BRA復(fù)配纖維改性瀝青混合料的技術(shù)性能與機理研究

李建亮

（榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000）

0 引言

近年來，車輛的重載化、大型化及道路渠化現(xiàn)象，加之極端高低溫天氣、降雨雪等惡劣氣候頻發(fā)，使得許多瀝青混凝土路面在未達到設(shè)計使用年限之前便出現(xiàn)車轍、剝落、開裂、水損、坑槽等早期破壞，造成不可估量的經(jīng)濟損失。因而，瀝青混凝土路面質(zhì)量越來越引起業(yè)界的廣泛關(guān)注。為了更好地滿足高等級路面的使用要求，高速公路上中面層采用改性瀝青的做法也越來越普遍，價格合理的瀝青混合料改性劑已成為當(dāng)前公路工程領(lǐng)域普遍關(guān)注的課題。

BRA是由高黏度純?yōu)r青與高活性礦物質(zhì)，在長期承受熱、氧化、觸媒、細菌、海底沉積壓力、地質(zhì)變動等的綜合作用下，歷經(jīng)億萬年的沉積、吸附、融合過程而形成的特殊天然瀝青巖，大量研究表明：BRA具有軟化點高、含氮量高、黏度大、抗氧化性和水敏感性強、耐候性好、抗微生物腐蝕能力強、不含蠟、易儲存和加工，且與基質(zhì)瀝青同屬石油基化學(xué)結(jié)構(gòu)相近，配伍性好，克服了SBS、PE等聚合物改性劑的離析問題，改性工藝簡單，可以提高瀝青與集料間的粘附性。目前已有多個實體工程將BRA改性瀝青混合料應(yīng)用于山區(qū)高速公路、高溫多雨地區(qū)高速公路。工程實踐表明，BRA改性瀝青混合料具有優(yōu)良的路用性能，能夠大幅度提高瀝青路面的抗車轍性能、抗水損害性能和耐久性。張曉婧等研究了BRA摻量對瀝青混合料路用性能的影響并鋪筑了試驗段，推薦最佳BRA摻量為3%，BRA改性瀝青混合料在高溫多雨地區(qū)有較好的適用性[1]。查旭東等[2－3]研究了BRA及BRA復(fù)合SBS改性SMA瀝青混合料的配合比設(shè)計與路用性能，結(jié)果表明，在BRA摻量為20%時，BRA改性瀝青混合料具有優(yōu)良的高溫性能，摻加BRA可顯著提高瀝青混合料的高溫性能。劉樹堂等[4]通過電子探針檢測，測得了BRA主要礦物含量和瀝青組分，基于針入度和高溫彎曲試驗證實了BRA改性瀝青具有優(yōu)良的高溫性能。文獻[5-8]研究了BRA改性瀝青膠漿及BRA改性瀝青混合料的路用性能，結(jié)果表明，BRA改性瀝青混合料具有優(yōu)良的高溫性性能，對重載道路瀝青路面有較好的適用性，但BRA改性瀝青混合料的低溫性能一般。杜少文[9]研究了BRA改性瀝青混合料的低溫性能，結(jié)果表明摻加BRA后瀝青混合料低溫彎曲應(yīng)變變化較小，BRA改性瀝青混合料無法滿足冬嚴(yán)寒地區(qū)瀝青路面表面層混合料的低溫抗裂性能要求。尚曉峰[10]研究了BRA與SBR復(fù)合改性瀝青的針入度、流變特性及復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能，結(jié)果表明，BRA對SBR改性瀝青的低溫性能有負面影響，摻加BRA可顯著提高SBR改性瀝青混合料的高溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能。

本文根據(jù)工程中常用纖維摻量和已有BRA巖瀝青混合料相關(guān)研究成果，基于改進后的車轍試驗、低溫彎曲試驗、低溫預(yù)切口SCB試驗、四點彎曲疲勞試驗，系統(tǒng)研究了BRA復(fù)合木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維改性瀝青混合料的路用性能和耐久性，為BRA復(fù)配纖維改性混合料在國內(nèi)的推廣應(yīng)用和BRA改性瀝青混合料路用性能改善措施提供借鑒。

1 試驗

1.1 原材料

（1）粗細集料及礦粉：0～3 mm細集料采用石灰?guī)r機制砂，3～5 mm、5～10 mm、10～20 mm粗集料采用輝綠巖，礦粉由優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r磨制而成，粗細集料及礦粉的性能指標(biāo)符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。

