蘭建麗

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

天然巖瀝青在自然環(huán)境中保持常態(tài)，性質(zhì)穩(wěn)定，其代表性產(chǎn)品有位于南太平洋印度尼西亞蘇拉威西島東南部布敦島的布敦巖瀝青（BMA）及美國猶他州的北美巖瀝青（Gilsonite）。北美巖瀝青是一種有名的天然瀝青，它具有抗剝離、耐久、高溫抗車轍、抗老化四大特點(diǎn)，用于道路工程已有十余年的歷史。我國新疆、青海及四川一帶也有儲(chǔ)量豐富的天然巖瀝青。受國內(nèi)外天然巖瀝青（湖瀝青、巖瀝青）的宣傳影響，天然巖瀝青似乎已經(jīng)成為一種優(yōu)良的道路瀝青改性劑，像很多聚合物改性劑一樣,可改善瀝青的高、低溫性能，以及優(yōu)良的抗水損害能力[1]。由于不同產(chǎn)地的天然瀝青有著各自不同的物相組成特點(diǎn)，因而其帶來的路用性能提高作用也不相同，因此，只有對(duì)不同產(chǎn)地、不同礦脈的天然巖瀝青進(jìn)行各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)之后才可能推廣應(yīng)用，這其中瀝青混合料的配合比是決定天然巖瀝青路面使用性能優(yōu)良的關(guān)鍵性因素之一。

《巖瀝青路面工程應(yīng)用技術(shù)指南》提出天然巖瀝青配合比設(shè)計(jì)可以采用兩種方法[2]。

a）方法一 首先按常規(guī)馬歇爾試驗(yàn)方法進(jìn)行基質(zhì)瀝青（即不摻加巖瀝青）混合料的配合比設(shè)計(jì)，包括原材料的檢驗(yàn)、瀝青混合料級(jí)配確定、最佳油石比確定和性能檢驗(yàn)。然后對(duì)于確定的普通瀝青混合料最佳油石比，提高0～0.2%作為巖瀝青改性混合料的最佳油石比，并以巖瀝青改性混合料技術(shù)性能要求為依據(jù)，進(jìn)行各種性能檢驗(yàn)。

b）方法二 先在室內(nèi)制備巖瀝青改性瀝青，把基質(zhì)瀝青加熱到135℃，按比例摻加巖瀝青，繼續(xù)邊加熱邊攪拌，使巖瀝青逐漸分散在基質(zhì)瀝青中，并在175℃條件下攪拌約30 min至巖瀝青均勻分散；也可采用高速剪切的方法制備。制備得到巖瀝青改性瀝青后，再按規(guī)范方法直接進(jìn)行目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)。

工程實(shí)踐大多采用“干法”工藝（dry process）施工，即在瀝青混合料拌和鍋進(jìn)行礦料干拌時(shí)，將巖瀝青作為添加劑投入拌和鍋，適當(dāng)延長(zhǎng)拌和時(shí)間制備巖瀝青改性混合料。天然巖瀝青作為一種瀝青混合料添加劑，其組成成分在不同產(chǎn)地差異顯著，其存在狀態(tài)會(huì)在高溫?cái)嚢枞诨透邷啬雺悍植己蟀l(fā)生變化，從而給路用性能帶來不確定性影響。上述配合比設(shè)計(jì)方法通過加大相應(yīng)基質(zhì)瀝青混合料0～2%瀝青含量確定最佳瀝青含量和巖瀝青添加量，這首先會(huì)帶來最佳瀝青用量難以選擇的問題，其次過大的瀝青含量變化會(huì)給天然巖瀝青摻量選擇帶來不確定因素，當(dāng)路用性能不滿足相應(yīng)要求時(shí)只能單純加大天然巖瀝青摻量，甚至導(dǎo)致該天然巖瀝青配合比設(shè)計(jì)失敗。本文基于我國某工程天然巖瀝青使用的配合比數(shù)據(jù)，對(duì)其配合比設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素，特別是最佳瀝青用量的選擇作深入分析。

