謝 東，鄒靜蓉，唐成陽

(中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004)

0 引言

瀝青中面層所在層位處于整個路面結構的高剪應力受力區(qū)域，承擔抗車轍、抗低溫縮裂與抗?jié)B的重要功能，要求具有很強的高溫抗變形能力、低溫韌性，還要有很強的抗水作用和足夠的耐久性。針對中面層的主要功能及要求，各地區(qū)考慮氣候和交通荷載因素，在一些高等級公路瀝青路面上采取中面層全改性的方法，以滿足公路抗轍及耐久性要求。近年來，天然瀝青作為改性劑漸入人們的視野，布敦巖瀝青(BRA:Buton Rock Asphalt)源自印度尼西亞布敦島海底的瀝青礦，是一種經(jīng)萬年沉積而成的天然礦物，其瀝青含量在20%左右，其余為石灰?guī)r類礦物質。研究表明，布敦巖瀝青中的礦物質吸收瀝青的能力很強，能夠加強瀝青與礦料的粘附作用，提高混合料的抗車轍、水穩(wěn)定和抗老化性能，而且施工工藝簡便，價格低廉，在國內外許多工程中得到應用［1－5］。本文采用美國Superpave 設計方法進行路面中面層混合料Superpave—20 級配設計，以重交70#瀝青作為基質瀝青，通過干法摻加BRA 巖瀝青改性瀝青與SBS 改性瀝青進行瀝青混合料的路用性能對比試驗，綜合評價其適用性。

1 試驗方案

采用旋轉壓實(SGC)成型瀝青混合料試件Superpave—20，在相同目標空隙率即空隙率為4%的情況下，通過體積參數(shù)選擇最優(yōu)級配，確定最佳油石比，通過一系列的室內試驗對BRA 巖瀝青改性瀝青混合料和SBS 改性瀝青混合料進行路用性能對比。按重載交通設計，選擇旋轉壓實次數(shù)N初始=9，N設計=125，N最大=205 次。

2 原材料

2.1 集料

粗、細集料均采用石灰?guī)r，相應的技術指標如表1。

表1 集料技術指標

2.2 礦粉

礦粉由石灰?guī)r磨細而成，其性能檢測指標如表2 所示。

2.3 瀝青結合料

試驗所采用的瀝青有:SBS 改性瀝青、70#基質瀝青和布敦巖瀝青，其性能指標如表3、表4、表5 所示，可以看出，所用瀝青均均符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)技術要求的規(guī)定。

表2 礦粉技術指標

表3 SBS 改性瀝青技術指標

表4 70#基質瀝青技術指標

表5 BRA 巖瀝青技術指標

3 混合料配比設計

3.1 礦料級配選擇

按Superpave 瀝青混合料體積設計方法對集料最大公稱尺寸、級配控制點及級配禁區(qū)等級配規(guī)定，在級配選擇時避免通過級配禁區(qū)。依據(jù)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40－2004)和工程瀝青路面應用級配，在目標空隙率為4%時，調出粗、中、細3 個級配，如表6、表7、圖1 所示，并分別估算初始瀝青用量，均為4.2%。通過比較選擇級配3 作為設計級配。

表6 SUP—20 合成級配

3.2 最佳瀝青用量確定

對確定的設計級配，選擇3.8%、4.3%、4.8%、5.3%這4 種瀝青用量成型試件，進行測試不同瀝青含量混合料的壓實特性和體積特性指標，按照SUPERPAVE 方法確定SBS 改性瀝青的最佳用量，試驗結果如表8、圖2 所示。

表7 各號篩孔通過百分率、配合比組成

圖1 級配曲線圖

圖2 體積指標與瀝青用量關系圖

通過圖解數(shù)學內插，確定目標空隙率為4%時設計瀝青用量，再用設計瀝青用量通過內插檢驗VMA、VFA 等體積性質是否滿足Superpave 要求，從而可以得到最佳瀝青用量為4.14%，其對應的混合料的體積性質如表9 所示。

表9 混合料體積性質表

3.3 BRA 巖瀝青混合料拌制

本試驗所用BRA 巖瀝青含量為22%，其余78%為灰分，為進行SBS 改性瀝青與BRA 巖瀝青性能對比，現(xiàn)采用相同的瀝青用量形成混合料。先設定基質瀝青用量為4.14%，加BRA 巖瀝青改性時，BRA 巖瀝青顆粒中的天然瀝青和礦物質成分替代了部分的基質瀝青和礦粉。根據(jù)已確定的礦料級配中礦粉含量(2%)，因礦粉含量少，現(xiàn)全部用BRA巖瀝青中的灰分代替，得到BRA 巖瀝青摻量為2.56%(BRA 摻量是指BRA 巖瀝青質量與瀝青混合料中礦料質量的百分比);基質瀝青用量為3.56%。

BRA 巖瀝青混合料采用“干法”工藝進行室內試驗，即先將預熱的目標級配集料加入試驗用的拌和機中，然后按摻配比例將巖瀝青加入拌和40 s，再加入基質瀝青拌和80 s，最后將拌制好的混合料制備試件。

SBS 改性瀝青混合料按通常改性瀝青混合料的拌合過程進行。

4 性能對比及結果分析

4.1 水穩(wěn)定性

目前常用的檢驗瀝青混合料水穩(wěn)定性的試驗方法有:浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。浸水馬歇爾試驗試件分兩組，第1 組為標準馬歇爾穩(wěn)定度試驗，第2 組為浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗，測定浸水與標準馬歇爾試件穩(wěn)定度比值。結果如表10 所示。凍融劈裂試驗是用馬歇爾成型目標空隙率為7%的試件，測定非條件與條件試件的間接抗拉強度比(TSR)［6］。兩種瀝青混合料凍融劈裂試驗如表11所示。