（2）基質(zhì)瀝青：克拉瑪依70#A級道路石油瀝青；SBS改性瀝青：殼牌。瀝青的各項性能均符合現(xiàn)行瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范相關(guān)指標(biāo)要求；BRA巖瀝青：黑色顆粒狀，其主要技術(shù)性能見表1。

表1 BRA的主要技術(shù)性能

（3）纖維：木質(zhì)素纖維（Lignin Fiber，LF）、聚酯纖維（Polyester Fiber，PF）、玄武巖纖維（Basalt Fiber，BF）均來自實體工程，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 纖維的主要技術(shù)性能

1.2 試驗方案及性能測試方法

根據(jù)工程中常用纖維摻量和已有BRA巖瀝青混合料相關(guān)研究成果[11-15]，3種纖維摻量均為0.35%（纖維占集料質(zhì)量百分比，下同），單一及復(fù)合改性瀝青中BRA摻量選用3.5%（BRA占集料質(zhì)量百分比，下同）。基于車轍試驗、低溫彎曲試驗、四點彎曲疲勞試驗、漢堡車轍試驗、MMLS1/3加速加載試驗，研究木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維對BRA改性瀝青混合料常規(guī)路用性能和耐久性能的改善作用，對照組采用3.5%BRA改性瀝青和5%SBS改性瀝青混合料。

采用JTGF40—2004推薦的AC-13型級配，根據(jù)各檔集料篩分結(jié)果，確定的合成級配見表3。BRA、巖瀝青摻加方式采用“干法”工藝，基質(zhì)瀝青加熱溫度為160～165℃，礦料加熱至190～195℃。試驗中先將預(yù)定質(zhì)量的BRA和纖維一起加入集料中干拌90 s，使其在礦料中充分分散均勻，然后再加入基質(zhì)瀝青，拌合60 s，最后加入礦粉，拌合60 s，總拌合時間為3.5min?；旌狭铣隽蠝囟?70～175℃，成型試件溫度160～165℃。采用馬歇爾試驗確定BRA改性瀝青混合料、BRA與纖維復(fù)合改性瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的最佳瀝青用量，試驗結(jié)果見表4。

表4結(jié)果表明，摻加BRA及BRA與纖維復(fù)合改性劑后，瀝青混合料的體積指標(biāo)與SBS改性瀝青混合料無異，摻加木質(zhì)素纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維后，BRA改性瀝青混合料的最佳瀝青用量增加了0.52、0.36和0.24個百分點，這與纖維對瀝青的吸持瀝青能力不同有關(guān)。摻加纖維可明顯提高BRA改性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度。

表3 礦料級配組成

表4 馬歇爾試驗結(jié)果

2 BRA與纖維復(fù)合改性瀝青混合料的高低溫性能及機理

2.1 車轍試驗

車轍試驗是現(xiàn)行瀝青路面施工規(guī)范評價瀝青混合料高溫性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法。在最佳瀝青用量下成型300 mm×300 mm×50mm車轍板，室內(nèi)放置48h后備用。利用車轍儀，測試不同輪壓和試驗溫度下BRA與纖維復(fù)合改性瀝青混合料的高溫性能，車轍試驗溫度分別采用低中溫40、50℃、高溫60、70℃等4個試驗溫度，輪壓（荷載）分別采用0.7、0.9、1.1MPa，試驗加載速率為42次/min，加載時間1 h，試驗結(jié)果見表5。

由表5可見，輪壓和試驗溫度均對瀝青混合料的高溫性能有顯著影響，隨著試驗溫度升高和膠輪接地壓強增大，瀝青混合料的動穩(wěn)定度顯著減小、車轍變形量顯著增大，表明在高溫、重載綜合作用下瀝青混合料更易于出現(xiàn)車轍病害。以0.7 MPa、60 ℃車轍試驗結(jié)果為例，3.5%BRA、0.35%LF+3.5%BRA、0.35%PF+3.5%BRA、0.35%BF+3.5%BRA、5%SBS 五種改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度依次為6432、6875、7623、8943、4753次/mm，3.5%BRA改性瀝青混合料動的穩(wěn)定度為5%SBS改性瀝青混合料的1.32倍，0.35%LF+3.5%BRA、0.35%PF+3.5%BRA、0.35%BF+3.5%BRA三種復(fù)合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別為3.5%BRA改性瀝青混合料的1.07、1.19、1.39倍，由此可見，相同試驗溫度與試驗荷載條件下，BRA改性瀝青混合料動穩(wěn)定度DS大于SBS改性瀝青混合料，摻加木質(zhì)素纖維可一定程度上提高BRA改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度，相比而言，聚酯纖維、玄武巖纖維對BRA改性瀝青混合料高溫性能的改善效果更加明顯。升高溫度或提高荷載，二者對瀝青混合料動穩(wěn)定度的影響有一定的等效作用，輪壓越大、試驗溫度越高，瀝青混合料的動穩(wěn)定度保留率越小，SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度隨荷載增大衰減幅度最大，表明其動穩(wěn)定度對重載更加敏感。為了對比不同改性瀝青混合料動穩(wěn)定度對溫度的敏感程度，圖1建立了0.7～1.1 MPa輪壓下，動穩(wěn)定度（y坐標(biāo)）與試驗溫度（x坐標(biāo)）的雙對數(shù)擬合關(guān)系y=A·ln（x）+B，A值越大，瀝青混合料動穩(wěn)定度對溫度變化越敏感，B值越大，瀝青混合料的動穩(wěn)定度越大。

