布敦巖瀝青改性瀝青混合料的二階段設(shè)計(jì)方法研究

蔣國(guó)杰，郅宏飛，王 勝

（同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804）

1 研究背景

近些年來，天然巖瀝青作為改性劑在道路建設(shè)中的應(yīng)用漸漸進(jìn)入專家的研究視野。作為瀝青的一種，天然瀝青具有得天獨(dú)厚的性質(zhì)：與瀝青相容性好，性質(zhì)穩(wěn)定，價(jià)格低廉。天然巖瀝青改性研究結(jié)果表明，其具有抗剝離、耐久、高溫抗車轍、抗老化的特點(diǎn)，這決定了天然巖瀝青將具有廣闊的研發(fā)空間和市場(chǎng)潛力。

作為天然巖瀝青一種的布敦巖瀝青（Buton Rock Asphalt，以下簡(jiǎn)稱BRA），產(chǎn)于南太平洋印度尼西亞蘇拉威西島東南部布敦島，其形成是由于石油不斷地從地殼中冒出存在于山體、巖石裂隙中，經(jīng)長(zhǎng)期蒸發(fā)凝固而形成的天然瀝青。BRA經(jīng)過挖掘粉碎后形成微細(xì)顆粒，呈淺褐色，一般瀝青含量在20%～30%之間，其余為石灰?guī)r類礦物質(zhì)。BRA中的礦物質(zhì)很細(xì)，具有很好的吸收瀝青的能力，能夠加強(qiáng)瀝青與礦料的粘附作用，在印尼稱為活性劑。

我國(guó)對(duì)布敦巖瀝青改性瀝青及布敦巖瀝青改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)于布敦巖瀝青改性瀝青混合料設(shè)計(jì)及巖瀝青摻量的確定方面仍存在爭(zhēng)議。如今較通用的設(shè)計(jì)方法主要是將巖瀝青作為一種外摻劑以不同的質(zhì)量比摻加入混合料中。通過此種設(shè)計(jì)方法制備的瀝青混合料，當(dāng)其布敦巖瀝青的添加量發(fā)生變化時(shí)，混合料實(shí)際的瀝青含量也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致難以判別巖瀝青改性瀝青混合料路用性能發(fā)生變化的根源所在。

為解決這設(shè)計(jì)一問題，該項(xiàng)研究提供了一種天然瀝青改性瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法。該方法采用兩個(gè)階段進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，通過控制布敦巖瀝青與基質(zhì)瀝青添加比例，來確定巖瀝青的摻量，并保證兩階段對(duì)應(yīng)混合料的選取的總瀝青用量基本相同。

2 BRA簡(jiǎn)介

2.1 基本概況

BRA是指一種天然瀝青顆粒，在其加入瀝青混合料的拌和過程中，與基質(zhì)瀝青膠結(jié)料進(jìn)行融合，從而改善基質(zhì)瀝青的路用性能，進(jìn)而提高瀝青混合料的路用性能。它是由產(chǎn)于印度尼西亞蘇拉威西島（SULAWESI）東南部布敦島（BUTON）的布敦天然巖瀝青礦，經(jīng)去除雜質(zhì)、脫水及研磨等加工后形成的黑色顆粒狀粉末。其所含的瀝青質(zhì)及膠質(zhì)含量遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青，雜原子含量也較高，所以加入其他瀝青膠結(jié)料后可提高其路用性能。

2.2 技術(shù)性能要求

對(duì)BRA進(jìn)行性能測(cè)試，要求符合表1對(duì)BRA質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 BRA質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)一覽表

3 BRA改性瀝青混合料二階段設(shè)計(jì)方法

本章節(jié)通過一則實(shí)例對(duì)BRA改性瀝青混合料二階段設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 BRA改性瀝青混合料二階段設(shè)計(jì)方法概述

