胡 琦， 張 迅， 任 毅

(湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

0 引言

布敦巖瀝青(BRA)是一種天然巖瀝青，產(chǎn)于印度尼西亞布敦島。其主要由古生代石油滲透到巖層中，經(jīng)長期海底沉積、承受壓力和地質(zhì)變動，逐漸形成瀝青巖，外觀呈深褐色，經(jīng)開采破碎后呈微細顆粒粉末狀，瀝青含量約為20%～30%，其余為石灰?guī)r礦物質(zhì)。近年來，國內(nèi)外諸多科研工作者及工程技術(shù)人員對BRA進行了改性機理和路用性能方面的研究。李瑞霞等[1]通過采用X射線衍射分析、SEM分析、紅外光譜(IR)分析等技術(shù)手段對BRA改性機理進行研究，發(fā)現(xiàn)BRA顆粒與瀝青形成了兩相連續(xù)結(jié)構(gòu)，BRA加至基質(zhì)瀝青中為物理混溶過程，經(jīng)BRA改性后瀝青質(zhì)熱裂解難度增大。查旭東等[2]通過不同摻量BRA改性瀝青性能試驗研究，證實布敦巖瀝青摻入可有效提升改性瀝青的高低溫性能、感溫性能、抗老化性能及抗變形性能等，并提出了BRA摻量建議。劉樹堂等[3]通過電子探針對BRA組成元素和BRA中純?yōu)r青質(zhì)的化學組分分析表明，BRA中瀝青質(zhì)含量為普通石油瀝青的5～10倍，這是BRA改性瀝青改善瀝青混合料高溫性能的主要原因。黃文通等[4]通過基質(zhì)瀝青、不同摻量的BRA改性瀝青、SBS改性瀝青混合料性能對比試驗，揭示了通過BRA改性可提高混合料高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性，并能改善混合料的低溫抗裂性，但實際應用中BRA摻量不宜超過25%。

本文依托湖南省湘西地區(qū)某新建高速公路，依據(jù)設計文件對BRA改性AC-20C中面層進行了材料檢測和配合比設計，研究了其路用性能，并與同級配的SBS改性瀝青AC-20C混合料路用性能進行了對比分析。

1 原材料

1.1 布敦巖瀝青(BRA)

依據(jù)相關(guān)試驗規(guī)程[5]要求，對BRA進行抽提篩分等性能測試，檢驗結(jié)果滿足技術(shù)要求，檢驗結(jié)果及技術(shù)要求見表1。

表1 BRA主要技術(shù)指標類別瀝青含量/%灰分/%含水率/%巖瀝青中不溶物25 ℃相對密度通過方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%2.361.180.60.30.150.075檢驗結(jié)果26.049.41.12.29010097.593.086.474.860.1技術(shù)要求實測≤80≤2實測——————

1.2 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青采用中石油金陵分公司A — 70道路石油瀝青，檢驗結(jié)果均滿足設計要求，主要技術(shù)指標如表2。

表2 A-70基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標類別25 ℃針入度/0.1 mm針入度指數(shù)PI10 ℃延度/cm15 ℃延度/cm軟化點/℃60 ℃動力粘度/(Pa·s)閃點/℃含蠟量(蒸餾法)/%溶解度(三氯乙烯)/%TFOT試驗后質(zhì)量變化/%針入度比/%10 ℃延度/cm檢驗結(jié)果72-0.96>100>10047.0187.12641.899.89-0.240 63.9 11技術(shù)要求60～80-1.5～+1.0≥15 ≥100≥46≥180≥260≤2.2≥99.5-0.8～+0.8≥61 ≥6

1.3 集料

集料(不包含BRA集料)采用吉首某石場石灰石，其規(guī)格分別為9.5～19 mm(1#)、4.75～9.5 mm(2#)、2.36～4.75 mm(3#)和0～2.36 mm(4#)，依據(jù)相關(guān)試驗規(guī)程[6]，粗、細集料檢驗結(jié)果均符合技術(shù)要求，主要技術(shù)指標及篩分結(jié)果如表3和表4。

表3 粗、細集料主要技術(shù)指標類別壓碎值/%洛杉磯磨耗損失/%粗集料細集料表觀相對密度吸水率針片狀顆粒含量/%軟石含量/%表觀相對密度砂當量/%1#2#3#1#2#3#1#2#1#2#4#4#檢驗結(jié)果21.322.22.7472.7432.7460.370.550.509.214.80.71.82.72080技術(shù)要求≤26≤28≥2.6≤2.0?≤10≤15 ≤2.0≥2.6≥60

表4 新集料篩分試驗結(jié)果集料通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.0751#10085.460.338.54.90.50.50.50.50.50.50.42#10010010010098.94.31.11.11.11.11.10.93#10010010010010096.422.86.92.31.6 1.4 1.24#100100100 10010010075.650.821.711.47.85.6礦粉10010010010010010010010010099.999.687.0

