高灰分BRA改性高強(qiáng)中上面層瀝青混合料配比及性能研究

萬愛國

摘 要：為提高瀝青路面中上面層的高溫抗變形能力，采用高灰分BRA改性的BRSMA-13瀝青混合料進(jìn)行級配設(shè)計(jì)，驗(yàn)證混合料的體積指標(biāo);與常規(guī)SMA-13進(jìn)行對比，研究了高灰分BRA改性瀝青混合料的路用性能。結(jié)果表明：高灰分BRA的摻入，可使瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到提升，但提升效果并不明顯;而低溫抗裂性有所降低，但滿足規(guī)范要求。當(dāng)高灰分BRA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時，能保證其低溫條件下的抗開裂性能;與SMA-13相比，BRSMA-13瀝青混合料采用70 ℃車轍試驗(yàn)得到的動穩(wěn)定度提高約103%，60 ℃的劈裂強(qiáng)度提升比例高達(dá)91%以上，表明高灰分BRA可有效提高瀝青混合料的高溫抗變形能力。

關(guān)鍵詞：高灰分BRA;高強(qiáng)中上面層;配和比設(shè)計(jì);路用性能;抗變形能力

中圖分類號：U414 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2022）02-0129-05

車轍是高溫季節(jié)瀝青路面上常見的病害形式，如何提高瀝青路面中上面層的抗高溫變形能力一直是學(xué)者們是重點(diǎn)關(guān)注的問題[1-3]。近年來高模量瀝青改性劑及苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性劑的應(yīng)用使瀝青混合料的抗車轍能力得到良好的改善，但由于改性瀝青混合料制備工藝難度大，存貯運(yùn)輸過程中易離析等缺點(diǎn)，限制了其大范圍的推廣使用[4-5]。

印尼布敦巖瀝青（BRA）是一種性能良好的天然瀝青，由于BRA的組成成分中含有瀝青，使得BRA與道路石油瀝青之間具有更好的配伍性和相容性[6-8]，因此常以BRA作為改性劑進(jìn)行應(yīng)用。有學(xué)者對BRA和SBS改性的瀝青混合料性能分別進(jìn)行了研究，表明BRA對混合料的抗疲勞性能改善效果較好[9];結(jié)合實(shí)際工程研究表明，瀝青混合料摻入BRA后，其路用性能的各項(xiàng)指標(biāo)均得到了明顯的提升，具有施工簡便，碾壓溫度易控制的優(yōu)點(diǎn)[10];研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過BRA改性后的瀝青混合料模量、剛度都明顯增大，疲勞性能顯著提升，具有更優(yōu)的高溫抗車轍變形能力[11-12]。

本文以灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的高灰分BRA作為改性劑制備了BRSMA-13瀝青混合料，對BRSMA-13瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究。以期更進(jìn)一步為高灰分BRA的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 原材料及BRA改性瀝青混合料制備

1.1 原材料

1.1.1 SBS改性瀝青

試驗(yàn)選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的SBS改性瀝青，并依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）對其主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了檢測，具體檢測結(jié)果如表1所示。

1.1.2 高灰分巖瀝青BRA

試驗(yàn)選用灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為75%的印尼高灰分巖瀝青BRA，依據(jù)印尼國家規(guī)范要求對BRA進(jìn)行了篩分，并對BRA中瀝青含量、密度和含水率等主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試，具體測試結(jié)果如表2、表3所示。

1.1.3 集料及礦粉

分別選用玄武巖集料和石灰?guī)r礦粉，并對其主要技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行測試，測試結(jié)果均滿足要求。

1.2 BRSMA-13瀝青混合料制備

試驗(yàn)選用“干法”進(jìn)行BRSMA-13瀝青混合料的制備，其具體制備方法是先將BRA和集料在拌和鍋中拌和60 s，隨后將SBS改性瀝青摻入后再拌和90 s，最后加入礦粉拌和60 s即可。拌和好的瀝青混合料應(yīng)無花白料、無離析等現(xiàn)象。

