胡 琦， 張 迅， 任 毅

(湖南省交通科學(xué)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(dòng)，逐漸形成瀝青巖，外觀呈深褐色，經(jīng)開采破碎后呈微細(xì)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(duì)BRA進(jìn)行了改性機(jī)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(duì)BRA改性機(jī)理進(jìn)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(yàn)研究，證實(shí)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(duì)BRA組成元素和BRA中純?yōu)r青質(zhì)的化學(xué)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(duì)比試驗(yàn)，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(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)文件對(duì)BRA改性AC-20C中面層進(jìn)行了材料檢測(cè)和配合比設(shè)計(jì)，研究了其路用性能，并與同級(jí)配的SBS改性瀝青AC-20C混合料路用性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 原材料

1.1 布敦巖瀝青(BRA)

依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程[5]要求，對(duì)BRA進(jìn)行抽提篩分等性能測(cè)試，檢驗(yàn)結(jié)果滿足技術(shù)要求，檢驗(yàn)結(jié)果及技術(shù)要求見表1。

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

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(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，主要技術(shù)指標(biāo)如表2。

表2 A-70基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)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(diǎn)/℃60 ℃動(dòng)力粘度/(Pa·s)閃點(diǎn)/℃含蠟量(蒸餾法)/%溶解度(三氯乙烯)/%TFOT試驗(yàn)后質(zhì)量變化/%針入度比/%10 ℃延度/cm檢驗(yàn)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(chǎng)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(yàn)規(guī)程[6]，粗、細(xì)集料檢驗(yàn)結(jié)果均符合技術(shù)要求，主要技術(shù)指標(biāo)及篩分結(jié)果如表3和表4。

表3 粗、細(xì)集料主要技術(shù)指標(biāo)類別壓碎值/%洛杉磯磨耗損失/%粗集料細(xì)集料表觀相對(duì)密度吸水率針片狀顆粒含量/%軟石含量/%表觀相對(duì)密度砂當(dāng)量/%1#2#3#1#2#3#1#2#1#2#4#4#檢驗(yàn)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(yàn)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(shè)計(jì)

2.1 目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)文件規(guī)定中面層礦料級(jí)配采用AC-20C密級(jí)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(jí)配及級(jí)配范圍見表5。

表5 AC-20C礦料合成級(jí)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(jí)配10092.780.269.352.332.923.717.310.37.76.55.2級(jí)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(jí)配條件下SBS改性瀝青AC-20C目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)最佳油石比分別為4.3%和4.4%。

2.2 生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)

原材料經(jīng)瀝青拌合樓二次篩分之后，級(jí)配發(fā)生改變，且現(xiàn)場(chǎng)拌合樓拌和效果與室內(nèi)拌和存在較大差異，而礦料級(jí)配是影響混合料性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。依據(jù)目標(biāo)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(yàn)結(jié)果，原則上生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)礦料級(jí)配與目標(biāo)配合比級(jí)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(jí)配見表6。

結(jié)合馬歇爾試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)計(jì)算，確定BRA改性AC-20C和同等級(jí)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(jí)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(jí)配 10092.979.869.652.332.727.219.914.17.85.54.2目標(biāo)級(jí)配 10092.780.269.352.332.923.717.310.37.76.55.2

2.3 生產(chǎn)配合比驗(yàn)證

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

表7 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果類別最大理論相對(duì)密度試件毛體積相對(duì)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(shí)測(cè)3～5—65～75≥8.01.5～5.0 注: 礦料間隙率(VMA)的最小值要求應(yīng)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(duì)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(dǎo)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(qiáng)，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(biāo)[8]。

本文主要通過殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)兩大指標(biāo)來評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果分別見表8和表9。

表8 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果混合料類型浸水馬歇爾穩(wěn)定度//kN標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)結(jié)果混合料類型未凍融劈裂強(qiáng)度/MPa凍融劈裂強(qiáng)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(qiáng)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(fù)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(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果混合料類型動(dòng)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(dòng)穩(wěn)定度均滿足技術(shù)要求，且BRA改性AC-20C混合料動(dòng)穩(wěn)定度相較于SBS改性瀝青AC-20C混合料提高5.2%，試驗(yàn)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(yīng)變和應(yīng)力松弛性能。瀝青混合料低溫性能常采用小梁彎曲試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，即在-10 ℃溫度條件下，通過加載50 mm/min的速率測(cè)定小梁試件抵抗彎曲破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變。低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果混合料類型最大彎拉破壞應(yīng)變?chǔ)苔?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(yīng)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(duì)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(yīng)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(píng)價(jià)方法仍有待研究。

4 工程應(yīng)用

通過對(duì)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(duì)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(yīng)用于工程實(shí)際。本研究在湖南省某高速公路新建工程K0+713～K33+240雙幅進(jìn)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(jìn)行拌和，BRA的添加采用獨(dú)立螺旋送料裝置和自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)，并配備有振動(dòng)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(shè)定干拌時(shí)間為10 s，濕拌時(shí)間為45 s，以保證BRA與基質(zhì)瀝青充分融合。BRA混合料的運(yùn)輸、施工工藝與SBS改性瀝青混合料基本一致。通過對(duì)BRA改性AC-20C路面進(jìn)行檢測(cè)，路面各項(xiàng)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(dāng)摻量的BRA對(duì)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(duì)比分析，BRA用于基質(zhì)瀝青改性具有良好的推廣價(jià)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(duì)于嚴(yán)寒及低溫地區(qū)采用BRA改性需進(jìn)一步研究其低溫性能。