BRA改性瀝青混合料AC－13C適宜摻量的研究

查旭東，錢光耀，張云帆

（長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，湖南長沙 410004）

印尼布敦巖瀝青（Buton rock asphalt，簡稱為BRA）是一種產(chǎn)于印度尼西亞布敦島的天然巖瀝青，由古生代石油滲透到石灰?guī)r層中，經(jīng)過長期的海底沉積、高溫高壓及地質(zhì)變動等作用而形成。經(jīng)加工研磨后，成品BRA外觀呈深褐色細顆粒狀，最大粒徑小于2.36mm，稍有煤油味，其中瀝青含量多在18%～40%之間，含少量柴油成分，其余為石灰?guī)r礦物質(zhì)［1－2］。BRA中的天然瀝青為不含蠟的硬質(zhì)瀝青，軟化點可達90℃以上，抗老化能力及與石料的粘附性強，且與石油瀝青具有極好的相容性，加之，其中多孔的石灰?guī)r礦物質(zhì)對瀝青具有優(yōu)良的吸附穩(wěn)定作用［3－5］，因此，BRA是一種優(yōu)良的石油瀝青改性劑，將其摻到瀝青混合料中，可顯著提高瀝青路面的抗車轍、抗水損、抗老化及抗疲勞等路用性能［6－9］。同時，BRA改性瀝青路面施工工藝簡單，性價比優(yōu)良，使得BRA在中國得到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用，其中上海市為此制訂了地方建筑產(chǎn)品推薦性應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)［10］。本研究依托湖南鳳大（鳳凰至貴州大興）高速公路BRA改性瀝青路面試驗段，通過大量室內(nèi)試驗，研究不同BRA摻量的表面層改性瀝青混合料AC－13C的配合比和路用性能，擬提出合理的BRA摻量［11－12］。

1 配合比設(shè)計

1.1 原材料性能檢驗

根據(jù)鳳大高速公路瀝青路面所用的筑路材料，基質(zhì)瀝青采用湖北國創(chuàng)A－70＃道路石油瀝青，粗、細集料分別為當(dāng)?shù)剌x綠巖和石灰?guī)r生產(chǎn)的集料，填料采用工地自制石灰?guī)r礦粉。所用原材料通過性能檢驗，各性能指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40－2004）的技術(shù)要求。

所選用的成品BRA外觀呈深褐色細顆粒狀，經(jīng)烘干后，采用燃燒法測得其中純天然瀝青含量為22.5%，其他性能檢測結(jié)果見表1。其中，技術(shù)要求參考了印尼國家標(biāo)準(zhǔn)。由此可知，BRA各項性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

表1 BRA性能檢驗結(jié)果Table 1 Test results of pavement performances of BRA

1.2 礦料合成級配設(shè)計

在BRA改性瀝青混合料中，除BRA中的天然瀝青可替代部分基質(zhì)瀝青以外，BRA中含有的石灰?guī)r礦物質(zhì)由于其顆粒最大粒徑小于2.36mm，且呈多孔狀，與瀝青具有極好的吸附性，故其可替代部分細集料和礦粉。因此，在礦料合成級配設(shè)計中，必須考慮礦物質(zhì)對級配的作用和貢獻。為了確定BRA改性瀝青混合料AC－13C（簡稱為BAC－13C）合理的BRA摻量（BRA摻量為BRA質(zhì)量與混合料總質(zhì)量之比），在其推薦摻量2%～5%的范圍內(nèi)，采用內(nèi)摻法，分別選取0%，2%，3%，4%和5%等5種摻量進行配合比設(shè)計。根據(jù)表1組分檢驗結(jié)果，初擬最佳油石比為5.0%，可計算得到各摻量下BRA中天然瀝青和礦物質(zhì)的含量，見表2。

