布敦岩沥青混合料路用性能的试验研究*

黄文通 徐国元

(华南理工大学土木与交通学院，广东广州510640)

天然沥青是石油在岩石夹缝中经过长达亿万年的沉积、变化，在热、压力、氧化、触媒、细菌的综合作用下生成的沥青类物质［1-2］．由于长期与自然界共存，并经受了恶劣自然环境的考验，故天然沥青性质特别稳定．布敦岩沥青是一种天然沥青，产于印度尼西亚布敦岛．它含氮量高，氮元素以官能团形式存在，这种存在形式使沥青粘度增大，抗氧化性增强，混合料的抗水损害能力提高．天然沥青不含蜡，加入基质沥青中，可以改善高含蜡沥青的品质．布敦岩沥青可在自由表面形成致密光亮的保护层，具有很强的抗微生物侵蚀作用，能提高沥青路面的耐候性．布敦岩沥青不能完全代替基质沥青，通常不直接使用，它与基质沥青的相溶性好，能将集料颗粒充分裹覆，起到加强沥青与集料的粘附性的效果［1-2］．在国外，用布敦岩沥青来改善道路沥青的性能、提高沥青混合料的路用性能已有许多应用经验．在国内，随着研究的不断深入，布敦岩沥青以其独有的优良特性，正逐渐被业内所认识和接受．国内外相关研究表明，布敦岩沥青能明显提高沥青混合料的抗车辙性能和水稳定性［3］，但随着布敦岩沥青掺量增加，混合料的低温抗裂性能变化还需要进一步深入研究．文中通过A-70基质沥青、布敦岩沥青、SBS改性沥青混合料的对比试验，评价布敦岩沥青混合料的综合路用性能．

1 布敦岩沥青的改性机理

将布敦岩沥青加入到基质沥青中，由于温度与小分子溶剂的共同作用，使得布敦岩沥青中相对分子质量很大的胶束被破裂，而破裂的胶束上暴露出的许多活性点立刻被基质沥青中的小分子所填充、饱和，形成一种全新的组合，最终形成以布敦岩沥青大胶束分子为中心，基质沥青小分子填充、包围的新方式［4-5］．掺加布敦岩沥青实质上是在基质沥青中加入大量的非自发核心物质(这些核心的相对分子质量较基质沥青相对分子质量大)对原基质沥青以小相对分子质量沥青质为核心的结构进行改造，改造程度取决于加入布敦岩沥青的相对分子质量及氮、氧、硫侧链的数量．相对分子质量越大，活性越高，则改造程度就越明显，得到的改性沥青的技术性能也就越优越［5-6］．

2 研究方案

以基质沥青为基数，采用A-70基质沥青、A-70基质沥青+20%布敦岩沥青、A-70基质沥青+25%布敦岩沥青、SBS改性沥青等4种沥青结合料来配制沥青混合料，制备的沥青混合料依次记为A、B、C、D，分别进行混合料路用性能试验，其中布敦岩沥青掺量是指布敦岩沥青中的纯天然沥青与基质沥青的质量比［7］．

2．1 原材料性能与矿料级配

试验所采用的沥青有布敦岩沥青、A-70基质沥青和SBS改性沥青，沥青技术指标试验结果见表1－3．集料为花岗岩，沥青混合料矿料级配采用规范的AC-13C，其矿料级配组成见表4，配合比设计的最佳沥青用量为4.8%．4种沥青混合料的合成矿料级配、集料和油石比均相同．

表1 布敦岩沥青技术指标Table 1 Technical indicators of Buton rock asphalt

表2 A-70基质沥青技术指标Table 2 Technical indicators of A-70 asphalt

表3 SBS改性沥青技术指标Table 3 Technical indicators of SBS modified asphalt

表4 AC-13C沥青混合料矿料的级配组成Table 4 Gradation range of AC-13C asphalt mixtures

2．2 布敦岩沥青混合料的试件制备

布敦岩沥青中含有约26%～28%的纯天然沥青和约72%的矿物质，矿物质中的碳酸钙含量为57%～60%，对布敦岩沥青中的矿物质成分可按矿粉对待，根据加入的布敦岩沥青所含矿粉质量的多少相应减少混合料中矿粉的数量，以保证配合比中矿粉质量的平衡．布敦岩沥青混合料采用“干法”生产工艺，先将预热的目标级配集料加入小型拌和机中，干拌1.5 min;然后按掺配比例将常温状态下的布敦岩沥青加入拌和锅中，拌和15～30 s，使布敦岩沥青颗粒和集料充分混合均匀;再加入已加热至拌和温度的基质沥青，拌和1 min;最后加入单独加热的矿粉，继续拌和至均匀为止［2，8］．其中集料加热温度为180℃，基质沥青加热温度为160℃，沥青混合料拌和温度为175℃，拌和好的沥青混合料温度为165～170℃，马歇尔试件击实温度为160℃．