2 BRSMA-13瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

2.1 BRSMA-13配合比設(shè)計(jì)

BRSMA-13瀝青混合料的配合比及相關(guān)體積指標(biāo)參照SMA-13瀝青混合料的進(jìn)行確定。試驗(yàn)中制備的高強(qiáng)中上面層瀝青混合料BRSMA-13中BRA料的摻量為集料總量的4%。

考慮到BRA料中含有一定量的瀝青，在BRSMA-13配比設(shè)計(jì)時初選油石比為5.0%。采用集料1∶集料2∶集料3∶礦粉的質(zhì)量配比為43∶31∶18∶8成型馬歇爾試件。經(jīng)過試驗(yàn)最終確定BRSMA-13瀝青混合料的級配組成情況如表4所示。

2.2 BRSMA-13體積指標(biāo)驗(yàn)證

表5為馬歇爾試驗(yàn)測試結(jié)果。

由表5可以看出，隨著油石比的增加BRSMA-13瀝青混合料的空隙率逐漸減小，而穩(wěn)定度先增大后減小，因此取換算總油石比為5%，其中SBS改性瀝青新?lián)饺氲挠褪葹?.0%。

采用析漏試驗(yàn)對根據(jù)馬歇爾設(shè)計(jì)法確定的BRSMA-13瀝青混合料的瀝青用量是否合理進(jìn)行驗(yàn)證，析漏試驗(yàn)測試結(jié)果如表6所示。

由表6可知BRSMA-13的平均值為0.05%，小于規(guī)范值0.1%，滿足瀝青用量的要求。

3 BRSMA-13瀝青混合料路用性能研究

3.1 水穩(wěn)定性研究

圖1為不同瀝青混合料的馬歇爾浸水殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比結(jié)果。

由圖1可知，與SMA-13瀝青混合料相比，BRSMA-13瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比均有提高，分別提高了6.7%和7.9%，表明高灰分BRA的摻入可使瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到提升，但提升效果不太顯著。

3.2 高溫穩(wěn)定性研究

不同試驗(yàn)溫度條件下混合料的車轍測試結(jié)果見圖2所示。

由圖2可知，BRSMA-13在標(biāo)準(zhǔn)車轍測試溫度下混合料的動穩(wěn)定度可高達(dá)12 000 次/mm，該試驗(yàn)存在測試時間較長，測試結(jié)果偏大的問題。因此，依據(jù)規(guī)范將其溫度提高到70 ℃，且其余參數(shù)保持不變的情況下進(jìn)行高溫車轍試驗(yàn)。由圖2還可知，BRSMA-13瀝青混合料在70 ℃車轍試驗(yàn)下的動穩(wěn)定度約為7 500 次/mm，比SMA-13的動穩(wěn)定度提高約103%。表明高灰分BRA的摻入使混合料的高溫性能得到了顯著的提升，在高溫炎熱環(huán)境下具有良好的抗車轍變形能力。gzslib202204012315

根據(jù)常規(guī)瀝青混合料劈裂試驗(yàn)規(guī)范，本研究結(jié)合實(shí)際情況，采用50 ℃和60 ℃的試驗(yàn)溫度對SMA-13和BRSMA-13瀝青混合料分別進(jìn)行高溫劈裂試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

由圖3不同瀝青混合料的高溫劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知，與SMA-13混合料相比，BRSMA-13在50 ℃試驗(yàn)條件下的劈裂強(qiáng)度提高約57%;而60 ℃的劈裂強(qiáng)度提升更為顯著，提升比例高達(dá)91%以上。結(jié)果表明：經(jīng)過添加高灰分BRA改性的BRSMA-13瀝青混合料的高溫強(qiáng)度得到大幅提升，使得路面中上面層呈現(xiàn)出更好的高溫高強(qiáng)的特性。