考慮到湖南高溫多雨的氣候環(huán)境及成功經(jīng)驗，目標(biāo)級配中適當(dāng)增加了粗骨料比例，以提高BAC－13C的高溫性能。為了指導(dǎo)試驗段施工，直接從工地瀝青拌和樓熱料倉取料，進行生產(chǎn)配合比設(shè)計。根據(jù)各檔熱料及BRA燃燒后礦物質(zhì)的篩分結(jié)果，確定了各BRA摻量下的合成級配和礦料配合比，分別見表3，4。從表3，4中可以看出，各摻量下的設(shè)計合成級配與目標(biāo)級配一致，滿足級配設(shè)計要求，且摻配BRA后，其中的部分細集料和礦粉由BRA礦物質(zhì)替代。

表2 各摻量下BRA中天然瀝青和礦物質(zhì)含量Table 2 Contents of natural asphalt and mineral at each BRA mixing amount%

1.3 最佳油石比的確定

采用馬歇爾試驗對各摻量下的BAC－13C進行生產(chǎn)配合比設(shè)計。試驗時，為了配料方便，以基質(zhì)瀝青油石比（基質(zhì)瀝青與含BRA礦物質(zhì)在內(nèi)的所有礦料之比）選取油石比范圍，其中，0%摻量基質(zhì)瀝青混合料取4.4%～5.6%，其他摻量BRA改性瀝青混合料取3.8%～5.0%，并分別按0.3%的間隔各選定5種油石比。最佳油石比試驗結(jié)果見表5，表5中的總最佳油石比為BRA中純天然瀝青與基質(zhì)瀝青之和再與所有礦料之比。

表3 各摻量下BAC－13C礦料合成級配Table 3 Compiste gradation of mineral aggrehates for BAC－13Cat each mixing amount

表4 各摻量下BAC－13C礦料配合比Table 4 Mixing ratio of mineral aggrehates for BAC－13Cat each mixing amount

從表5中可以看出：

1）在最佳油石比下，各摻量BAC－13C的配合比設(shè)計指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。隨著BRA摻量的增加，馬歇爾穩(wěn)定度呈線性增加，而流值呈線性減小。這表明BRA中硬質(zhì)天然瀝青可有效提高BAC－13C的強度和承載能力。

2）隨著BRA摻量的增加，基質(zhì)瀝青的最佳油石比呈線性減小。BRA摻量每增加1%，基質(zhì)瀝青的最佳油石比就減小0.1%～0.2%，平均約為0.16%。這表明BRA中的天然瀝青可有效替代部分基質(zhì)瀝青。然而，當(dāng)BRA摻量越大時，總最佳油石比的增加幅度越大。其原因是BRA礦物質(zhì)為多孔石灰?guī)r細顆粒，其比表面積遠大于替代的同質(zhì)量細集料和礦粉的比表面積，從而增強了對瀝青的吸附性，使得BRA摻量越高，礦物質(zhì)含量就越大，相應(yīng)吸附的瀝青就越多，隨之瀝青的飽和度增加。

表5 各摻量下BAC－13C的最佳油石比試驗結(jié)果Table 5 Test results of optimum asphalt－aggregate ratio for BAC－13Cat each mixing amount

3）當(dāng)BRA摻量超過4%以后，由于其中的礦物質(zhì)含量較高，加之多孔石灰?guī)r礦物質(zhì)強度、剛度和密度較低，易被擊碎，從而形成較多的BRA改性瀝青砂漿，將粗集料形成的骨架撐開，使得BRA改性瀝青混合料由骨架密實結(jié)構(gòu)向懸浮密實結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。相應(yīng)地，隨著BRA摻量的增加，礦料間隙率逐步增加，而毛體積密度呈線性減小。因此，對于AC型BRA改性瀝青混合料，BRA的摻量不宜超過4%。

2 路用性能檢驗

為了檢驗和對比分析BRA摻量對BAC－13C路用性能的影響，根據(jù)生產(chǎn)配合比設(shè)計結(jié)果，在最佳油石比下，分別進行了車轍、浸水馬歇爾、凍融劈裂、低溫彎曲、滲水及鋪砂等路用性能試驗。試驗結(jié)果見表6。

表6 各摻量下BAC－13C的路用性能試驗結(jié)果Table 6 Test results of pavement performances for BAC－13Cat each mixing amount

