高速公路布敦巖瀝青改性瀝青應(yīng)用研究

楊大偉，唐黎明，李星明

（四川成宜高速公路開發(fā)有限公司，四川 宜賓 644000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通需求日益增加，不斷增長的交通量和車輛軸載導(dǎo)致高速公路瀝青路面病害的出現(xiàn)頻率和嚴(yán)重性顯著增加，這對路面性能提出了更高要求。目前道路工程中通常應(yīng)用以SBS改性瀝青為代表的高分子聚合物對瀝青進(jìn)行改性，起到改善瀝青路面性能的目的，但是SBS改性劑成本較高，對改性瀝青的生產(chǎn)、存儲設(shè)備及工藝均具有較高要求，因此難以在全國范圍內(nèi)推廣。布敦巖瀝青（BRA）是石油經(jīng)過億萬年的沉積、高溫、高壓、氧化、細(xì)菌、觸媒等作用形成的固態(tài)巖石狀天然瀝青，主要成分為瀝青和石灰礦物質(zhì)[1]。研究表明，摻加BRA對基質(zhì)瀝青混合料進(jìn)行改性后可以提高其高溫性能、抗氧化性能、抗剝離性能，且與基質(zhì)瀝青相容性好，不易產(chǎn)生離析；物化性質(zhì)穩(wěn)定，易于存儲運輸，改性工藝簡單[2]，具有較高的社會經(jīng)濟(jì)效益，因此在高溫多雨地區(qū)具有廣泛的應(yīng)用前景。目前我國尚未對BRA改性瀝青形成統(tǒng)一的規(guī)范性指導(dǎo)文件，這限制了BRA改性瀝青的應(yīng)用推廣[3]，因此亟需開展BRA改性瀝青的工程應(yīng)用研究，本文通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場施工，結(jié)合理論分析對BRA改性瀝青的工程應(yīng)用開展研究，可為同類型工程提供參考。

1 BRA摻量對改性瀝青性能的影響

1.1 原材料

（1）基質(zhì)瀝青

考慮膠粉容易因為溶脹不充分而導(dǎo)致嚴(yán)重的離析問題，擬選用AH-70基質(zhì)瀝青，性能指標(biāo)滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）規(guī)范要求。

（3）巖瀝青

本文采用產(chǎn)自于印度尼西亞蘇拉威西省的東南部布敦島（Buton）的巖瀝青（BRA），其主要成分為石灰?guī)r類礦物質(zhì)，僅含有20%～28%的純?yōu)r青。目前我國尚無布敦巖瀝青相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此參照印尼國家標(biāo)準(zhǔn)，檢測結(jié)果見表1。

表1 BRA性能技術(shù)指標(biāo)

1.2 BRA改性瀝青制備工藝

首先對BRA進(jìn)行破碎和過篩，制得過1.18mm方孔篩的BRA粉末。將基質(zhì)瀝青加熱到150℃，按照預(yù)定的摻配比例少量多次地加入BRA，其間攪拌10min，升溫至160℃恒溫發(fā)育60min，之后以3 000r/min的速度剪切30min，制得BRA改性瀝青[4]。

1.3 BRA摻量對瀝青性能的影響

（1）高溫黏度性能

本文采用旋轉(zhuǎn)黏度試驗探究不同BRA摻量下改性瀝青在120℃、135℃、175℃溫度時抵抗流動變形能力，黏度越大剪切變形越小，說明瀝青具有較好的高溫性能。參照AASHTO TP48-97進(jìn)行黏度測試，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，隨著BRA摻量的不斷增加，3種溫度條件下的改性瀝青黏度呈上升趨勢，且摻加BRA后的改性瀝青黏度均大于基質(zhì)瀝青，當(dāng)BRA摻量為20%~40%時改性瀝青黏度性能顯著提升。以135℃溫度條件為例，摻量10%、20%、30%、40%的BRA改性瀝青針入度相比基質(zhì)瀝青分別提高了10.23%、42.7%、68.6%、117.2%，說明BRA可提高瀝青在高溫環(huán)境中抵抗變形的能力。AASHTO M320-05規(guī)范認(rèn)為改性瀝青的135℃黏度低于3Pa·s時具有較好的施工和易性，不同摻量下BRA改性瀝青均滿足要求。

圖1 BRA改性瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗結(jié)果

（2）低溫抗流變性能

在進(jìn)行BRA改性瀝青低溫延度試驗時，由于BRA含有大量礦物質(zhì)顆粒，易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，宏觀表現(xiàn)為瀝青低溫延度較小，因此本文參照AASHTO T313-80進(jìn)行低溫抗流變性能試驗（BBR），通過t=60s時的蠕變勁度S和勁度變化速率m來評價BRA對瀝青低溫性能的影響，在-12℃環(huán)境下測得結(jié)果見圖2。

圖2 BRA改性瀝青BBR試驗結(jié)果

由圖2可知，摻加BRA之后改性瀝青的勁度模量S高于基質(zhì)瀝青，隨著BRA摻量的增加整體呈上升趨勢，平均每增加BRA摻量5%會導(dǎo)致改性瀝青勁度模量S增大35MPa，說明BRA會導(dǎo)致瀝青在低溫環(huán)境下變得脆硬。隨著BRA摻量的增加，勁度變化速率m呈減小趨勢，說明摻加BRA會削弱瀝青的應(yīng)力松弛能力，表現(xiàn)為溫度驟降情況下瀝青易產(chǎn)生溫縮裂縫。根據(jù)AASHTO M320規(guī)范對要改性瀝青S≤300MPa,m≥0.300的要求，可知BRA摻量在20%~25%范圍內(nèi)時改性瀝青低溫性能符合使用要求，但不建議應(yīng)用于我國北方地區(qū)。

