潘艷珠，王振忠，曾衛(wèi)平，王端宜

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510600；2.華南理工大學(xué)，廣州 510640)

0 概述

巖瀝青屬于天然瀝青，可以部分替代石油瀝青或作為石油瀝青的改性劑直接用于瀝青混合料(本文稱為：巖瀝青混合料)修筑瀝青路面[1]。由于不需要石油瀝青的煉制環(huán)節(jié)，巖瀝青也被認(rèn)為是一種節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。隨著我國“雙碳”目標(biāo)的制定，以及碳交易市場(chǎng)的逐漸成熟，巖瀝青的應(yīng)用得到道路行業(yè)的進(jìn)一步關(guān)注。

在已有巖瀝青混合料“干法”施工有效提高瀝青混合料和路面性能的基礎(chǔ)上，近年來道路行業(yè)又在嘗試“濕法”工藝的研究和工程實(shí)踐：將磨細(xì)的巖瀝青粉經(jīng)高速剪切或膠體磨均勻加入熱的基質(zhì)瀝青中，經(jīng)進(jìn)一步融合和發(fā)育作為改性的瀝青膠結(jié)料用于生產(chǎn)巖瀝青混合料。田苗苗[2]等人的研究認(rèn)為，經(jīng)高溫“活化”的巖瀝青可以使其與基質(zhì)瀝青的融合更充分和均勻，性能更好，但巖瀝青摻量過高會(huì)損害瀝青膠結(jié)料的抗裂和低溫性能。李亞非[3]等人開展了活化“濕法”加工布敦巖瀝青及瀝青混合料路用性能的研究，研究結(jié)果顯示：“濕法”生產(chǎn)的巖瀝青混合料高溫抗車轍性能、抗水穩(wěn)定性能和抗老化性能顯著提升。巖瀝青摻量超過40%時(shí)，巖瀝青改性瀝青離析較為嚴(yán)重，影響成品瀝青膠結(jié)料的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。鈕英才[4]等人開展的濕法加工布敦巖瀝青的工程應(yīng)用研究指出，濕法工藝制備布敦巖瀝青改性瀝青混合料施工和易性更好，適合于規(guī)?；a(chǎn)。黃衛(wèi)東[5-6]等人開展的基于拉拔實(shí)驗(yàn)的多種改性劑對(duì)瀝青粘附性與自愈合性能的影響認(rèn)為，濕法制備的巖瀝青膠結(jié)料可提高瀝青的粘附性和自愈合能力，甚至好于SBS等聚合物改性瀝青，從一個(gè)全新的視角審視了應(yīng)用巖瀝青的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

盡管道路行業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到濕法巖瀝青工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并成功應(yīng)用于實(shí)際工程，但在配合比設(shè)計(jì)方面還有兩個(gè)關(guān)鍵問題沒有得到很好的解決。首先是確定巖瀝青摻配比例的依據(jù)問題。目前的常規(guī)做法是，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇幾個(gè)摻配比例，配制改性瀝青膠結(jié)料，制作巖瀝青混合料試件，進(jìn)行高溫穩(wěn)定性(車轍試驗(yàn))、水穩(wěn)定性(浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn))和低溫抗裂性(極限彎拉應(yīng)變?cè)囼?yàn))等路用性能評(píng)價(jià)，在不大幅度影響低溫抗裂性和水穩(wěn)定性滿足要求的基礎(chǔ)上，選擇高溫穩(wěn)定性(動(dòng)穩(wěn)定度)更好的摻配比例。由于瀝青混合料的性能受多種因素的影響，如礦料級(jí)配等，這種根據(jù)瀝青混合料的性能選擇的巖瀝青摻配比例可能不是最佳的比例。其次是確定巖瀝青混合料最佳油石比方法的問題。巖瀝青在我國道路行業(yè)應(yīng)用已近20年，早期應(yīng)用主要以“干法”工藝為主。期間，許多省(自治區(qū)、直轄市)頒布了各自的地方標(biāo)準(zhǔn)，來規(guī)范巖瀝青使用的工藝方法。關(guān)于確定巖瀝青混合料最佳油石比的方法，這些標(biāo)準(zhǔn)中絕大多數(shù)都推薦采用“等量替換”的方法，確定巖瀝青混合料的最佳油石比。即先用馬歇爾試驗(yàn)方法確定基質(zhì)瀝青混合料的最佳油石比，再根據(jù)巖瀝青中有效瀝青和灰分的含量，按比例“等量替換”瀝青混合料中基質(zhì)瀝青和礦粉的用量，保持油石比不變。瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)和設(shè)計(jì)方法是在土壤擊實(shí)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其基本原理是：在特定的擊實(shí)功和一定的預(yù)留空隙條件下，尋求瀝青混合料達(dá)到最密實(shí)狀態(tài)(最大密度)時(shí)的瀝青含量，并定義為最佳瀝青含量或最佳油石比。由于基質(zhì)瀝青中加入巖瀝青后，改變了其流變學(xué)的性質(zhì)，同時(shí)由于巖瀝青中灰分的影響，混合料達(dá)到最密實(shí)狀態(tài)(最大密度)時(shí)對(duì)應(yīng)的改性前后的最佳瀝青膠結(jié)料含量應(yīng)該是不同的。因此，沿用“等量替換”的模式確定巖瀝青混合料的最佳油石比或判斷最佳油石比的合理范圍可能是不科學(xué)的，直接用摻配好的改性瀝青膠結(jié)料確定最佳油石比可能是比較合理的方法。