本研究選用UTM＼|30萬能試驗(yàn)機(jī)，對SMA-13和BRSMA-13瀝青混合料分別進(jìn)行加載頻率為0.1、0.5、1、5、10和25 Hz的單軸壓縮動態(tài)模量試驗(yàn)，結(jié)果如表7所示。

從表7瀝青混合料的動態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)試驗(yàn)溫度相同時，SMA-13和BRSMA-13的動態(tài)模量隨著加載頻率的增大而增加，且同溫同頻下BRSMA-13的動態(tài)模量要遠(yuǎn)高于SMA-13的動態(tài)模量;當(dāng)加載頻率相同時，SMA-13和BRSMA-13的動態(tài)模量隨著試驗(yàn)溫度的增高而減小，與SMA-13相比，BRSMA-13在高溫條件下仍具有較高的動態(tài)模量。

本研究利用時溫等效原理（WLF），采用公式（見下式）計(jì)算平移系數(shù)αt，最終獲取混合料的動態(tài)模量主曲線。

αt=expδ× hR1T+273-1T0+273

式中：δ× h為材料活化能，J/mol;R為氣體普適常數(shù)，8.314 J/（mol·K）;T、T0分別為試驗(yàn)溫度和參考溫度，℃。

本試驗(yàn)中取參考溫度為35 ℃，根據(jù)上式將不同溫度下測得的瀝青混合料的動態(tài)模量都平移到參考溫度下，最終得到SMA-13和BRSMA-13瀝青混合料分別在參考溫度下的動態(tài)模量主曲線，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，BRSMA-13在同一加載頻率下的動態(tài)模量要較高于SMA-13的動態(tài)模量，特別是在高溫高頻條件下，BRSMA-13的動態(tài)模量相比SMA-13提高約58%，表明高灰分BRA的摻入使得瀝青混合料的高溫力學(xué)特性得到了明顯的改善。

3.3 低溫抗裂性研究

圖5為低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果。

從圖5中可以看出，BRSMA - 13瀝青混合料的抗彎強(qiáng)度與SMA - 13的相差不多，而破壞應(yīng)變略低于SMA - 13，其破壞應(yīng)變?yōu)? 661με，且滿足JTG E20—2011規(guī)范要求。這主要是由于高灰分BRA中含有一定量的硬質(zhì)瀝青和細(xì)小粒徑的礦料，BRA的摻入使得瀝青混合料中的硬質(zhì)瀝青和高灰分礦物成分的含量有所提高，在提高混合料高溫強(qiáng)度的同時其低溫抗變形能力有所減弱。但本研究中以高灰分BRA為4%的摻量制得的BRSMA-13瀝青混合料的破壞應(yīng)變滿足規(guī)范，說明本研究摻入的高灰分BRA不僅可以使瀝青混合料的高溫性能得到提升，而且也可以保證其低溫條件下的抗開裂性能。

4 結(jié)語

（1）采用馬歇爾設(shè)計(jì)法對高灰分BRA改性的BRSMA-13瀝青混合料進(jìn)行配比設(shè)計(jì)，以及各組分摻配比例的確定，并選用馬歇爾體積指標(biāo)對配比進(jìn)行了驗(yàn)證;

（2）高灰分BRA對瀝青混合料的水穩(wěn)定性有所改善，但改善效果并不顯著。BRSMA - 13相比SMA - 13瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度比和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比均有提高，分別提高了6.7%和7.9%;而低溫抗裂性有所降低，但滿足規(guī)范要求。高灰分BRA摻量為4%時能保證其低溫條件下的抗開裂性能;

（3）通過高溫性能評價(jià)指標(biāo)可知，與SMA - 13相比，BRSMA - 13的動穩(wěn)定度提高約103%，60 ℃的劈裂強(qiáng)度提升比例高達(dá)91%以上;表明高灰分BRA可有效提高瀝青混合料的高溫抗變形能力。

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