布敦巖瀝青摻配工藝研究

楊 凱，董 剛，李洪亮

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

0 引言

近年來(lái)，布敦巖瀝青(Buton Rock Asphalt，簡(jiǎn)稱(chēng)BRA)憑借優(yōu)良的路用性能、低廉的價(jià)格優(yōu)勢(shì)已應(yīng)用于我國(guó)的道路建設(shè)中。BRA產(chǎn)于印度尼西亞布敦島，是地表原油在高溫、高壓、微生物及水分的綜合作用下經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的氧化聚合而形成的瀝青類(lèi)物質(zhì)，具有熱穩(wěn)定性好，抗老化能力強(qiáng)，水穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。BRA中約有20%～25%地瀝青，73%～75%灰分。由于地瀝青含量較低，BRA本身不能作為結(jié)合料，必須與基質(zhì)瀝青配合使用。但BRA的灰分主要成分是碳酸鈣，密度較純?yōu)r青大，且非常細(xì)小。因此，BRA摻加到基質(zhì)瀝青中可能會(huì)產(chǎn)生離析，影響改性效果。

針對(duì)這一問(wèn)題，本文對(duì)BRA改性工藝進(jìn)行研究，根據(jù)BRA的特點(diǎn)采用改進(jìn)的沉降試驗(yàn)從灰分含量、軟化點(diǎn)等不同方面研究BRA改性瀝青的貯存狀態(tài)，進(jìn)而確定一種科學(xué)、合理的BRA改性工藝。

1 測(cè)定BRA灰分含量

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ052-2000）和《中華人民共和國(guó)石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（SH/T 0422-2000）都對(duì)瀝青灰分含量的測(cè)定方法進(jìn)行了規(guī)定。但BRA的灰分含量要比普通道路石油瀝青的灰分含量大很多。因此，要綜合考慮天然瀝青的特殊性及施工單位實(shí)際情況，選擇一種科學(xué)、合理的測(cè)試方法。

本研究選擇目前常用的三氯乙烯抽提法和燃燒法這兩種方法進(jìn)行天然瀝青灰分含量試驗(yàn)，以確定一種快捷、有效的灰分含量測(cè)試方法。試驗(yàn)步驟如下：

（1）三氯乙烯抽提法

a.將BRA試樣浸于三氯乙烯中30 min，用玻璃棒攪動(dòng)試樣，使地瀝青充分溶解。

b.將試樣及溶液倒入離心式抽提儀，用溶劑將燒杯及玻璃棒上的粘附物洗入抽提儀。稱(chēng)取圓環(huán)濾紙質(zhì)量，墊在抽提儀邊緣，緊固蓋子，在抽提儀出口放置回收瓶。

c.開(kāi)動(dòng)抽提儀，轉(zhuǎn)速逐漸增至3 000 r/min，地瀝青溶液流入回收瓶。重新加入溶劑，重復(fù)上述操作，如此數(shù)次直至流出的清澈溶液為止。

d.打開(kāi)抽提儀，待灰分和濾紙干燥后稱(chēng)其質(zhì)量。

（2）燃燒法

a.將潔凈的金屬盤(pán)放在600℃左右的燃燒爐里煅燒20 min后將放入干燥器冷卻至室溫，稱(chēng)取質(zhì)重，準(zhǔn)確至 0.01 g，記為 m1。

b.將2～5 g干燥的BRA樣品放入金屬盤(pán)，稱(chēng)取質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.01 g，記作m2。

c.將盛有試樣的金屬盤(pán)放入燃燒爐中600℃煅燒40 min。取出冷至室溫稱(chēng)取質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.01 g，記作 m3。

灰分含量W按式2.1計(jì)算，取兩個(gè)測(cè)定結(jié)果的算術(shù)平均值作為最終測(cè)定結(jié)果，灰分質(zhì)量百分?jǐn)?shù)取至0.01%。

由圖1可見(jiàn)三氯乙烯抽提法抽提出的BRA瀝青灰分呈棕黃色，表明BRA中還存在殘余的地瀝青，而采用燃燒法得到的BRA灰分呈灰白色，見(jiàn)圖2，地瀝青已經(jīng)完全燃燒。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)三氯乙烯抽提法需要大量BRA和三氯乙烯溶劑，成本較高，而且抽提過(guò)程中，灰分飛散嚴(yán)重，質(zhì)量損失很大，嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。與之相比，燃燒法快速、高效，計(jì)量精確。因此，推薦采用燃燒法確定BRA灰分含量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 BRA灰分（抽提法）

圖2 BRA灰分（燃燒法）

表1 天然瀝青灰分含量

2 沉降試驗(yàn)

《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ 052-2000）中聚合物改性瀝青離析試驗(yàn)規(guī)定使用直徑25 mm，長(zhǎng)約140 mm的鋁管，或是直徑25 mm，長(zhǎng)200 mm的玻璃管。這兩種管型容量小、長(zhǎng)徑比大，與實(shí)際工程中瀝青貯存容器長(zhǎng)徑比相差較遠(yuǎn)，影響改性劑在瀝青中的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，不能有效反映工程中改性劑的離析效果。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)嘗試，本試驗(yàn)決定采用1 000 mL量筒作為試驗(yàn)容器以有效模擬BRA改性瀝青在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)程中發(fā)生的離析現(xiàn)象。

