稻壳灰改性沥青及沥青混合料性能研究

姬 枫

（洛阳璟信公路工程科技发展有限公司，河南洛阳471000）

随着我国公路工程建设的快速发展，截止2019年底全国高速公路通车里程已达14.26万公里。现阶段我国高速公路一般采用沥青路面结构，其具有行车舒适、养护维修简便等优点，但沥青属于高分子有机材料，在受到汽车荷载和气候环境的综合作用下时沥青会发生老化，致使性能降低，从而使得沥青路面出现坑槽和开裂等病害，严重影响行车安全和路面使用寿命[1-3]，因此如何提高沥青路面使用性能一直是当前学者们研究的重点课题。

采用沥青改性技术一直是提高沥青路面使用性能的重要手段，如目前采用的SBS、SBR、PE和RUBBER等改性沥青，均在实际工程中取得了一定应用效果[4-7]。随着国家资源可持续战略的提出，利用废物改性沥青近年来逐渐引起关注。稻壳灰是水稻秸秆燃烧后的废物，产量十分巨大，稻壳灰中含有木质素、纤维素和二氧化硅等物质，具有较高的火山灰活性，目前一些研究者已发现利用稻壳灰可改善沥青性能，但国内关于稻壳灰应用于沥青改性的研究还处于初步阶段[8-10]。基于此，制备稻壳灰改性沥青，对其高温性能、低温性能和存储稳定性进行试验研究，同时制备相应沥青混合料对其路用性能进行分析，对利用废旧资源和改善沥青性能有积极意义。

1 试验概况

1.1 原材料

（1）沥青

采用AH-70号道路石油沥青为基质沥青进行试验分析，其各项指标满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）要求，见表1。

表1 AH-70号基质沥青主要技术指标Table 1 Main technical indexes of AH-70 base asphalt

（2）稻壳灰

将废旧稻秸秆置于600℃马沸炉中焚烧120min，冷却后移入立式方形行星球磨机研磨30min，进而烘干过0.075mm筛即可作为沥青改性用稻壳灰。

（3）集料级配

粗细集料均采用质地坚硬的玄武岩，矿粉由石灰岩磨细而得，采用细粒式沥青混凝土集料级配AC-13，其各筛孔通过率见表2。

表2 AC-13集料级配Table 2 Aggregate grading of AC-13

1.2 稻壳灰改性沥青制备方法

将基质沥青加热至160℃后按比例掺入置于120℃烘箱中烘干的稻壳灰，用玻璃棒搅匀后采用高速剪切机以5000r/min速率剪切30min后置于135℃烘箱中发育60min，即可制得稻壳灰改性沥青。

2 稻壳灰改性沥青性能研究

为掌握稻壳灰对沥青高温性能、低温性能和存储稳定性的影响，分别制备稻壳灰掺量为0%、5%、10%、15%和20%的改性沥青进行DSR试验、BBR试验和离析试验分析。

2.1 高温性能

2.1.1 高温性能分析

采用DSR试验对稻壳灰改性沥青高温性能进行评价，可测得沥青复数模量和相位角两个指标，复数模量表征沥青高温抗变形能力，值越大沥青高温抗变形能力越强，相位角表征沥青高温粘弹比例，值越大沥青中粘性成分越多，高温变形弹性恢复能力越弱。试验采用应力控制模式，温度分别为58℃、64℃、70℃和76℃，频率10rad/s，结果如图1和图2所示。

由图1和图2可知：随着温度升高，稻壳灰改性沥青复数模量逐渐降低，相位角逐渐提高，表明其高温性能逐渐变差，其中温度由58℃升高至76℃时，5个稻壳灰掺量下的沥青复数模量分别下降83.0%、79.2%、78.2%、77.5%和78.0%，此时沥青高温抗变形能力下降，相位角则分提高6.7%、8.5%、11.2%、11.5%和14.0%，此时沥青中粘性成分比例增加，高温变形恢复能力下降。

图1 稻壳灰掺量对沥青复数模量的影响Fig.1 Effect of rice husk ash content on asphalt complex modulus