由表10、表11 可以看出SBS 改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度稍優(yōu)于BRA 巖瀝青改性瀝青混合料，BRA 巖瀝青改性瀝青混合料的劈裂強度比與SBS改性瀝青混合料相差無幾，均滿足規(guī)范要求，說明兩種瀝青混合料的水穩(wěn)定性能較好，適用于多雨、寒冷冰凍地區(qū)對水穩(wěn)定性的要求。

4.2 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗是檢驗瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，采用試件尺寸為30 cm×30 cm×5 cm，試驗荷重為700 kN 左右，試驗溫度為60 ℃。兩種瀝青混合料的車轍試驗結果如表12 所示。

表10 殘留穩(wěn)定度試驗結果

表11 凍融劈裂試驗結果

表12 車轍試驗結果

可以看出:SBS 改性瀝青混合料的穩(wěn)定度比BRA 巖瀝青改性瀝青混合料的的動穩(wěn)定度高178%。根據(jù)相關文獻［7－9］，BRA 巖瀝青的摻加量占混合料重量3%～4%可以達到最佳性能，本試驗由于礦料級配中礦粉的含量限制了BRA 巖瀝青的摻量，只有2.5%摻加量，但高溫性能指標仍遠高于重交石油瀝青且均滿足規(guī)范要求，表明BRA 巖瀝青有較好的抗車轍性能。

4.3 低溫抗裂性

瀝青路面的低溫開裂會引起整個路面強度的降低，同時路面的開裂，會造成水的滲入，影響到整個路面的結構，因此瀝青混合料應滿足規(guī)范要求的低溫抗裂性要求。兩種瀝青混合料的低溫抗裂性如表13 所示。

表13 －10 ℃小梁彎曲試驗結果

由表13 可以看出:SBS 改性瀝青混合料的低溫抗裂性比BRA 巖瀝青改性瀝青混合料高出21%，BRA 巖瀝青的低溫抗裂性剛好達到規(guī)范要求，在冬季嚴寒地區(qū)應用時必須要經(jīng)過論證和室內試驗檢驗才能使用。

5 經(jīng)濟性對比

BRA 巖瀝青與SBS 改性瀝青成本對比分析如表14。

從表14 可以看出，由于近年來BRA 巖瀝青的價格不斷走高，與SBS 改性瀝青的價格優(yōu)勢在縮小，BRA 巖瀝青混合料成本比SBS 改性瀝青混合料低5%。隨著國內巖瀝青開發(fā)及國外巖瀝青市場化運作，巖瀝青的單價勢必將呈現(xiàn)下降趨勢，應用巖瀝青的經(jīng)濟優(yōu)勢將更加明顯。同時，BRA 巖瀝青屬于物理改性瀝青混合料，在混合料生產(chǎn)時采用的是直接投入式的添加方式，使用方便，可以隨時調整使用比例，具有施工方便，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染的優(yōu)勢。

表14 改性瀝青成本分析

6 結語

1)通過BRA 巖瀝青瀝青混合料和SBS 改性瀝青混合料性能對比，可知兩者水穩(wěn)定性相當，SBS 改性瀝青混合料低溫抗裂性比BRA 巖瀝青混合料稍高，高溫穩(wěn)定性SBS 改性瀝青混合料優(yōu)勢較明顯。

2)摻少量BRA 巖瀝青便可顯著改變基質瀝青高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，且能滿足規(guī)范要求，說明BRA 巖瀝青適用于重載交通、高溫多雨地區(qū)的路面工程。

3)BRA 巖瀝青與SBS 改性瀝青的成本對比具有一定優(yōu)勢，同時BRA 巖瀝青生產(chǎn)時具有明顯優(yōu)勢:操作與施工工藝簡便，可以有效降低生產(chǎn)費用、減少環(huán)境污染。

［1］王 瑋.BRA 改性瀝青及其混合料性能研究［D］.長沙:長沙理工大學，2008.

［2］劉樹堂，楊永順，等.布敦巖瀝青改性瀝青混合料試驗研究［J］.同濟大學學報(自然科學版)，2007，35(3):351－355.

［3］鐘 科.巖瀝青路用性能研究［D］.北京:交通部公路科學研究院(道路與鐵道工程)，2006.

［4］杜群樂，王慶凱，王國清.布敦巖改性瀝青路用性能評價的研究［J］.公路，2005(8):133－135.

［5］鄧鵬飛.布敦巖瀝青性能研究［D］.北京:北京交通大學，2008.

［6］郝培文，張肖寧，瀝青與瀝青混合料［M］.北京:人民交通出版社，2013.

［7］劉 巖，黃琴龍.布敦巖瀝青改性瀝青混合料的路用性能研究［J］.西部交通科技，2012(10).

［8］鄒桂蓮，周 偉，等.布敦巖瀝青高溫性能研究［J］.公路，2010(3):126－129.

［9］李瑞霞，郝培文，等.布敦巖瀝青混合料路用性能研究［J］.武漢理工大學學報，2011(9):50－54.

［10］JTG F40－2004，公路瀝青路面施工技術規(guī)范［S］.

［11］JTG E20－2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程［S］.