2 瀝青混合料配合比設計

2.1 目標配合比設計

根據(jù)相關(guān)研究[2]，BRA中礦物質(zhì)可以代替等量礦粉，結(jié)合湖南湘西地區(qū)高溫多雨天氣，設計文件規(guī)定中面層礦料級配采用AC-20C密級配，BRA摻量為3%(BRA中礦物質(zhì)含量占瀝青混合料中礦料部分總質(zhì)量的比值)，各檔礦料摻配比例為m(1#)∶m(2#)∶m(3#)∶m(4#)∶mBRA∶m礦粉=50∶18∶4∶23∶3∶2，礦料合成級配及級配范圍見表5。

表5 AC-20C礦料合成級配類別通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075合成級配10092.780.269.352.332.923.717.310.37.76.55.2級配范圍10090～ 10074～ 8662～ 7644～ 5826～ 3819～ 2913～ 2110～167～125～93～7

按照相關(guān)規(guī)范[7]，BRA改性AC-20C和同等級配條件下SBS改性瀝青AC-20C目標配合比設計最佳油石比分別為4.3%和4.4%。

2.2 生產(chǎn)配合比設計

原材料經(jīng)瀝青拌合樓二次篩分之后，級配發(fā)生改變，且現(xiàn)場拌合樓拌和效果與室內(nèi)拌和存在較大差異，而礦料級配是影響混合料性能的關(guān)鍵指標之一。依據(jù)目標配合比確定的最佳油石比，結(jié)合礦料經(jīng)熱料倉二次篩分的檢驗結(jié)果，原則上生產(chǎn)配合比設計礦料級配與目標配合比級配關(guān)鍵篩孔通過質(zhì)量百分率盡量保持一致。經(jīng)二次篩分之后礦料規(guī)格分別為17～24 mm(5#)、12～17 mm(4#)、7～12 mm(3#)、4～7 mm(2#)和0～4 mm(1#)，其篩分結(jié)果及礦料合成級配見表6。

結(jié)合馬歇爾試驗數(shù)據(jù)和相關(guān)計算，確定BRA改性AC-20C和同等級配條件下SBS改性瀝青AC-20C生產(chǎn)配合比最佳油石比分別為4.3%和4.4%。

表6 各集集料比例及合成級配類別比例/%通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.0755#2410070.516.92.20.80.40.40.40.40.40.40.34#1810010098.661.30.90.30.30.30.30.30.30.33#2010010010010070.00.50.40.40.40.40.40.32#810010010010099.330.50.60.60.60.60.60.51#2610010010010010099.988.160.038.214.67.04.1礦粉110010010010010010010010010099.798.186.7BRA310010010010010010010010095.692.480.667.3合成級配 10092.979.869.652.332.727.219.914.17.85.54.2目標級配 10092.780.269.352.332.923.717.310.37.76.55.2

2.3 生產(chǎn)配合比驗證

按照生產(chǎn)配合比設計確定的最佳油石比，分別對BRA改性AC-20C和SBS改性瀝青AC-20C混合料礦料級配適用性和油石比的準確性加以驗證，檢驗結(jié)果均符合技術(shù)要求，馬歇爾試驗結(jié)果見表7。

表7 馬歇爾試驗結(jié)果類別最大理論相對密度試件毛體積相對密度試件空隙率VV/%礦料間隙率VMA/%瀝青飽和度VFA/%穩(wěn)定度MS/kN流值FL/mmBRA改性AC-20C2.5422.4414.013.069.413.682.5SBS改性瀝青AC-20C2.5532.4504.013.169.514.103.0技術(shù)要求—實測3～5—65～75≥8.01.5～5.0 注: 礦料間隙率(VMA)的最小值要求應根據(jù)規(guī)范[7]表5.3.3-1和表5.3.3-2內(nèi)插得到。

3 布敦巖改性AC-20C混合料路用性能對比分析

3.1 水穩(wěn)定性

瀝青路面水穩(wěn)定性指瀝青路面抵抗受雨水侵蝕逐漸產(chǎn)生瀝青膜剝離、掉粒、松散、坑槽而破壞的能力，水損病害通過破壞瀝青與骨料間的粘結(jié)力，最終導致瀝青路面出現(xiàn)早期破壞。瀝青與骨料間膠結(jié)力越好，瀝青路面抗水損能力越強，則水穩(wěn)定性越好?？顾畵p能力是瀝青混合料基本路用性能指標[8]。

本文主要通過殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比(TSR)兩大指標來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。BRA改性AC-20C與SBS改性瀝青AC-20C瀝青混合料水穩(wěn)定性評價試驗結(jié)果分別見表8和表9。