1 配合比試驗(yàn)方案

1.1 膠結(jié)料

該工程基質(zhì)瀝青配合比設(shè)計(jì)使用兩種基質(zhì)瀝青，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 瀝青膠結(jié)料試驗(yàn)結(jié)果

1.2 基質(zhì)瀝青混合料配合比

分別使用表中1號(hào)和2號(hào)瀝青，使用同一級(jí)配采用Superpave水平Ⅰ設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，AC-13C配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 體積特性

從表2可知，兩種瀝青的瀝青混合料體積指標(biāo)較為接近，均能滿足配合比設(shè)計(jì)要求。

1.3 巖瀝青對(duì)瀝青混合料級(jí)配的影響

天然巖瀝青生成于巖石夾縫中，使用過程中主要通過高溫?cái)嚢璺绞绞蛊鋬?nèi)部蘊(yùn)含瀝青質(zhì)析出到瀝青膠漿中。若摻加巖瀝青必須確定其瀝青含量。通過燃燒法測(cè)試兩種巖瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 天然巖瀝青燃燒篩分結(jié)果 %

由表3可知，3號(hào)和4號(hào)天然巖瀝青含量相同，但顆粒常態(tài)級(jí)配4號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)粗于3號(hào)，燃燒后的結(jié)果也是如此；另外每種巖瀝青燃燒前后級(jí)配組成，也即最終在混合料中存在狀態(tài)與其天然狀態(tài)變化顯著。由于巖瀝青工程實(shí)際摻量多為瀝青混合料總質(zhì)量的2%～4%，摻量很大，因而對(duì)于瀝青混合料級(jí)配的影響必須予以考慮，不能單純通過增大瀝青含量0～2%簡(jiǎn)單處理；再者由于巖瀝青級(jí)配在摻加前后變化顯著，通過考慮巖瀝青天然狀態(tài)巖瀝青級(jí)配并按照其級(jí)配組成設(shè)計(jì)瀝青混合料級(jí)配的方法，將會(huì)使瀝青混合料級(jí)配發(fā)生改變，最佳瀝青用量選擇帶來困難，這也成為天然巖瀝青改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

對(duì)燃燒后巖瀝青級(jí)配進(jìn)行分析，很顯然0.6 mm篩孔以下成分較多（見表3中下劃線處通過率），該部分集料對(duì)瀝青混合料最佳瀝青含量影響顯著，由于燃燒后巖瀝青同時(shí)含有細(xì)集料和礦粉級(jí)配組分，因此本文配合比設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)摻加的巖瀝青去除瀝青質(zhì)后摻量按1∶1分別替代礦粉和細(xì)集料。由此，在分別添加天然巖瀝青摻量3%～5%時(shí)AC-13C的配合比見表4。

表4 天然巖瀝青改性AC-13C配合比

根據(jù)表4可以看出，在巖瀝青摻量分別為瀝青混合料總量的3%～5%時(shí)，約2%～4%的細(xì)集料和礦粉被替換掉。

2 路用性能評(píng)價(jià)

為確保攪拌過程中天然巖瀝青從混合料中析出，按巖瀝青和集料1∶10的比例配制混合料，采用3種干拌時(shí)間和3種溫度進(jìn)行攪拌試驗(yàn)，通過外觀檢查巖瀝青析出效果，見表5。

表5 天然巖瀝青高溫?cái)嚢栊Ч庥^

3號(hào)和4號(hào)巖瀝青為同一產(chǎn)源，由表5可知，3號(hào)巖瀝青細(xì)，析出效果由攪拌溫度決定，攪拌時(shí)間影響不大；4號(hào)巖瀝青粗，同時(shí)受到攪拌時(shí)間和攪拌溫度影響。由此可見，較細(xì)的天然巖瀝青分散性更好，瀝青質(zhì)更易于析出。通過表5試驗(yàn)，天然巖瀝青改性瀝青混合料拌和溫度采用175℃±5℃，天然巖瀝青干拌時(shí)間調(diào)整為30 s，其他因素與普通瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)相同。需要說明的是按照該拌和溫度和干拌時(shí)間確定的瀝青含量與表4計(jì)算擬定結(jié)果吻合，無需按照《巖瀝青路面工程應(yīng)用技術(shù)指南》調(diào)整0～2%最佳瀝青含量。天然巖瀝青配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表6。