（3）抗老化性能

RTFO老化能夠避免改性瀝青在老化過程中產(chǎn)生離析，因此本文參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中RTFO試驗方法，通過對比不同BRA摻量的改性瀝青老化后的質(zhì)量損失率和針入度比，評價瀝青抗老化性能。

圖3 BRA改性瀝青抗老化性能試驗結(jié)果

由圖3可知，隨著BRA摻量的增加，改性瀝青老化后質(zhì)量損失率呈上升趨勢，這是因為BRA含有大量揮發(fā)性物質(zhì)和活性礦物質(zhì)，在高溫和氧化作用下這些物質(zhì)揮發(fā)，因此不能采用質(zhì)量損失比評價BRA改性瀝青抗老化性能。隨著BRA摻量增加，BRA改性瀝青老化后的殘留針入度比整體呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，摻量為5%~35%時殘留針入度比大于基質(zhì)瀝青，說明BRA可提高瀝青抗老化性能，這是因為BRA長期處于高溫高壓環(huán)境，自身性質(zhì)穩(wěn)定、抗老化性能高，BRA摻量為25%時改性瀝青殘留針入度比最大，此時BRA改性瀝青抗老化性能最好。

綜合考慮BRA改性瀝青各項性能，推薦BRA最佳摻量為25%。

2 BRA摻量對改性瀝青混合料性能的影響

2.1 BRA改性瀝青混合料配合比設(shè)計

考慮到BRA改性瀝青中含有大量的石灰?guī)r灰分和天然瀝青，起到替代礦粉和基質(zhì)瀝青的作用，因此BRA改性瀝青混合料設(shè)計采用二階段設(shè)計法，即在普通瀝青混合料的基礎(chǔ)上，根據(jù)BRA摻量調(diào)整礦粉和瀝青用量[5]。本文先針對AC-13型普通瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計，選用的玄武巖粗集料、石灰?guī)r細(xì)集料、石灰?guī)r礦粉的技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求，所用瀝青為AH-70瀝青，根據(jù)馬歇爾試驗先確定一階段配合比，如表2所示，最佳瀝青用量為4.8%。

表2 AC-13級配設(shè)計

2.2 BRA改性瀝青混合料性能分析

在上述一階段配合比設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)BRA摻量0%,15%,20%,25%,30%,35%，進(jìn)行二階段配合比設(shè)計，并制作BRA改性瀝青混合料試件，分別進(jìn)行高溫穩(wěn)定性試驗、水穩(wěn)性能試驗、低溫穩(wěn)定性能試驗，從而分析不同摻量BRA對改性瀝青混合料路用性能的影響。

（1）高溫穩(wěn)定性

參照《瀝青混合料車轍試驗》（T 0719—2011）進(jìn)行車轍試驗，測得不同BRA摻量的改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能如圖4所示。

圖4 BRA改性瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

由圖4可知，動穩(wěn)定度隨著BRA摻量的增加，呈顯著增大趨勢，相比于未摻加BRA的改性瀝青混合料，摻量15%、20%、25%、30%、35%時混合料動穩(wěn)定度分別增加了50.2%、75.2%、98.7%、106.1%、120.0%，說明BRA可以顯著提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。

（2）水穩(wěn)定性

參照相關(guān)試驗規(guī)程進(jìn)行瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗和凍融劈裂殘留強度比試驗，測得不同BRA摻量的改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能如圖5所示。

圖5 BRA改性瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗結(jié)果

由圖5可知，凍融劈裂強度比、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度隨BRA摻量的增加，呈顯著增大趨勢，說明BRA的加入可以顯著改善混合料水穩(wěn)定性。究其原因，是因為BRA含有較多的氮元素官能團(tuán)，使瀝青具有較強的浸潤性，表現(xiàn)為瀝青對集料表面的黏結(jié)能力增強。

（3）低溫穩(wěn)定性

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）進(jìn)行混合料低溫小梁彎曲試驗，測得不同BRA摻量的改性瀝青混合料低溫穩(wěn)定性能如圖6所示。

圖6 BRA改性瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗結(jié)果

由圖6可知，隨BRA摻量的增加，破壞應(yīng)力呈先增大后減小趨勢，當(dāng)摻量為25%時破壞應(yīng)力最大，但是僅比未摻加BRA時高9.3%，當(dāng)摻量大于25%時破壞應(yīng)力呈下降趨勢，說明BRA并不能顯著改善混合料低溫抗裂性能，摻量較大會對低溫性能起劣化作用；混合料勁度模量呈上升趨勢，當(dāng)摻量大于25%時上升趨勢顯著增大，說明BRA摻量增大會導(dǎo)致混合料在低溫狀態(tài)下變得脆硬，易出現(xiàn)開裂。

3 結(jié)語

本文對不同BRA摻量下改性瀝青混合料性能進(jìn)行研究。由研究結(jié)果可知，隨著BRA摻量的增大，改性瀝青高溫黏度性能、抗老化性能顯著增強，但是低溫抗流變性能略有下降；改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性顯著增強，低溫穩(wěn)定性改善效果較差，且低溫環(huán)境下易變脆開裂；推薦摻量在20%~25%，且不推薦應(yīng)用于我國北方地區(qū)。