該項(xiàng)研究提供一種布敦巖瀝青改性瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法，它通過兩個(gè)階段的設(shè)計(jì)步驟，在瀝青混合料拌和過程中加布敦巖瀝青（Buton Rock Asphalt，以下簡(jiǎn)稱BRA），提高了普通基質(zhì)瀝青混合料的路用性能：第一階段不添加BRA，在155℃～165℃拌合溫度條件下采用馬歇爾試驗(yàn)方法獲得基質(zhì)瀝青混合料的最佳油石比；第二階段在第一階段獲得基質(zhì)瀝青混合料的最佳油石比基礎(chǔ)采用按摻加比例的方式替換瀝青的計(jì)算方式添加BRA，即使用BRA中的純?yōu)r青替代第一階段設(shè)計(jì)中的部分基質(zhì)瀝青，使初選總瀝青用量基本與第一階段最佳瀝青用量持平，并在165℃～175℃拌合溫度條件下采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法獲得BRA改性瀝青混合料的最佳油石比。與普通非改性熱拌瀝青混合料相比，它提高了熱拌瀝青混合料的路用性能，與SBS等改性熱拌瀝青混合料相比，其路用性能基本相當(dāng)，但可以降低成本約20%以上。

3.2 原材料性能檢測(cè)

（1）配合比設(shè)計(jì)中基質(zhì)瀝青采用70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青，該瀝青符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中對(duì)該瀝青技術(shù)要求的規(guī)定。改性劑為天然布敦巖瀝青（BRA）。

（2）進(jìn)行BRA原材料性能檢驗(yàn)，得瀝青含量為24%，其他指標(biāo)要符合對(duì)BRA質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（3）AC-20C粗粒式粗型密級(jí)配瀝青混合料所用的集料石灰?guī)r，分別有：10～20 mm碎石、10～19 mm碎石、10～15 mm碎石、5～10 mm碎石、0～5 mm石屑。所用集料符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對(duì)一級(jí)道路瀝青混合料用集料要求。礦粉符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）對(duì)一級(jí)道路瀝青混合料用填料質(zhì)量的要求。

3.3 一階段目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)

（1）為使該項(xiàng)實(shí)例具有代表性，采用瀝青路面道路設(shè)計(jì)經(jīng)常采用的AC-20C級(jí)配作為例證級(jí)配，AC-20C瀝青混合料礦料級(jí)配組成要求如表2所列。

（2）基質(zhì)瀝青的馬歇爾試驗(yàn)：

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004），AC-20C瀝青混合料選取瀝青用量4.1%作為馬歇爾試件的初試瀝青用量，按±0.5的間隔成型5組（每組5個(gè)）馬歇爾試件，溫度控制符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTJ 052-2000對(duì)基質(zhì)瀝青的要求。試驗(yàn)結(jié)果見表3所列。

（3）確定一階段基質(zhì)瀝青混合料最佳瀝青含量：

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）要求的最佳瀝青用量計(jì)算方法，決定最佳瀝青含油量為：OAC=4.1%。在此用油量條件下，混合料的各項(xiàng)指標(biāo)符合《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052-2000）要求。

采用最佳瀝青含量4.1%制備馬歇爾試件，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052-2000）規(guī)程中的T0709-2000測(cè)試方法進(jìn)行AC-20C瀝青混合料浸水48h馬歇爾試驗(yàn)。其殘留穩(wěn)定度為83.1%，滿足JTG F40-2004對(duì)該地區(qū)普通瀝青混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度不小于80%要求。

（4）高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn)：

采用最佳瀝青含量4.1%制備車轍試件，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052-2000）規(guī)程中的T0719-1993測(cè)試方法進(jìn)行AC-20C巖瀝青混合料車轍試驗(yàn)。其動(dòng)穩(wěn)定DS=1670次/mm，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中普通瀝青混合料車轍不小于800次/mm的技術(shù)要求。

3.4 二階段目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)

（1）在室內(nèi)試驗(yàn)中，限定基質(zhì)瀝青與巖瀝青摻配比例為3∶1摻量摻加巖瀝青，根據(jù)巖瀝青中天然瀝青和礦物質(zhì)的含量，計(jì)算替代部分的基質(zhì)瀝青。根據(jù)基質(zhì)瀝青的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，選取4.1%作為馬歇爾試件的初試瀝青用量，按±0.2，的間隔計(jì)算BRA與基質(zhì)瀝青用量，并成型3組馬歇爾試件，溫度控制符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052-2000）對(duì)改性瀝青的基本要求。檢驗(yàn)結(jié)果見表4所列。

