能和疲劳性能有一定程度的改善。主要研究LQ替代部分矿粉掺入混合料前后沥青稳定碎石路用性能和疲劳性能的变化，为了更好的研究LQ材料的性质，增加一组以水泥为填料的对比组，LQ和水泥的替代量为矿粉质量的50%，混合料类型记为矿粉、矿粉+LQ、矿粉+水泥，通过对混合料试件的试验分析，评价LQ沥青稳定碎石的性能。

3 路用性能

3.1 混合料配合比设计

采用ATB-25型沥青稳定碎石基层混合料，马歇尔试验方法确定的矿粉和矿粉+水泥两种类型混合料最佳沥青用量为3.5%，矿粉+LQ沥青混合料最佳沥青用量为3.2%，设计级配见表6，最佳油石比试验结果见表7。

表6 ATB-25矿质混合料级配Table 6 ATB-25 mineral mixture gradation

表7 最佳油石比试验结果Table 7 Test results of optimum asphalt aggregate ratio

3.2 混合料高温性能

根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T 0719—2011 对沥青混合料进行车辙试验，不同混合料的车辙试验结果见表8：

表8 不同沥青混合料车辙试验结果Table 8 Rutting test results of different asphalt mixtures

由表8可知：矿粉+LQ沥青混合料的动稳定度最大，矿粉+水泥沥青混合料的动稳定度次之，纯矿粉沥青混合料动稳定度最小，矿粉+LQ沥青混合料稳定度接近纯矿粉沥青混合料的1.5倍。从车辙深度来看，矿粉+LQ沥青混合料的车辙深度最浅，纯矿粉沥青混合料的车辙深度最深，说明干法掺入LQ可以提高沥青稳定碎石基层混合料的高温性能，LQ材料具有一定的增黏效果，增加了沥青的黏度，因此LQ沥青稳定碎石基层高温下抵抗变形的能力增加。

3.3 混合料水稳定性

不同类型混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂强度试验，试验结果见图2：

图2 水稳定性试验结果Fig. 2 Water stability test results

由图2可知：矿粉+水泥沥青混合料的水稳定性最优，纯矿粉混合料的残留稳定度最小，矿粉+LQ混合料的冻融劈裂强度比最小，但符合道路工程沥青路面施工规范中对于沥青混合料冻融劈裂强度的规定要求。LQ材料表面附着结构丰富使沥青膜的抗剥落能力增强，提高了混合料的浸水残留稳定度，其冻融劈裂强度变低的原因，是因为沥青含量相对较少，沥青混合料的空隙率高，在水的浸泡下内部含水率高，冻融循环过程中由于水的作用试件更加容易遭受破坏。

3.4 低温性能

根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T 0715—2011 对沥青混合料进行低温弯曲试验，结果见表9：

表9 不同沥青混合料低温性能试验结果Table 9 Low temperature performance test results ofdifferent asphalt mixtures

由表9可知：纯矿粉沥青混合料破坏时的应变最大，矿粉+水泥沥青混合料次之，矿粉+LQ混合料破坏时应变最小，LQ混合料与另外两种混合料相对比，其低温抗裂性明显变差，一个原因是LQ混合料中的沥青含量相对较少，另一原因是LQ材料加入后使得沥青混合料的脆性增加，导致低温抗裂性变差。

3.5 沥青稳定碎石抗疲劳特性

采用MTS材料试验机，试验温度控制在15 ℃±0.5 ℃，应力水平采用0.2、0.3、0.4、0.6四个应力比，对3种填料形式的ATB-25沥青混合料进行疲劳试验[10]，4种应力水平条件下的疲劳试验结果及疲劳回归方程见表10。

疲劳方程中k值是控制指标，代表材料的抗疲劳能力，值越大材料抗疲劳能力越强；而n值表示应力变化对材料疲劳寿命的影响，n值越大，应力变化对疲劳寿命的影响越明显。从疲劳试验回归方程系数k和n的值来看，矿粉+LQ沥青混合料的抗疲劳性能最好，掺加了水泥的混合料和纯矿粉混合料的疲劳性能差别不大。LQ混合料与其他两种混合料相比，其抗疲劳性能较为优异， LQ掺入到沥青混合料中，提高了沥青胶浆的黏结能力，而一般疲劳产生的破坏都是从胶浆处产生，在行车荷载的反复作用下不断发展，黏结能力较强的沥青混合料能有效地延缓和阻碍疲劳破坏的发展，从而增加混合料的疲劳寿命。另外LQ沥青混合料与另外两种混合料相比，其疲劳方程的n值最大，表明荷载应力水平对其抗疲劳性能有较大的影响。

表10 不同填料沥青稳定碎石疲劳试验结果Table 10 Fatigue test results of different packing asphalt stabilized gravel

从图3中可以看出，应力水平不断增加，应力比超过0.6，应力值大于2 MPa的情况下，LQ混合料的疲劳回归直线开始低于另外两种混合料，表明再此条件下LQ混合料的疲劳寿命小于另外两种混合料，当应力值处于大于2 MPa的应力条件下，LQ混合料的抗疲劳能力劣于另外两种混合料。对此现象进行分析得出，LQ沥青混合料的油石比较低，添加的沥青相对较少，导致空隙率大，在高应力的作用下，试件易从空隙集中处发生断裂，观察试件经过疲劳试验后产生的断裂面，其中粒径较大的集料没有发生破坏，均比较完整，断裂破坏从集料与沥青黏结的部位产生，并且沿着集料的轮廓延伸发展，空隙越多，裂缝的发展越容易。当应力增加到超过沥青混合料的最大抵抗变形应力时，试件就产生破坏，由于LQ混合料中沥青含量低，其抵抗变形能力不足以抵抗高应力条件下的疲劳破坏，因此抗疲劳性能下降。在重载道路中，其基层底部的拉应力较大[11]，使用干法掺入煤液化残渣混合料修筑基层时，为了防止基层在高应力条件下产生疲劳破坏，可以适当增加基层厚度。

图3 三种沥青混合料疲劳双对数回归方程Fig. 3 Fatigue double logarithmic regression equation for three asphalt mixtures

4 结 论

1)LQ颗粒总体比矿粉细，比表面积较大，其表面有丰富的附着结构，有很好的吸附沥青的能力，提高了沥青膜的抗剥落能力。马歇尔试验方法确定的矿粉和矿粉+水泥两种类型混合料最佳沥青用量为3.5%，矿粉+LQ沥青混合料最佳沥青用量为3.2%，在沥青稳定碎石柔性基层中，LQ材料可以降低一定程度的沥青用量。

2)填料类型为矿粉+LQ沥青稳定碎石混合料的动稳定最高，高温抵抗变形的能力最好；相比于纯矿粉沥青混合料，LQ沥青混合料的浸水残留稳定度提高，冻融残留强度比降低，但仍满足使用要求；矿粉+LQ沥青混合料的最大弯拉应变比矿粉+水泥和纯矿粉沥青混合料都小，低温抗裂性能变差。

3)在应力水平较低时(小于1.5 MPa)，LQ沥青稳定碎石抗疲劳性能比另外两种混合料好，但应力水平较高时，其抗疲劳性比另外两种混合料差；掺加水泥填料与纯矿粉混合料抗疲劳性能没有明显的差异。

4)在沥青稳定碎石基层中采用替代部分矿粉填料的干法外掺煤液化残渣是可行的，并且能降低沥青用量，降低沥青稳定碎石基层造价，具有很好的经济效益，有利于柔性基层的推广。