從表6中可以看出：

1）與普通AC－13C相比，各摻量下BAC－13C的動穩(wěn)定度提高了1.3～2.1倍，且均滿足改性瀝青混合料動穩(wěn)定度的要求。在BRA摻量為2%～4%時，動穩(wěn)定度呈線性增加；BRA摻量超過4%以后，因瀝青含量增加，級配由骨架密實結(jié)構(gòu)向懸浮密實結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，相應(yīng)的動穩(wěn)定度略有下降。同時，總變形量隨著BRA摻量的增加逐漸降低，BRA摻量為3%時總變形量達到最低點，隨后略有升高，但變化不大。這表明BRA的摻入可大幅提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

2）隨著BRA摻量的增加，與普通AC－13C相比，BAC－13C的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比分別提高了5%～15%和4%～8%，且呈拋物線關(guān)系變化。在BRA摻量為4%時，其浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均達到峰值，其浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度超過了100%，其原因是BRA中的礦物質(zhì)對瀝青具有優(yōu)良的吸附性，并在浸水的條件下具有一定的活性硬化作用。同時，各摻量下BAC－13C的水穩(wěn)定性都達到了改性瀝青混合料的技術(shù)要求，且浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比分別在95%和94%以上。這表明BRA可有效改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

3）隨著BRA摻量的增加，低溫抗彎拉強度呈線性增加，而最大破壞彎拉應(yīng)變逐漸降低；各摻量下BAC－13C的抗彎拉強度較普通AC－13C的提高10%～20%，最大彎拉應(yīng)變約減小5%。這表明硬質(zhì)BRA的摻入對瀝青混合料具有良好的加勁作用，可提高其抗拉強度和剛度，但降低了其低溫抗變形能力。

4）各BRA摻量下BAC－13C的滲水系數(shù)和構(gòu)造深度均滿足技術(shù)要求。這表明BRA改性瀝青混合料具有優(yōu)良的抗?jié)B和抗滑性能。

根據(jù)試驗結(jié)果，于2013年9月底到10月初在鳳大高速公路上鋪筑了兩段BRA摻量分別為3%和4%的試驗段各350m。經(jīng)過1年多時間的運營，工后檢測和跟蹤觀測結(jié)果表明：BRA改性瀝青混合料的使用性能優(yōu)良，取得了優(yōu)良的應(yīng)用效果。但其長期性能有待進一步跟蹤觀測。

3 結(jié)論

依托湖南鳳大高速公路BRA改性瀝青路面試驗段工程，選取5種BRA摻量，分別進行了BRA改性瀝青混合料BAC－13C的配合比設(shè)計和路用性能檢驗，得到的結(jié)論為：

1）考慮到BRA中含有60%以上的多孔石灰?guī)r礦物質(zhì)細顆粒，在其改性瀝青混合料配合比設(shè)計時，應(yīng)將其礦物質(zhì)的含量和篩分結(jié)果納入到合成級配組成中，從而替代部分細集料和礦粉。

2）隨著BRA摻量的增加，基質(zhì)瀝青最佳油石比逐漸減小，但其減小量小于BRA中天然瀝青的增加量。這表明BRA中天然瀝青可有效替代基質(zhì)瀝青，但因BRA中礦物質(zhì)吸附性強，其改性瀝青混合料的總最佳油石比略高于普通瀝青混合料最佳油石比的0.1%～0.2%。同時，AC型瀝青混合料中，BRA摻量不宜超過4%，以免影響混合料的骨架結(jié)構(gòu)。

3）BRA的摻入可大幅提高BRA改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度，增加浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度比和低溫抗彎拉強度，且不影響抗?jié)B和抗滑性能，但其最大破壞彎拉應(yīng)變有所減小。這表明BRA中硬質(zhì)天然瀝青和多孔石灰?guī)r礦物質(zhì)可顯著提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及抗拉強度，但對低溫抗變形能力影響不大。

綜上所述，BRA改性瀝青混合料較適合于南方濕熱地區(qū)使用，建議BRA的適宜摻量為2%～4%，最佳摻量為3%。

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