（2）確定布敦巖瀝青改性瀝青混合料最佳瀝青含量：

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）要求的計(jì)算方法，決定最佳瀝青含油量為：OAC=4.2%，即采用最佳瀝青用量為4.2%，最佳油石比為4.38%，其中基質(zhì)瀝青用量為3.9%（與布敦巖瀝青改性瀝青混合料總質(zhì)量比），BRA的用量為1.3%（與布敦巖瀝青改性瀝青混合料總質(zhì)量比）；基質(zhì)瀝青與石料質(zhì)量比為4.08%，布敦巖瀝青與石料質(zhì)量比1.36%。最佳瀝青用量的各項(xiàng)指標(biāo)與《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004中規(guī)定值的比較）。檢驗(yàn)結(jié)果見表5所列。

（3）水穩(wěn)定性檢驗(yàn)：

采用最佳瀝青含量4.2%制備馬歇爾試件，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ052-2000）規(guī)程中的T0709-2000測(cè)試方法進(jìn)行AC-20C瀝青混合料浸水48 h馬歇爾試驗(yàn)。其殘留穩(wěn)定度為96.8%，滿足JTG F40-2004對(duì)該地區(qū)改性瀝青混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度不小于85%要求，且大于第一階段結(jié)果。

表2 礦料級(jí)配組成指標(biāo)一覽表

表3 AC-20C馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果一覽表

表4 二階段AC-20C馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果一覽表

表5 最佳瀝青用量的各項(xiàng)指標(biāo)與規(guī)范規(guī)定值的比較一覽表

（4）高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn)：

采用最佳瀝青含量4.2%制備車轍試件，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052-2000）規(guī)程中的T0719-1993測(cè)試方法進(jìn)行AC-20C巖瀝青混合料車轍試驗(yàn)。其動(dòng)穩(wěn)定DS=3 220次/mm，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中改性瀝青混合料車轍不小于2 800次/mm的技術(shù)要求，達(dá)到第一階段結(jié)果的近2倍。

3.5 二階段配合比設(shè)計(jì)結(jié)論

該項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明：AC-20C中粒式粗型密級(jí)配瀝青混合料的兩階段目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中對(duì)改性瀝青混合料的技術(shù)要求。即采用最佳瀝青用量為4.2%，最佳油石比為4.38%，其中基質(zhì)瀝青用量為3.9%，布敦巖瀝青的用量為1.3%；基質(zhì)瀝青與石料質(zhì)量比為4.08%，布敦巖瀝青與石料質(zhì)量比1.36%。第二階段最佳油石比基本與第一階段相同，但性能大幅提高，證明通過BMA改性的瀝青混合料具有更佳的高溫穩(wěn)定性和抗水損壞能力。

4 結(jié)論

該項(xiàng)研究采用的二階段設(shè)計(jì)方法通過巖瀝青與基質(zhì)瀝青之間的摻配比例來確定巖瀝青的摻量，使巖瀝青中的瀝青在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)納入添加瀝青總量中，而不是如其他一些研究中單純地將巖瀝青作為礦粉或外摻劑使用。通過該設(shè)計(jì)方法可有效地反應(yīng)巖瀝青摻量對(duì)性能的提高程度。方法從研究結(jié)論可知，以這種方法設(shè)計(jì)的AC-20C巖瀝青改性瀝青混合料可以滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中對(duì)改性瀝青混合料的技術(shù)要求。

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

[2]JTJ 052-2000,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S],

[3]謝凌，陳志榮.北美巖瀝青改性瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)[J].九江學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,(02).

[4]董志偉.印尼布敦巖瀝青在路面工程中的應(yīng)用研究[J].山西交通科技，2004,(02).

[5]陳旭，姜開明.布敦巖瀝青改性瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)[J].山東交通科技，2005,(06).