高灰分BRA改性高強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瀝青混合料進行級配設(shè)計，驗證混合料的體積指標(biāo);與常規(guī)SMA-13進行對比，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 ℃車轍試驗得到的動穩(wěn)定度提高約103%，60 ℃的劈裂強度提升比例高達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;高強中上面層;配和比設(shè)計;路用性能;抗變形能力

中圖分類號：U414 ? ? ? 文獻標(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，存貯運輸過程中易離析等缺點，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)合實際工程研究表明，瀝青混合料摻入BRA后，其路用性能的各項指標(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[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行了全面系統(tǒng)的研究。以期更進一步為高灰分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規(guī)程》（JTG E20—2011）對其主要技術(shù)指標(biāo)進行了檢測，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

試驗選用“干法”進行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

2.1 BRSMA-13配合比設(shè)計

BRSMA-13瀝青混合料的配合比及相關(guān)體積指標(biāo)參照SMA-13瀝青混合料的進行確定。試驗中制備的高強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)驗證

表5為馬歇爾試驗測試結(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%。

采用析漏試驗對根據(jù)馬歇爾設(shè)計法確定的BRSMA-13瀝青混合料的瀝青用量是否合理進行驗證，析漏試驗測試結(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12 000 次/mm，該試驗存在測試時間較長，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行高溫車轍試驗。由圖2還可知，BRSMA-13瀝青混合料在70 ℃車轍試驗下的動穩(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規(guī)范，本研究結(jié)合實際情況，采用50 ℃和60 ℃的試驗溫度對SMA-13和BRSMA-13瀝青混合料分別進行高溫劈裂試驗，結(jié)果如圖3所示。

由圖3不同瀝青混合料的高溫劈裂強度試驗結(jié)果可知，與SMA-13混合料相比，BRSMA-13在50 ℃試驗條件下的劈裂強度提高約57%;而60 ℃的劈裂強度提升更為顯著，提升比例高達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)出更好的高溫高強的特性。

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

從表7瀝青混合料的動態(tài)模量試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)試驗溫度相同時，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分別為試驗溫度和參考溫度，℃。

本試驗中取參考溫度為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結(jié)果。

從圖5中可以看出，BRSMA - 13瀝青混合料的抗彎強度與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)計法對高灰分BRA改性的BRSMA-13瀝青混合料進行配比設(shè)計，以及各組分摻配比例的確定，并選用馬歇爾體積指標(biāo)對配比進行了驗證;

（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 ℃的劈裂強度提升比例高達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。

【參考文獻】

[1] 張敏.瀝青路面車轍損壞成因及防治對策研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[2] 陳振富，吳旦，全鋒，等.瀝青路面車轍主要影響因素綜述[J].中外公路，2016，36（4）：68-72.

[3] TIAN R，XU S，SUO Z，et al.Performance evaluation of warm recycled SBS modified asphalt mixture[J].Advanced Materials Research， 2014， 1 065-1 069：771-777.

[4] 陳華鑫.SBS改性瀝青路用性能與機理研究[D].西安：長安大學(xué)，2006.

[5] 杜少文.巖瀝青SBS復(fù)合改性瀝青混合料的性能與機理[J].建筑材料學(xué)報，2012（6）：141-144.

[6] 吳源鋒.印尼布敦巖瀝青改性瀝青及其混合料路用性能研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2018.

[7] 李海輝.巖瀝青現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].科學(xué)之友（B版），2007（10）：50-51.

[8] LIU S，CAO W，LI X，et al.Principle analysis of mix design and performance evaluation on superpave mixture modified with Buton rock asphalt[J].Construction and Building Materials，2018，176：549-555.

[9] 鄒桂蓮，郭林泉，虞將苗.布敦巖瀝青混合料路用性能研究[J].公路與汽運，2010（1）：78-80.

[10] 董志偉.印尼布敦巖瀝青（BRA）在路面工程中的應(yīng)用研究[J].山西交通科技，2004，3l（1）：13-15.

[11] LV S， FAN X， YAO H， et al. Analysis of performance and mechanism of Buton rock asphalt modified asphalt[J].Journal of Applied Polymer Science， 2018， 46 903-46 910.