巖瀝青對(duì)瀝青混合料路用性能的影響

齊 欽，謝頌詩(shī)

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市 300074）

0 引言

近一、二十年來，我國(guó)的交通運(yùn)輸事業(yè)尤其是公路橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)得到了飛速發(fā)展。瀝青路面由于具有水泥混凝土路面無法比擬的優(yōu)越性而應(yīng)用廣泛，在我國(guó)二級(jí)以上公路中已占到90%以上。但由于我國(guó)的交通量迅速增大，重載車比例大幅增加，渠化交通日益加劇，對(duì)道路瀝青的質(zhì)量要求逐漸提高[1～2]。普通瀝青由于高低溫和耐老化性能不佳已無法達(dá)到高等級(jí)公路瀝青路面的性能要求。

目前，在我國(guó)的高等級(jí)公路建設(shè)中廣泛采用聚合物改性瀝青，從使用效果來看，聚合物改性瀝青的應(yīng)用增強(qiáng)了瀝青路面抵抗各種病害的能力，使其服務(wù)壽命得到延長(zhǎng)。但聚合物改性劑與瀝青的分子量相差較大，很容易與基質(zhì)瀝青發(fā)生分層與離析，同時(shí)在生產(chǎn)改性瀝青時(shí)還需利用特殊的剪切設(shè)備并消耗較多的能源，這在一定程度上限制了聚合物改性瀝青的應(yīng)用[3～4]。近年來，巖瀝青由于高溫性能好、耐老化、抗剝離性好、與基質(zhì)瀝青相容性好、無需添加特殊的生產(chǎn)設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)逐步得到了應(yīng)用。因此，有必要針對(duì)巖瀝青對(duì)混合料高低溫、水穩(wěn)等路用性能的影響開展研究，并與其他瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比，從而為巖瀝青的推廣應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)原材料

本研究中瀝青采用 SK70#基質(zhì)瀝青和 SBS 成品改性瀝青，巖瀝青采用印尼布敦巖瀝青。SK70#基質(zhì)瀝青和 SBS 改性瀝青的性能指標(biāo)見表1、表2，兩種巖瀝青的性能指標(biāo)見表3。

表1 SK70#基質(zhì)瀝青各性能指標(biāo)

表2 SBS改性瀝青各性能指標(biāo)

表3 巖瀝青的性能指標(biāo)

混合料中的粗細(xì)集料為玄武巖，礦粉為磨細(xì)的石灰?guī)r，經(jīng)檢驗(yàn)粗細(xì)集料及礦粉的各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范要求。

2 配合比及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 混合料的配合比設(shè)計(jì)

本文的礦料級(jí)配采用工程中常用的 AC-13 級(jí)配，混合料中各檔礦料的通過率見表4。

表4 混合料中各檔礦料的通過率

在以上設(shè)計(jì)級(jí)配的基礎(chǔ)上，采用 SK70#基質(zhì)瀝青分別成型油石比為 4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%的馬歇爾試件，分別測(cè)定試件的穩(wěn)定度和其他體積指標(biāo)，并根據(jù)油石比與瀝青混合料各指標(biāo)間的關(guān)系，按照瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范的要求確定SK70#基質(zhì)瀝青的最佳油石比為 4.8%。在相同的條件下，通過馬歇爾設(shè)計(jì)法確定 SBS 改性瀝青的最佳油石比為 5.0%。

采用“干法”工藝制備巖瀝青改性混合料，即先將一定摻量的巖瀝青與集料拌合均勻后再加入SK70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行拌合，最后加入礦粉拌合后得到巖瀝青改性瀝青混合料。本研究中采用 3 種摻量的巖瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，即摻量分別為混合料質(zhì)量的 3%、4%和 5%（外摻）。根據(jù)混合料各指標(biāo)與油石比的關(guān)系確定摻量為 3%的巖瀝青改性混合料的最佳油石比為 4.6%，為了便于分析不同摻量對(duì)混合料路用性能的影響，在巖瀝青的摻量為 4%和5%時(shí)仍采用 4.6%的油石比。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了系統(tǒng)地研究巖瀝青對(duì)混合料路用性能的影響，本文分別從高溫、低溫和水穩(wěn)和力學(xué)性能方面開展研究，并與基質(zhì)瀝青和 SBS 改性瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）高溫性能方面

采用國(guó)產(chǎn)車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同瀝青混合料在高溫環(huán)境下抵抗車轍變形能力的差異。在試驗(yàn)過程中的溫度為 60℃，輪胎接地壓強(qiáng)為 0.7 MPa，碾壓速度 42 次/min，采用動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（2）低溫性能方面