表5 改性瀝青混合料的車轍試驗結(jié)果

由圖1擬合結(jié)果可見，相同膠輪接地壓強下，B值由大到小排序為 0.35%BF+3.5%BRA＞0.35%PF+3.5%BRA＞0.35%LF+3.5%BRA＞3.5%BRA＞5%SBS，A值由小到大排序與此相同，表明玄武巖纖維與BRA復(fù)合改性瀝青混合料的高溫性能對溫度的敏感性最小，BRA改性瀝青混合料的高溫性能對溫度的敏感性小于SBS改性瀝青混合料，摻加聚酯纖維、玄武巖纖維可顯著降低BRA改性瀝青混合料高溫性能對溫度的敏感性。

圖1 車轍試驗動穩(wěn)定度與試驗溫度的雙對數(shù)擬合結(jié)果

BRA對瀝青混合料高溫性能的改善作用主要是：BRA瀝青中的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量高，BRA中瀝青與石油瀝青成分相似，二者相容性好，與基質(zhì)瀝青融合后改性瀝青的稠度增大、彈性恢復(fù)成分增加，瀝青混合料模量提高，BRA中瀝青軟化點高，在高溫條件下仍具有較好的彈性恢復(fù)性能，從而提高了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、降低了高溫殘留變形量。另一方面，BRA中的灰分富含堿性石灰?guī)r，灰分不僅粒度很細，而且吸附瀝青的能力非常好，可極大程度提高瀝青與集料間的粘附性。

摻加纖維對BRA改性瀝青混合料高溫性能的改善機理在于纖維的“增黏作用”、“界面穩(wěn)定作用”、“吸附穩(wěn)定作用”、“加筋阻裂作用”。當(dāng)瀝青加入纖維后，瀝青的膠體結(jié)構(gòu)由溶膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿?凝膠結(jié)構(gòu)甚至凝膠結(jié)構(gòu)，瀝青膠漿的黏度隨之增大。纖維由于其較大的比表面積，為瀝青混合料提供了有利的浸潤界面，同時在纖維與瀝青間產(chǎn)生的物理與化學(xué)吸附、擴散與鍵合的作用下，結(jié)構(gòu)瀝青比例增大，纖維瀝青相與集料之間的界面效應(yīng)增強。纖維均勻分布在瀝青基體中，形成一個粘結(jié)力巨大的新界面，纖維瀝青共同把集料包裹住，進一步增加了瀝青混合料的穩(wěn)定性。纖維具有很好的親油性，纖維加入瀝青混合料后，可以很快地把瀝青吸持住，約束瀝青的流動，在外力作用下，纖維內(nèi)部的空隙對自由瀝青起到緩沖作用，使混合料內(nèi)部的瀝青油膜處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，從而降低高溫下瀝青混合料的塑性流動性，纖維在瀝青混合料內(nèi)部形成了復(fù)雜的纖維骨架空間網(wǎng)絡(luò)，增大了結(jié)構(gòu)瀝青的比例，同時瀝青黏度的增大，提高了瀝青與集料之間粘附性和握裹力，增加瀝青混凝土的整體性，不易發(fā)生松散，保證了瀝青路面的高溫穩(wěn)定性。不同纖維對BRA改性瀝青混合料高溫性能的改善效果在于，纖維在瀝青混合料內(nèi)部形成的加筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)強度不同，纖維與瀝青膠漿界面結(jié)合強度不同等原因。

2.2 低溫彎曲試驗

按JTGF40—2004，采用低溫彎曲試驗評價BRA與纖維復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性能。低溫彎曲試驗溫度為-10℃，試件尺寸為30 mm×35 mm×250 mm，采用單點加載方式，支點間距200 mm，加載速率為50 mm/min，參考現(xiàn)行瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范及相關(guān)研究成果，以破壞強度、彎曲破壞應(yīng)變、破壞應(yīng)變能指標(biāo)來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗結(jié)果見表6。