長(zhǎng)期以來，道路行業(yè)主要依靠經(jīng)驗(yàn)來選擇合適的瀝青膠結(jié)料等級(jí)，直至美國SHRP的瀝青PG分級(jí)規(guī)范問世，使得人們可以針對(duì)所用瀝青膠結(jié)料的性能要求(溫度環(huán)境、交通量和車速)選擇合適的瀝青膠結(jié)料[7]。因此，本研究試圖在巖瀝青摻量和PG分級(jí)指標(biāo)間建立聯(lián)系，為確定適宜的巖瀝青摻量尋找合理的依據(jù)；同時(shí)，通過室內(nèi)試驗(yàn)和鋪筑試驗(yàn)路工程，考察直接用“濕法”摻配好的改性瀝青膠結(jié)料確定馬歇爾最佳油石比的技術(shù)效果。相關(guān)成果可以為正確和高效使用巖瀝青奠定良好的基礎(chǔ)，對(duì)于編制廣東省公路路面巖瀝青應(yīng)用的地方標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的參考價(jià)值。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)用原材料

本研究試驗(yàn)用的基質(zhì)瀝青為茂名石化70#瀝青，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求[8]。巖瀝青為產(chǎn)自印度尼西亞的布敦巖瀝青(Buton Rock Asphalt，BRA)，技術(shù)指標(biāo)見表1。粗集料(粒徑10～15mm和5～10mm)和細(xì)集料(3～5mm)為廣東清遠(yuǎn)產(chǎn)的花崗巖，細(xì)集料(0～3mm)為廣西產(chǎn)的輝綠巖，礦粉為廣東省地產(chǎn)石灰?guī)r礦粉。粗、細(xì)集料和礦粉的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備

鑒于巖瀝青中含有大量灰分，不適合進(jìn)行針入度和軟化點(diǎn)等常規(guī)瀝青膠結(jié)料的試驗(yàn)檢測(cè)和PG分級(jí)規(guī)范指標(biāo)的試驗(yàn)檢測(cè)，也無法與基質(zhì)瀝青的性能進(jìn)行比對(duì)。本研究采用以下方法制備巖瀝青改性瀝青膠結(jié)料樣品：

(1)采用離心分離法(T0722-1993)對(duì)巖瀝青溶液進(jìn)行抽提，再采用阿布森法(T0726-2011)將溶劑和瀝青分離(整個(gè)操作過程不改變?yōu)r青的性質(zhì))，獲取提純的巖瀝青。

(2)按預(yù)設(shè)的比例將提純的巖瀝青加入到 135℃的基質(zhì)瀝青中，手動(dòng)攪拌至均勻，再在 170℃左右溫度下高速剪切 20min，最后放入 170℃～180℃烘箱中融合發(fā)育 30min，制備成不同摻配比例的巖瀝青改性瀝青膠結(jié)料樣品。

1.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

(1)檢測(cè)不同摻配比例改性瀝青老化前后的針入度、軟化點(diǎn)等常規(guī)指標(biāo)和PG分級(jí)規(guī)范指定的高溫性能(車轍因子G*/sinδ，T 0628-2011)、低溫性能(蠕變模量S和m值，T 0627-2011)、疲勞性能(疲勞因子試驗(yàn)G*sinδ，T 0628-2011)，為基于性能的巖瀝青摻配比例的確定提供有效依據(jù)。