采用低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)巖瀝青對(duì)混合料低溫抗裂性能的影響，試驗(yàn)采用 MTS810 萬能試驗(yàn)機(jī)作為加載裝置，在-10℃± 0.5℃的環(huán)境箱中以50 mm/min 的速率施加荷載直至試件發(fā)生破壞。根據(jù)相關(guān)公式，利用試件破壞時(shí)的荷載和變形等參數(shù)計(jì)算得到最大彎拉應(yīng)變等指標(biāo)，進(jìn)而評(píng)價(jià)不同瀝青混合料低溫抗裂性能的差異。

（3）水穩(wěn)定性方面

分別以浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)作為評(píng)價(jià)不同瀝青混合料水穩(wěn)定性差異的依據(jù)。前者通過將試件分為兩組，然后分別在 60℃的恒溫水槽中保溫 30 min 和 48 h，并以經(jīng)過不同保溫處理的兩組試件穩(wěn)定度的比值即殘留穩(wěn)定度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。凍融劈裂試驗(yàn)同樣將試件分成兩組，并進(jìn)行不同處理，以兩組試件劈裂強(qiáng)度的比值即凍融劈裂強(qiáng)度比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（4）力學(xué)性能方面

若由溫度驟降引起的收縮應(yīng)力或由行車作用引起的剪應(yīng)力超過混合料的極限強(qiáng)度時(shí)，瀝青路面很容易發(fā)生破壞，嚴(yán)重影響其服務(wù)水平和使用壽命，因此需針對(duì)瀝青混合料的力學(xué)性能開展試驗(yàn)研究。在間接拉伸試驗(yàn)的力學(xué)模式下，混合料破壞時(shí)處于極限受拉狀態(tài)，間接拉伸強(qiáng)度可以反映混合料的抗拉、抗裂能力。本文采用間接拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)摻加不同比例的巖瀝青后混合料力學(xué)特性的變化情況，試驗(yàn)過程中的溫度為 15℃，施加荷載的速率為 50 mm/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 巖瀝青對(duì)瀝青混合料的高溫性能的影響

按照我國(guó)試驗(yàn)規(guī)程的相關(guān)要求，分別對(duì)基質(zhì)瀝青和 SBS 改性混合料及摻有 3 種摻量巖瀝青的混合料進(jìn)行 60℃的國(guó)產(chǎn)車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出:

（1）與普通瀝青混合料相比，當(dāng)巖瀝青的摻量為 3%、4%、5%時(shí)，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別增加217.2%、258.3%和 265.0%，混合料的最終車轍深度分別減小 27.8%、36.2%和 37.2%?？梢姡瑤r瀝青的摻入大幅度地提高混合料的高溫抗車轍變形能力。

（2）巖瀝青的摻量變化同動(dòng)穩(wěn)定度的增大和車轍深度的減小并不是呈線性關(guān)系，動(dòng)穩(wěn)定度隨著巖瀝青摻量的增加先急劇增大后緩慢增加，車轍深度隨著巖瀝青摻量的增加先急劇減小后逐步趨于穩(wěn)定。在摻量為 4%時(shí)，摻加巖瀝青的混合料的動(dòng)穩(wěn)定度比 SBS 混合料稍大，此后，隨著巖瀝青摻量的繼續(xù)增大，混合料高溫性能的提升幅度不大。因此，在混合料中通過摻加 4%的巖瀝青來改善其高溫抗車轍變形能力是合理的。

（3）巖瀝青可以顯著提高混合料的高溫穩(wěn)定性，這是因?yàn)閹r瀝青的軟化點(diǎn)較高，同時(shí)在其含有的純?yōu)r青中瀝青質(zhì)所占的比例較大，使混合料中結(jié)合料的軟化點(diǎn)升高，粘度增大；從而使得瀝青膠漿在高溫條件下的流變特性得到明顯改善，大大增強(qiáng)其抵抗流動(dòng)變形的能力，顯著提高普通混合料的高溫穩(wěn)定性，最終賦予瀝青路面良好的高溫抗車轍變形能力[5]。

3.2 巖瀝青對(duì)瀝青混合料的低溫性能的影響

按照我國(guó)試驗(yàn)規(guī)程的相關(guān)要求，在-10℃的條件下進(jìn)行小梁低溫彎曲試驗(yàn)，采用 MTS810 萬能試驗(yàn)機(jī)作為加載設(shè)備，加載速率為 50 mm/min，五種混合料的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 不同混合料的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表6中可以看出：

（1）與普通瀝青混合料相比，當(dāng)混合料中巖瀝青的摻量為 3%、4%、5%時(shí)，其最大彎拉應(yīng)變分別增加了 23.8%、32.4%和 28.7%，抗彎拉強(qiáng)度分別增加 9.0%、12.5%和 10.6%，彎曲勁度模量分別減小11.9%、15.0%和 14.1%?？梢?，巖瀝青的摻入對(duì)混合料的低溫性能具有一定的改善作用。