图2 稻壳灰掺量对沥青相位角的影响Fig.2 Effect of rice husk ash content on asphalt phase angle

稻壳灰可有效改善沥青高温性能，且随掺量的增加改善效果逐渐变好。在沥青中在掺入稻壳灰后，沥青复数模量逐渐提高，相位角逐渐降低，其中稻壳灰掺量由0%增加至20%时，4个试验温度下沥青复数模量分别增加0.8倍、1.0倍、1.1倍和1.3倍，相位角则分别下降16.1%、14.7%、11.6%和10.4%，这可能是因为稻壳灰中高活性的SiO2与沥青结合料发生反应，形成有效的填充结构，使沥青稠度增加，故高温性能增强。

2.1.2 高温性能温度敏感性分析

采用复数模量指数（复数模量取两次对数后随温度取一次对数变化曲线斜率，其绝对值越小，沥青高温性能温度敏感性越低）评价稻壳灰改性沥青高温性能温度敏感性，其计算方法见公式(1)：

式（1）中：GTS为复数模量指数；G*为复数模量（Pa）；T为试验温度（K）。

各个稻壳灰掺量下沥青高温性能温度敏感性分析结果见表3。

表3 稻壳灰改性沥青高温性能温度敏感性分析结果Table 3 Temperature sensitivity analysis results of high temperature performance of rice husk ash modified asphalt

由表3可知：复数模量与温度相关性较好，各个稻壳灰掺量下的沥青R2值均大于0.96；随着稻壳灰掺量增加，GTS绝对值逐渐降低，表明沥青复数模量随温度变化曲线的斜率降低，温度敏感性变好，其中稻壳灰掺量由0%分别增加至5%、10%、15%和20%时，GTS绝对值分别下降14.9%、17.2%、20.1%和21.2%，显然随着稻壳灰掺量增加，其对沥青高温性能温度敏感性的改善幅度逐渐降低。

2.2 低温性能

采用BBR试验对稻壳灰改性沥青低温性能进行评价，其可测得沥青蠕变劲度模量和蠕变速率两个指标，劲度模量表征沥青低温变形能力大小，值越大沥青低温变形能力越差，硬脆特征越明显，蠕变速率表征沥青低温应力松弛能力，值越大沥青因低温产生的应力累积消散速率越快，低温性能越好。试验温度为-12℃，结果如图3和图4所示。

图3 稻壳灰掺量对沥青劲度模量的影响Fig.3 Effect of rice husk ash content on asphalt stiffness modulus

图4 稻壳灰掺量对沥青蠕变速率的影响Fig.4 Effect of rice husk ash content on creep rate of asphalt

由图3和图4可知，稻壳灰会造成沥青低温性能下降，且随着掺量的增加下降程度逐渐增大。稻壳灰掺量由0%分别增加至5%、10%、15%和20%时，沥青劲度模量分别升高7.5%、13.2%、19.2%和29.1%，蠕变速率分别下降3.5%、8.9%、12.8%和15.9%，表明掺入稻壳灰会降低沥青低温变形能力，且应力松弛能力变差，分析原因为稻壳灰的填充作用使沥青稠度增加所致。

2.3 存储稳定性

将稻壳灰改性沥青加热至160℃注入铝管后垂直置于163℃烘箱中保温48h，取出冷却至室温后移入冷柜冷冻4h，取铝管上下1/3高度部分沥青进行软化点试验，计算两者软化点差作为沥青存储稳定性评价指标，结果如图5所示。

图5 稻壳灰掺量对沥青存储稳定性的影响Fig.5 Effect of rice husk ash content on asphalt storage stability

由图5可知：稻壳灰会造成沥青存储稳定性下降，且随着掺量的增加下降程度逐渐增大，其中稻壳灰掺量由0%分别增加至5%、10%、15%和20%时，沥青软化点差分别升高0.3℃、1.1℃、1.5℃和1.9℃，这是由于高温下稻壳灰在沥青中因重力下沉的缘故；稻壳灰改性沥青软化点差与其掺量呈明显的线性相关关系，R2值达0.9796，故根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对改性沥青软化点差不大于2.5℃的要求可得出满足存储稳定性时稻壳灰掺量应不大于23.6%。

3 稻壳灰改性沥青混合料性能研究

为了掌握稻壳灰对沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性的影响，分别制备稻壳灰掺量为0%、5%、10%、15%和20%的改性沥青混合料进行车辙试验、低温小梁弯曲试验和冻融劈裂试验进行分析。