(2)盡管PG分級(jí)的相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)可以為巖瀝青的摻量提供基于性能的依據(jù)，但對(duì)于大多數(shù)工地試驗(yàn)室來說，開展相關(guān)的試驗(yàn)不管是設(shè)備還是試驗(yàn)操作人員的能力都是相當(dāng)困難的。從這個(gè)意義上講，這樣的技術(shù)路線基本上是難以在實(shí)際工程中大面積實(shí)現(xiàn)，必須要尋找一種易于工地試驗(yàn)室操作的方法。實(shí)際上，Van der Poel在1954年就根據(jù)瀝青的線粘彈特性建立了針入度、軟化點(diǎn)與勁度模量間的關(guān)系，并開發(fā)出著名的Van der Poel諾莫圖[9]，后來殼牌瀝青又據(jù)此開發(fā)了軟件BANDS。Nattaporn CHAROENTHAM等人比對(duì)了大量瀝青老化前后的復(fù)數(shù)剪切模量(G*，由DSR測(cè)定)和由Van der Poel諾莫圖確定的瀝青勁度(Sb)，認(rèn)為它們之間存在很好的對(duì)數(shù)線性相關(guān)關(guān)系，并據(jù)此開發(fā)出泰國的基于針入度和軟化點(diǎn)的瀝青PG分級(jí)系統(tǒng)[10]。應(yīng)用相同的原理和方法，N. Khalil和Alaa H. Abed分別開發(fā)了黎巴嫩和伊拉克的瀝青PG分級(jí)規(guī)范[11-12]。因?yàn)閹r瀝青改性瀝青沒有改變?yōu)r青的線粘彈性性質(zhì)，采用相同的原理和方法可以實(shí)現(xiàn)工地試驗(yàn)室用針入度和軟化點(diǎn)推算PG分級(jí)指標(biāo)(車轍因子G*/sinδ、疲勞因子試驗(yàn)G*sinδ、蠕變模量S和m值)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)基于膠結(jié)料性能的適宜巖瀝青摻配比例的確定。

(3)按AC-13型瀝青混合料級(jí)配曲線，分別制備不同巖瀝青摻量(提純巖瀝青25%、30%和35%)的改性瀝青和SBS改性瀝青混合料馬歇爾試件，考察最佳油石比和體積指標(biāo)的變化，評(píng)價(jià)路用性能的差異。雖然本研究在巖瀝青摻量和油石比等計(jì)算時(shí)均采用提純巖瀝青，但在實(shí)際施工時(shí)采用提純巖瀝青是不現(xiàn)實(shí)的，因此拌制瀝青混合料時(shí)采用的是原狀巖瀝青和基質(zhì)瀝青“濕法”制備的瀝青膠結(jié)料，此時(shí)，在添加瀝青膠結(jié)料時(shí)需要考慮其中的灰分含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 提純巖瀝青的路用性質(zhì)

對(duì)提純巖瀝青分別進(jìn)行老化前后三大指標(biāo)的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 提純巖瀝青三大指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

2.2 巖瀝青摻配比例與PG分級(jí)

表3和圖1給出了提純巖瀝青摻配比例與PG分級(jí)高溫等級(jí)間的關(guān)系，由于篇幅所限以及廣東地區(qū)對(duì)瀝青路面的主要關(guān)注點(diǎn)，本文只給出了70#瀝青老化前的PG分級(jí)的高溫等級(jí)，老化后和低溫等級(jí)可以同理計(jì)算。從表3可見，由針入度和軟化點(diǎn)推算的PG高溫等級(jí)與DSR實(shí)測(cè)的PG高溫等級(jí)基本是一致的。從圖1可以看出，提純巖瀝青的摻量與PG分級(jí)高溫等級(jí)呈相關(guān)性非常好的線性關(guān)系(R2=0.99)，這可能與瀝青膠結(jié)料的線粘彈性有關(guān)，同時(shí)也說明巖瀝青的添加沒有改變基質(zhì)瀝青的線粘彈性。

表3 提純巖瀝青摻配比例與PG分級(jí)高溫等級(jí)間的關(guān)系

圖1 提純巖瀝青摻量與PG分級(jí)高溫等級(jí)的關(guān)系

2.3 巖瀝青混合料設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)

2.3.1 巖瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.3.1.1 基質(zhì)瀝青+25%巖瀝青(提純)混合料AC-13C

