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計，驗證混合料的體積指標;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。當高灰分BRA質量分數(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。

關鍵詞：高灰分BRA;高強中上面層;配和比設計;路用性能;抗變形能力

中圖分類號：U414 ? ? ? 文獻標識碼：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者們是重點關注的問題[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作為改性劑進行應用。有學者對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]。

本文以灰分質量分數(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的推廣應用提供參考依據(jù)和理論基礎。

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

試驗選用質量分數(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）對其主要技術指標進行了檢測，具體檢測結果如表1所示。

1.1.2 高灰分巖瀝青BRA

試驗選用灰分質量分數(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指標進行測試，具體測試結果如表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，并對其主要技術性能指標進行測試，測試結果均滿足要求。

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無花白料、無離析等現(xiàn)象。

2 BRSMA-13瀝青混合料配合比設計

2.1 BRSMA-13配合比設計

BRSMA-13瀝青混合料的配合比及相關體積指標參照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體積指標驗證

表5為馬歇爾試驗測試結果。

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果見圖2所示。

由圖2可知，BRSMA-13在標準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，結果如表7所示。

從表7瀝青混合料的動態(tài)模量試驗結果可以看出，當試驗溫度相同時，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)模量要遠高于SMA-13的動態(tài)模量;當加載頻率相同時，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，而破壞應變略低于SMA - 13，其破壞應變?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瀝青和細小粒徑的礦料，BRA的摻入使得瀝青混合料中的硬質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 結語

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

（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，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，2006.

[5] 杜少文.巖瀝青SBS復合改性瀝青混合料的性能與機理[J].建筑材料學報，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，2018.

[7] 李海輝.巖瀝青現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].科學之友（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.