3.1 高温稳定性

采用轮碾法制备300mm×300mm×50mm稻壳灰改性沥青混合料试件进行车辙试验，试验温度分别为60℃和70℃，轮压0.7MPa，结果如图6所示。

图6 稻壳灰掺量对沥青混合料高温稳定性的影响Fig.6 Effect of rice husk ash content on high temperature stability of asphalt mixture

由图6可知：掺入稻壳灰可有效改善沥青混合料高温稳定性，且掺量越高，改善效果越好。稻壳灰掺量由0%分别增加至5%、10%、15%和20%时，60℃下沥青混合料动稳定度分别增加0.5倍、1.4倍、2.0倍和2.3倍，70℃下则分别增加0.6倍、1.8倍、2.9倍和3.4倍。同时，动稳定度随稻壳灰掺量呈明显的线性相关关系，60℃和70℃下R2值分别达到0.9684和0.9813，故根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对改性沥青混合料不同温区动稳定度的要求可得出满足高温稳定性时稻壳灰掺量应满足表4要求。

表4 满足高温稳定性要求时不同温区稻壳灰掺量范围Table 4 Range of rice husk ash content in different temperature regions when the requirements of high temperature stability are met

掺入稻壳灰可改善沥青混合料高温性能温度敏感性，且掺量越高改善效果越好。试验温度由60℃升高至70℃时，0%、5%、10%、15%和20%共5个稻壳灰掺量下的沥青混合料动稳定度分别降低53.3%、50.3%、46.0%、39.8%和36.8%，显然稻壳灰掺量越高，提高试验温度对其动稳定度造成的下降程度越小，温度敏感性变好。

3.2 低温抗裂性

成型稻壳灰改性沥青混合料车辙试件后切割为250mm×30mm×35mm小梁进行低温弯曲试验，温度-10℃，加载速率50mm/min，结果如图7所示。

图7 稻壳灰掺量对沥青混合料低温抗裂性的影响Fig.7 Effect of rice husk ash content on low temperature crack resistance of asphalt mixture

由图7可知：稻壳灰会造成沥青混合料低温性能下降，且随掺量的增加下降程度逐渐增大。稻壳灰掺量由0%分别增加至5%、10%、15%和20%时，沥青混合料低温最大弯拉破坏应变分别下降2.5%、6.9%、14.7%和22.0%；稻壳灰改性沥青混合料低温最大弯拉破坏应变随稻壳灰掺量呈明显的线性相关关系，回归分析中R2值达0.9609，故根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对不同温区改性沥青混合料最大弯拉破坏应变要求可知，稻壳灰改性沥青混合料不满足冬严寒区和冬寒区低温性能使用要求，应用于冬冷区或冬温区时稻壳灰掺量应小于9.0%。

3.3 水稳定性

制备稻壳改性沥青混合料标准马歇尔试件进行冻融劈裂试验，结果如图8所示。

图8 稻壳灰掺量对沥青混合料水稳定性的影响Fig.8 Effect of rice husk ash content on water stability of asphalt mixture

由图8可知，掺入稻壳灰可改善沥青混合料水稳定性，且掺量越高，改善效果越好。稻壳灰掺量由0%分别增加至5%、10%、15%和20%时，沥青混合料冻融劈裂强度比分别增加1.7%、2.8%、4.4%和4.9%，且各个掺量下的试验结果均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对潮湿区改性沥青混合料冻融劈裂强度比不小于80%的要求。原因是掺入稻壳灰后沥青粘度增加，与集料粘附性增强的缘故。

4 结论

（1）稻壳灰可改善沥青及沥青混合料高温性能和高温性能温度敏感性，同时可改善沥青混合料水稳定性，且掺量越高改善效果越好。

（2）稻壳灰掺量达到一定范围时其高温稳定性可满足各个温区使用要求，故其可作为抗车辙剂使用；各个掺量下稻壳灰改性沥青混合料水稳定性均满足规范要求。

（3）稻壳灰对沥青低温性能和存储稳定性及沥青混合料低温抗裂性有不利影响，且掺量越高表现越明显；稻壳灰改性沥青混合料不满足冬严寒区和冬寒区低温性能使用要求，应用于冬冷区或冬温区时稻壳灰掺量应小于9.0%。