表8 浸水馬歇爾試驗結(jié)果混合料類型浸水馬歇爾穩(wěn)定度//kN標準馬歇爾穩(wěn)定度/kN殘留穩(wěn)定度/%技術(shù)要求/%BRA改性AC-20C12.3613.6890.4≥85SBS改性瀝青AC-20C12.4114.1088.1

表9 凍融劈裂試驗結(jié)果混合料類型未凍融劈裂強度/MPa凍融劈裂強度/MPaTSR/%技術(shù)要求/%BRA改性AC-20C1.0510.91787.2≥80SBS改性瀝青AC-20C1.0110.86385.4

從表8和表9可以看出，BRA改性AC-20C和SBS改性瀝青AC-20C混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比(TSR)均滿足技術(shù)要求，且BRA改性AC-20C混合料水穩(wěn)定性優(yōu)于SBS改性瀝青AC-20C瀝青混合料[9]。

3.2 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性主要指瀝青混合料在高溫條件下，經(jīng)受行車荷載反復作用而可以繼續(xù)維持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定、抵抗永久變形的能力[4]。室內(nèi)模擬主要通過成型瀝青混合料車轍試件、開展60 ℃動穩(wěn)定度試驗進行，試驗結(jié)果見表10。

表10 動穩(wěn)定度試驗結(jié)果混合料類型動穩(wěn)定度DS/(次·mm-1)技術(shù)要求/(次·mm-1)BRA改性AC-20C6 023≥5 000SBS改性瀝青AC-20C5 726

從表10可以看出，BRA改性AC-20C與SBS改性瀝青AC-20C瀝青混合料動穩(wěn)定度均滿足技術(shù)要求，且BRA改性AC-20C混合料動穩(wěn)定度相較于SBS改性瀝青AC-20C混合料提高5.2%，試驗結(jié)果表明前者高溫穩(wěn)定性明顯優(yōu)于后者。

3.3 低溫性能

瀝青混合料的低溫性能主要為低溫條件下瀝青混合料的極限拉伸應變和應力松弛性能。瀝青混合料低溫性能常采用小梁彎曲試驗進行評價，即在-10 ℃溫度條件下，通過加載50 mm/min的速率測定小梁試件抵抗彎曲破壞時的最大彎拉應變。低溫彎曲試驗結(jié)果見表11。

表11 低溫彎曲試驗結(jié)果混合料類型最大彎拉破壞應變με/10-6技術(shù)要求με/10-6BRA改性AC-20C2 512≥2 500SBS改性瀝青AC-20C2 869

從表11可以看出，BRA改性AC-20C低溫條件下最大彎拉破壞應變相較于SBS改性瀝青AC-20C略低，但滿足技術(shù)要求。而國內(nèi)研究人員對于巖瀝青可以提高瀝青混合料低溫性能一直持有不同意見[10]，巖瀝青在國內(nèi)外的工程應用表明，其在寒冷地區(qū)使用性能良好，因此BRA改性瀝青混合料低溫性能評價方法仍有待研究。

4 工程應用

通過對BRA改性AC-20C與SBS改性瀝青AC-20C混合料路用性能的研究與對比分析發(fā)現(xiàn)，前者高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性均明顯優(yōu)于后者，因此BRA可以作為改性添加劑應用于工程實際。本研究在湖南省某高速公路新建工程K0+713～K33+240雙幅進行了6 cm厚BRA改性瀝青AC-20C中面層攤鋪施工。

BRA改性AC-20C混合料采用“干法”工藝進行拌和，BRA的添加采用獨立螺旋送料裝置和自動計量系統(tǒng)，并配備有振動篩和破碎裝置，拌和流程見圖1。

圖1 BRA混合料拌和流程圖

為保證BRA改性AC-20C混合料拌和具有良好的均勻性，設定干拌時間為10 s，濕拌時間為45 s，以保證BRA與基質(zhì)瀝青充分融合。BRA混合料的運輸、施工工藝與SBS改性瀝青混合料基本一致。通過對BRA改性AC-20C路面進行檢測，路面各項性能均符合技術(shù)要求，通車4 a后未出現(xiàn)明顯病害。

5 結(jié)語

1) BRA改性AC-20C混合料具有良好的路用性能，其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫性能均滿足改性瀝青混合料技術(shù)要求。

2) 基于BRA改性AC-20C混合料路用性能研究，表明適當摻量的BRA對瀝青混合料有良好的改性效果，可作為一種改性材料用于瀝青路面。

3) 經(jīng)與SBS改性瀝青混合料對比分析，BRA用于基質(zhì)瀝青改性具有良好的推廣價值。

4) 基質(zhì)瀝青摻BRA改性AC-20C混合料高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性能良好，適宜高溫多雨地帶，對于嚴寒及低溫地區(qū)采用BRA改性需進一步研究其低溫性能。