表6 改性瀝青混合料的低溫彎曲試驗結(jié)果

表6結(jié)果表明，BRA改性瀝青混合料的抗彎拉強度略小于SBS改性瀝青混合料，但彎曲應(yīng)變、破壞應(yīng)變能遠小于SBS改性瀝青混合料，SBS改性瀝青混合料低溫抗裂性能更好。按照現(xiàn)行瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范，冬嚴(yán)寒區(qū)、冬寒區(qū)彎曲應(yīng)變不小于3000με、2800με技術(shù)要求，單一BRA改性瀝青混合料低溫性能不能滿足冬嚴(yán)寒、冬寒區(qū)瀝青表面層、中面層瀝青路面低溫抗裂性能要求，這極大限制了BRA改性瀝青混合料在全國范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用。相比BRA改性瀝青混合料，摻加木質(zhì)素纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維均可一定程度提高BRA改性瀝青混合料的彎拉強度，顯著增加彎拉應(yīng)變和破壞應(yīng)變能，同時降低彎曲勁度模量，0.35%LF+3.5%BRA、0.35%PF+3.5%BRA、BF+3.5%BRA三種改性瀝青混合料的彎曲應(yīng)變均大于3000με，0.35%LF+3.5%BRA改性瀝青混合料彎曲應(yīng)變、彎拉強度和破壞應(yīng)變能略小于SBS改性瀝青混合料，尤其是0.35%PF+3.5%BRA、0.35%BF+3.5%BRA改性瀝青混合料彎曲應(yīng)變比SBS改性瀝青混合料大33%、20%，彎拉強度比SBS改性瀝青混合料大10%、5%，破壞應(yīng)變能比SBS改性瀝青大21%、14%，由此可見，BRA復(fù)配纖維改性瀝青混合料具有優(yōu)良的低溫抗裂性能，聚酯纖維對BRA改性瀝青混合料低溫性能改善效果最佳，采用摻加纖維改性措施能擴大BRA改性瀝青混合料的使用范圍。

2.3 預(yù)切口半圓彎拉試驗（SCB試驗）

預(yù)切口半圓彎拉試驗（Semi-Circular Bending Test，簡稱SCB）具有儀器設(shè)備和試件制作簡單，尤其是適用于路面鉆芯試樣等優(yōu)勢。可用于評價模擬裂縫已經(jīng)發(fā)生情況下瀝青混合料的阻裂性能。本研究采用SCB試驗，研究BRA與纖維復(fù)合改性瀝青混合料的抗裂性能。試驗時成型馬歇爾試件，采用專用切割機取馬歇爾試件中間50 mm部分，接著沿馬歇爾試件直徑方向?qū)⑶懈畎雸A形，就得到SCB半圓形試件。試驗溫度分別采用0℃和-10℃，加載速率為50 mm/min，采用單點加載模式，支點間距為試件直徑的0.8倍，試件中心部位預(yù)切V字形切口，切口寬度2cm，深度為7 mm。試驗在液壓MTS疲勞試驗機上進行，結(jié)果見表7。

表7 改性瀝青混合料的-10℃和0℃低溫SCB試驗結(jié)果

由表7可見，在0、-10℃試驗溫度下，3.5%BRA改性瀝青混合料的破壞荷載、破壞強度、斷裂能密度均小于5%SBS改性瀝青混合料，SBS改性瀝青混合料阻裂性能好于單一BRA改性瀝青混合料。相比BRA改性瀝青混合料，摻加木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維后，-10℃彎拉強度分別提高了51%、77%、56%，-10℃斷裂能密度分別提高了62%、120%、94%，0℃彎拉強度分別提高了42%、65%、57%，0℃斷裂能密度分別提高了46%、171%、87%，0.35%LF+3.5%BRA改性瀝青混合料的彎拉強度、斷裂能密度略小于SBS改性瀝青混合料，LF+3.5%BRA、0.35%PF+3.5%BRA兩種改性瀝青混合料的彎拉強度和斷裂能密度均大于SBS改性瀝青混合料，表明摻加木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維均可顯著提高BRA改性瀝青混合料的低溫抗裂性能和阻裂性能，相比SBS改性瀝青混合料，PF、BF纖維復(fù)配BRA改性瀝青混合料具有優(yōu)良的阻裂性能。