表6 配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

由圖1可知，1號(hào)和2號(hào)膠結(jié)料摻加巖瀝青后，隨著巖瀝青的摻加動(dòng)穩(wěn)定度會(huì)增加，但無論1號(hào)膠結(jié)料還是2號(hào)膠結(jié)料在摻加4號(hào)巖瀝青后動(dòng)穩(wěn)定度增幅不大，對(duì)于來自于同一產(chǎn)地的3號(hào)和4號(hào)巖瀝青，區(qū)別只在于巖瀝青中顆粒級(jí)配粗細(xì)程度不同，而較細(xì)的3號(hào)巖瀝青對(duì)于瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)提升顯著，這應(yīng)該歸結(jié)為細(xì)小的巖瀝青試樣分散更均勻，更適合于“干法”工藝施工。

此外對(duì)于1號(hào)和2號(hào)膠結(jié)料而言，只有使用PG性能高溫分級(jí)較高的1號(hào)膠結(jié)料配制的巖瀝青改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度能夠達(dá)到3 000次/mm以上，顯然巖瀝青對(duì)于瀝青混合料高溫性能的提高作用有限，因此使用天然巖瀝青改性瀝青混合料時(shí)，需要選用PG性能高溫等級(jí)更好的基質(zhì)瀝青。

由圖2可知，各種瀝青混合料在摻加巖瀝青前后，凍融劈裂強(qiáng)度比并未發(fā)生明顯變化，只有5%摻量巖瀝青改性瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比有所降低，很顯然摻加巖瀝青對(duì)于瀝青混合料水穩(wěn)定性影響不大，但由于摻加較多的巖瀝青會(huì)使瀝青混合料空隙率增大，可能會(huì)導(dǎo)致水穩(wěn)定性下降。

由圖3可知，瀝青混合料在摻加3號(hào)巖瀝青后，-10℃彎曲應(yīng)變能密度呈降低趨勢(shì)；4號(hào)巖瀝青對(duì)于各種瀝青混合料的-10℃彎曲應(yīng)變能密度呈降低作用不并明顯。這表明：a）較細(xì)的3號(hào)巖瀝青分散性更好，降低了瀝青混合料低溫性能；而較粗的4號(hào)巖瀝青由于分散性不足，對(duì)瀝青混合料低溫性能作用不明顯。b）摻加巖瀝青會(huì)使得瀝青混合料低溫性能下降。因此寒冷地區(qū)使用巖瀝青時(shí)應(yīng)選擇PG低溫性能分析更好的基質(zhì)瀝青。

圖1 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖3 彎曲應(yīng)變能密度

3 結(jié)論

綜上可知：

a）天然巖瀝青0.6 mm以下部分較多，使用其作為瀝青混合料添加劑時(shí)，為使配合比級(jí)配和最佳瀝青含量更為準(zhǔn)確，配合比設(shè)計(jì)時(shí)巖瀝青中的0.6 mm顆粒成分應(yīng)等量替代細(xì)集料和礦粉，這是確保對(duì)原基質(zhì)瀝青混合料級(jí)配不發(fā)生顯著影響的關(guān)鍵。

b）拌和溫度對(duì)于天然巖瀝青中瀝青質(zhì)析出影響顯著，它是決定準(zhǔn)確選擇巖瀝青最佳瀝青含量的關(guān)鍵。

c）天然巖瀝青對(duì)于瀝青混合料高溫性能提升有限；級(jí)配較細(xì)的巖瀝青對(duì)于瀝青混合料高溫性能提升更為有效。

d）天然巖瀝青會(huì)降低瀝青混合料低溫性能。