（2）根據(jù)混合料各低溫指標(biāo)隨著巖瀝青摻的變化情況可以看出，并不是巖瀝青的摻量越大混合料的低溫性能越好，當(dāng)巖瀝青的摻量超過 4%以后會(huì)對(duì)混合料的低溫抗裂性能產(chǎn)生不利影響。這是因?yàn)閹r瀝青中灰分等礦物質(zhì)的含量較高，當(dāng)巖瀝青摻量過多時(shí)混合料在低溫環(huán)境中變硬變脆，增加了發(fā)生低溫開裂的可能性。

（3）當(dāng)混合料中巖瀝青的摻量為 4%時(shí)，其最大彎拉應(yīng)變等低溫指標(biāo)最優(yōu)，且與 SBS 改性瀝青混合料相差不大，建議在實(shí)際工程應(yīng)用中巖瀝青的摻量不宜超過混合料質(zhì)量的 4%。

3.3 巖瀝青對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)是我國(guó)現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程推薦的評(píng)價(jià)混合料水穩(wěn)定性最常用的方法，本文采用以上方法評(píng)價(jià)巖瀝青對(duì)混合料水穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)結(jié)果分別見表7、表8。

表7 不同混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表8 不同混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從表7和表8可以看出：

（1）與普通瀝青混合料相比，在混合料中摻加巖瀝青后其殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比指標(biāo)均有不同程度的增加。摻加 3%的巖瀝青后，與普通瀝青混合料相比，殘留穩(wěn)定度增加 6.6%，凍融劈裂強(qiáng)度比增加 11.5%；當(dāng)巖瀝青摻量增加至 4%和5%時(shí)，殘留穩(wěn)定度分別增加 8.5%、7.6%，凍融劈裂強(qiáng)度比分別增加 14.9%、15.3%?？梢?，在 3%～5%的摻量范圍內(nèi)，混合料的水穩(wěn)定性隨著巖瀝青摻量的變化無顯著差異。在摻量為 4%時(shí)，摻有巖瀝青的混合料的抗水損能力同 SBS 改性瀝青混合料基本相當(dāng)。

（2）巖瀝青的摻入能顯著改善混合料的水穩(wěn)定性，這主要是因?yàn)閹r瀝青中的氮含量較高，且大多以官能團(tuán)的形式存在，使得巖瀝青可以很好地抵抗自由氧化基的作用并具有良好的浸潤(rùn)性。具體表現(xiàn)為混合料中瀝青膠漿的粘度增大，瀝青與集料的粘附性增強(qiáng)，不易出現(xiàn)瀝青從集料表面剝落的現(xiàn)象?；旌狭现械膸r瀝青起到了抗剝落劑的作用，但由于巖瀝青具有良好的抗老化性能，其改善混合料水穩(wěn)定性的效果要優(yōu)于工程中常用的胺類抗剝落劑。

3.4 巖瀝青對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的影響

按照我國(guó)試驗(yàn)規(guī)程的相關(guān)要求，采用 MTS810萬能試驗(yàn)機(jī)作為加載設(shè)備對(duì)五種不同的混合料開展間接拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中的溫度為 15℃，加載速率為 50 mm/min。不同混合料的間接拉伸強(qiáng)度見圖1。

圖1 不同瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度

從圖1可以看出，巖瀝青對(duì)混合料的間接拉伸強(qiáng)度有顯著影響，當(dāng)巖瀝青摻量為 3%、4%和5%時(shí)，混合料的間接拉伸強(qiáng)度較普通瀝青混合料分別增大 74.9%、77.8%和 78.5%，且均大于 SBS改性瀝青混合料。間接拉伸強(qiáng)度可以反映混合料的抗拉、抗裂能力，表明巖瀝青改性瀝青混合料可以更好的承受交通荷載的作用，不易出現(xiàn)開裂等病害。在混合料中摻加巖瀝青有助于提高瀝青路面的服務(wù)水平，并能在一定程度上延長(zhǎng)其使用壽命。

4 結(jié)論

通過對(duì)普通瀝青混合料、摻加三種摻量巖瀝青的普通瀝青混合料和 SBS 改性瀝青混合料開展室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖瀝青對(duì)混合料的高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗水損和力學(xué)性能均有不同程度的改善作用，其中以高溫性能提升的幅度最大，可以通過摻加巖瀝青來改善瀝青混合料的路用性能。綜合不同摻量條件下的巖瀝青對(duì)混合料高低溫、水穩(wěn)等性能的影響，在摻量為 4%時(shí)，巖瀝青改性混合料的各項(xiàng)性能最優(yōu)，此時(shí)巖瀝青改性混合料的路用性能同 SBS 改性瀝青混合料基本相當(dāng)。因此，在實(shí)際工程中建議采用摻量為 4%的巖瀝青來改善混合料的路用性能。

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