3 四點彎曲疲勞試驗

采用四點彎曲疲勞試驗評價混合料的疲勞性能。疲勞試驗儀器為IPC公司生產(chǎn)的UTM-810伺服液壓多功能材料試驗設(shè)備和BFA（Beam Fatigue Apparatus）四點彎曲小梁疲勞試驗試模夾具，在最佳油石比條件下采用MATEST公司生產(chǎn)的剪切壓實儀成型尺寸為450 mm×150 mm×180 mm的大型板式試件，然后再切割為（380±5）mm（長）×（50±5）mm（高）×（63.5±5）mm（寬）標(biāo)準(zhǔn)小梁試件，疲勞試驗溫度采用20℃，采用連續(xù)偏正弦應(yīng)變控制模式，加載選用4個應(yīng)變水平（400、600、800、1000με）。按照 AASHTO TP-8 所推薦的疲勞壽命判定標(biāo)準(zhǔn)，以勁度模量衰減至其初始勁度模量的50%時的加載次數(shù)為疲勞壽命，疲勞試驗數(shù)據(jù)處理采用疲勞壽命（y）與應(yīng)變水平（ε）的指數(shù)模型進行擬合，結(jié)果見表8、圖2。

表8 改性瀝青混合料的疲勞試驗結(jié)果

圖2 改性瀝青混合料的疲勞試驗擬合曲線

表8和圖2結(jié)果表明，相同應(yīng)變水平下，疲勞壽命大小排序為 0.35%BF+3.5%BRA＞0.35%PF+3.5%BRA＞0.35%LF+3.5%BRA＞5%SBS＞3.5%BRA。隨著應(yīng)變水平增大，5種瀝青混合料的疲勞壽命呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系減小，擬合優(yōu)化度R2大于0.98，k為疲勞曲線的斜率，其值越大疲勞壽命越長，n為疲勞曲線截距，用于表征疲勞壽命對應(yīng)變水平的敏感程度，其值越大疲勞壽命對應(yīng)變水平越敏感，對比擬合參數(shù)k、n可以發(fā)現(xiàn)，纖維與巖瀝青復(fù)合改性混合料不僅具有更大的k值，同時具有較小的n值，k值越大，瀝青混合料疲勞壽命越長，n值越小，疲勞壽命對應(yīng)變水平變化越不敏感，由此可見，摻加纖維顯著延長了3.5%BRA改性混合料的疲勞壽命，同時降低了BRA改性混合料疲勞性能對應(yīng)變水平的敏感性。BRA改性瀝青混合料的疲勞壽命小于SBS改性瀝青混合料，但是摻加纖維后，木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、玄武巖纖維復(fù)合BRA改性瀝青混合料的疲勞壽命明顯大于5%SBS改性瀝青混合料，尤其是0.35%BF+3.5%BRA 改性瀝青混合料，在 400、600、800、1000 με水平下，其疲勞壽命分別為SBS改性瀝青混合料的1.35、1.81、2.19、2.7倍，可見玄武巖纖維與BRA復(fù)合改性瀝青混合料能適用于重載道路瀝青路面。3種纖維對BRA改性瀝青混合料疲勞壽命的改善效果排序為：玄武巖纖維＞聚酯纖維＞木質(zhì)素纖維。

4 結(jié)論

（1）BRA改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，其對溫度的敏感性小于SBS改性瀝青混合料，摻加聚酯纖維、玄武巖纖維可顯著降低BRA改性瀝青混合料高溫抗車轍性能對溫度和荷載的敏感性。摻加木質(zhì)素纖維可一定程度上提高BRA改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度，相比而言，聚酯纖維、玄武巖纖維對BRA改性瀝青混合料的高溫性能改善效果更加明顯。

（2）BRA復(fù)配纖維改性瀝青混合料具有優(yōu)良的低溫抗裂性能和阻裂性能，聚酯纖維對BRA改性瀝青混合料低溫性能改善效果最佳，采用摻加纖維進行復(fù)合改性能擴大BRA改性瀝青混合料的使用范圍。相比SBS改性瀝青混合料，纖維復(fù)配BRA改性瀝青混合料具有優(yōu)良的阻裂性能。

（3）3種纖維中，玄武巖纖維對BRA改性瀝青混合料高溫抗變形能力的改善效果最好。摻加纖維顯著延長了BRA改性混合料的疲勞壽命，同時降低了BRA改性混合料疲勞性能對應(yīng)變水平的敏感性，3種纖維對BRA改性瀝青混合料疲勞壽命的改善效果排序為：玄武巖纖維＞聚酯纖維＞木質(zhì)素纖維。