由表3和圖1可以看出，70#基質(zhì)瀝青+25%巖瀝青(提純)的改性瀝青膠結(jié)料對(duì)應(yīng)的路面溫度為80℃，PG高溫等級(jí)指標(biāo)為76℃，基本可以涵蓋廣東省瀝青路面的極端高溫。因此，可以認(rèn)為是一個(gè)通用的摻配比例。根據(jù)AC-13型瀝青混合料配比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇5個(gè)油石比：4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，以確定所選擇的級(jí)配對(duì)應(yīng)的最佳瀝青用量。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 基質(zhì)瀝青+25%巖瀝青混合料AC-13C馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表4馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果繪制密度、空隙率、穩(wěn)定度、流值、礦料間隙率、飽和度與油石比的關(guān)系圖，如圖2所示。根據(jù)關(guān)系圖可以看出，對(duì)應(yīng)于密度最大值的油石比a1=6.00；穩(wěn)定度最大值對(duì)應(yīng)的油石比a2=5.20；目標(biāo)空隙率(4.5)對(duì)應(yīng)的油石比a3=5.30；瀝青飽和度中值對(duì)應(yīng)的油石比a4=5.70。根據(jù)規(guī)范推薦最佳油石比計(jì)算公式[8]：OAC1=(a1+a2+a3+a4)/4=5.55；OAC2=(OACmin+OACmax)/2=5.48；最佳油石比：OAC=(OAC1+OAC2)/2=5.5。

圖2 馬歇爾試驗(yàn)關(guān)系

2.3.1.2 基質(zhì)瀝青+35%巖瀝青(提純)混合料AC-13C

由表3和圖1可以看出，70#基質(zhì)瀝青+25%巖瀝青(提純)的改性瀝青膠結(jié)料對(duì)應(yīng)的路面溫度為83℃，PG高溫等級(jí)指標(biāo)為82℃，可以作為適用于極端高溫或特殊鋪裝的摻配比例。盡管由于灰分的影響，巖瀝青的高比例摻配可能會(huì)給改性膠結(jié)料的濕法制備和輸送帶來一定的難度。同樣選擇5個(gè)油石比：4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，以確定所選擇的級(jí)配對(duì)應(yīng)的最佳瀝青用量。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 基質(zhì)瀝青+35%巖瀝青混合料AC-13C馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

按與基質(zhì)瀝青+25%巖瀝青混合料AC-13C相同的方法，基質(zhì)瀝青+35%巖瀝青混合料AC-13C的最佳油石比為5.6。

從表4和表5以及得到的最佳油石比可以看出，基于馬歇爾試驗(yàn)的巖瀝青改性瀝青的最佳油石比顯著大于基質(zhì)瀝青的最佳油石比，巖瀝青“等量替換”基質(zhì)瀝青的最佳油石比確定方法不適用于“濕法”巖瀝青混合料。

2.3.2 巖瀝青混合料路用性能評(píng)價(jià)

2.3.2.1 水穩(wěn)定性

本研究的水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)只進(jìn)行了浸水馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。作為對(duì)比，表6同時(shí)列出了SBS改性瀝青混合料AC-13的試驗(yàn)結(jié)果。

表6 基質(zhì)瀝青+巖瀝青混合料AC-13C浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表6可見，巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性與SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性基本相當(dāng)。

2.3.2.2 高溫穩(wěn)定性

本研究的高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)采用車轍試驗(yàn)進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表7。作為對(duì)比，表7中同時(shí)列出了SBS改性瀝青混合料AC-13的試驗(yàn)結(jié)果。

表7 基質(zhì)瀝青+巖瀝青混合料AC-13C車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表7可見，增加巖瀝青摻量對(duì)混合料的高溫穩(wěn)定性影響顯著，35%摻量的巖瀝青混合料優(yōu)于SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

鑒于巖瀝青的諸多優(yōu)點(diǎn)，以及在實(shí)際工程應(yīng)用中存在的問題，開展了相關(guān)研究，主要結(jié)論：

(1)由于灰分的影響，測(cè)定含灰分的巖瀝青膠結(jié)料性能指標(biāo)(針入度、軟化點(diǎn)等)是沒有意義的。

(2)參照瀝青PG分級(jí)規(guī)范，按瀝青路面性能要求確定巖瀝青(提純)摻量，比基于瀝青混合料的性能確定巖瀝青摻量更合理。

(3)探究了基于針入度和軟化點(diǎn)指標(biāo)確定PG分級(jí)指標(biāo)，進(jìn)行巖瀝青摻配，經(jīng)與DSR實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，與針入度和軟化點(diǎn)指標(biāo)推算的PG分級(jí)結(jié)果一致。

(4)基于馬歇爾試驗(yàn)的巖瀝青改性瀝青的最佳油石比顯著大于基質(zhì)瀝青的最佳油石比，巖瀝青“等量替換”基質(zhì)瀝青的最佳油石比確定方法不適用于濕法巖瀝青混合料。

(5)濕法巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性與SBS改性瀝青混合料相當(dāng)，正確合理地使用巖瀝青，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

課題組將進(jìn)一步完善針入度和軟化點(diǎn)指標(biāo)推算的PG分級(jí)指標(biāo)的相關(guān)算法，開發(fā)手機(jī)app，以最大限度地方便工地試驗(yàn)室開展巖瀝青混合料設(shè)計(jì)。