具體步驟：（1）將量筒洗凈、干燥，放入160℃±5℃烘箱中保溫，使其溫度達(dá)到160℃±5℃。按預(yù)定摻量制備BRA改性瀝青，取樣測(cè)定初始灰分含量。為使試驗(yàn)效果更顯著，試驗(yàn)中BRA摻量為44%。（2）量筒內(nèi)壁均勻涂抹隔離劑，將BRA改性瀝青注入量筒距開(kāi)口2 cm處，放入160℃±5℃的烘箱中。放置時(shí)間達(dá)到規(guī)定的沉降時(shí)間后（0.5 h、1 h、2 h），將量筒放入冰柜冷凍 4 h。（3）打碎量筒，將瀝青試樣剪成相等的3段，取頂部和底部的各1/3加熱后按規(guī)范要求進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)，并測(cè)試灰分含量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、表3和圖3～圖5。

表2 沉降試驗(yàn)軟化點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

表3 沉降試驗(yàn)灰分含量測(cè)試結(jié)果

圖3 沉降試驗(yàn)

圖4 沉降試驗(yàn)軟化點(diǎn)測(cè)試結(jié)果

圖5 沉降試驗(yàn)灰分含量測(cè)試結(jié)果

圖4、圖5表明：沉降開(kāi)始0.5 h內(nèi)BRA改性瀝青軟化點(diǎn)和灰分含量變化劇烈，0.5 h之后，各個(gè)指標(biāo)變化趨勢(shì)趨于平緩。這說(shuō)明成品BRA改性瀝青存儲(chǔ)0.5 h離析就已經(jīng)完成。

表2所示為軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果，0.5 h、1 h、2 h上、下層軟化點(diǎn)差分別為23.6℃、23.8℃、25.3℃，大于《規(guī)范》要求5℃的范圍。0.5 h上層軟化點(diǎn)為48.6℃，相比初始軟化點(diǎn)降低26.6%，而下層軟化點(diǎn)提高了9.1%，0.5 h內(nèi)的變化率已經(jīng)達(dá)到全部變化率的68.4%。上層軟化點(diǎn)由于瀝青對(duì)流、瀝青老化和取樣誤差等因素影響，在之后的1.5 h中上層軟化點(diǎn)提高了1℃左右，但與0.5 h相比，變化幅度已經(jīng)很小。

由表3可知，BRA沉降主要在前0.5 h，上層灰分含量急劇減少，由33%減少到7.71%，減少了76.87%，占最終沉降變化率95.81%。下層灰分含量由33%增加到45.89%，增加了37.68%，占全部沉降變化的92.83%。由圖4也可看出，0～0.5 h曲線(xiàn)斜率較大，0.5 h之后斜率很小，曲線(xiàn)接近水平，表明沉降以基本完全。BRA在后1.5 h繼續(xù)緩慢沉降，1 h和2 h的上層灰分含量只比0.5 h時(shí)減少6.36%、14.53%，而下層灰分含量也僅僅變化了1.17%、2.11%。

綜合以上分析，BRA的離析在0.5 h基本完成。不同層位瀝青性能指標(biāo)相差較大，說(shuō)明BRA的離析會(huì)對(duì)改性瀝青的路用性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，為了避免離析產(chǎn)生的不利影響，推薦使用“干法”作為BRA的摻加工藝。

3 工程實(shí)例

本試驗(yàn)結(jié)合寶漢高速公路建設(shè)項(xiàng)目鋪筑了BRA試驗(yàn)段。BRA瀝青混凝土層位為中面層，級(jí)配為AC-20C型。采用“干法”工藝摻加BRA。具體材料指標(biāo)見(jiàn)表4～表8。

表4 瀝青技術(shù)指標(biāo)

表5 布敦巖瀝青（BRA）性能試驗(yàn)結(jié)果

表6 粗集料密度試驗(yàn)結(jié)果（網(wǎng)籃法）

表7 細(xì)集料試驗(yàn)結(jié)果

表8 礦粉技術(shù)指標(biāo)

為保證試驗(yàn)級(jí)配的穩(wěn)定性，采用逐檔配料的方法合成級(jí)配。各種礦料和礦粉的篩分結(jié)果、級(jí)配結(jié)果及規(guī)范要求的礦料級(jí)配范圍見(jiàn)表9。

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)，確定混合料最佳油石比3.7%。按此油石比制備試件，檢驗(yàn)BRA瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及低溫抗裂性能。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10～表13。

由路用性能試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，采用“干法”工藝制備的BRA瀝青混合料，動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變均高于規(guī)范要求值，表明“干法”工藝可以應(yīng)用于BRA瀝青路面施工。

表9 AC-20C型級(jí)配

表10 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

表11 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表12 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)

表13 低溫小梁試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

（1）由于BRA中含有大量灰分，采用“濕法”工藝制備的BRA改性瀝青極容易造成離析，影響改性瀝青路用性能。推薦在工程中使用“干法”工藝。

（2）采用“干法”制備的BRA瀝青混合料具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫抗裂性能，可應(yīng)用于我國(guó)公路瀝青混凝土路面工程中。

[1]楊凱.布敦巖瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法及性能研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)碩士論文,2012.

[2]郝培文,柳和平.BRA改性瀝青及其混合料性能研究[J].廣東公路交通,2010(3).