基质沥青混合料、SBS改性沥青混合料的拌和按照通常的沥青和改性沥青混合料的拌和过程进行．

3 路用性能试验

3．1 水稳定性试验结果

水稳定性是沥青混合料抵抗因水侵蚀而逐渐产生的沥青膜剥离、松散、坑槽等破坏的能力．根据(JTG F40—2004)《公路沥青路面施工技术规范》［8-9］，对沥青和改性沥青混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，检验其混合料的抗水损害能力．试验结果见表5和6．

表5 沥青混合料的马歇尔试验结果Table 5 Results of Marshall tests for asphalt mixtures

表6 沥青混合料的冻融劈裂试验结果Table 6 Results of freezing and thawing spliting tests for asphalt mixtures

3．2 高温稳定性试验结果

沥青混合料的高温稳定性能是指在高温条件下，路面能够抵抗车辆荷载的反复作用而不发生显著永久变形，保证路面平整度的特性．采用轮碾法成型车辙试板，进行60℃下的车辙试验［10］，试验结果见表7．

表7 沥青混合料的车辙和低温弯曲试验结果Table 7 Results of wheel tracking and low-temperature bending tests for asphalt mixtures

3．3 低温性能试验结果

沥青混合料是一种粘弹性材料，沥青混合料在低温下的极限变形能力能反映粘弹性材料的低温粘性和塑性性质．为评价沥青混合料的低温抗裂性能，按试验规程的规定进行－10℃小梁弯曲试验［10-11］，加载速率为50min/mm，试验结果见表7．

4 结果分析

4．1 提高抗水损害能力的效果

由表5、6知:掺加布敦岩沥青后，混合料的马歇尔稳定度得到了明显提高，20%掺量和25%掺量布敦岩沥青混合料的马歇尔稳定度从基质沥青混合料的10.44 kN分别提高到15.83 kN和16.95 kN，而SBS改性沥青混合料的马歇尔稳定度只达到12.99kN;残留稳定度从基质沥青混合料的91.2%分别提高到98.0%和99.7%，大于SBS改性沥青混合料92.4%的结果．另一方面，劈裂抗拉强度同样得到了大幅度的提高，20%掺量和25%掺量布敦岩沥青混合料的冻融劈裂残留强度从基质沥青混合料的88.8%分别提高到91.3%和97.6%．

从水稳定性试验结果知，添加布敦岩沥青后，集料的粘附性和抗剥离性得到明显改善，混合料的抗水损害能力明显增强．

4．2 高温与低温稳定性敏感程度差异

由表7知:掺加20%和25%布敦岩沥青后，混合料的动稳定度分别达到3231次/mm和3663次/mm，已达到SBS改性沥青混合料的效果，与基质沥青混合料相比，其动稳定度分别提高了166%和202%．当布敦岩沥青掺量从20%增加到25%时，动稳定度增加13.4%，说明布敦岩沥青掺量超过20%之后，高温稳定性改善不明显．另外，掺加布敦岩沥青后，混合料的低温性能得到明显改善，抗弯拉强度从8.88MPa提高到9.87MPa和10.94MPa，最大弯拉破坏应变从2266×10－6提高到2904×10－6和2685×10－6．当布敦岩沥青掺量从20%增加到25%时，最大弯拉破坏应变没有增加，反而降低了7．5%，所以工程应用时应采用合适掺量．

5 工程应用与经济性分析

5．1 工程应用

2001年9月在京张线110国道昌平至延庆段使用布敦岩沥青，上面层采用4cm中粒式沥青混凝土(AC-16I)，试验路施工完成后，经全线观测，发现整段试验路路面平整、坚实，表面颗粒分布均匀，无脱落、掉渣、裂缝、拥包、烂边、搓板等现象．该试验段经过4年多的使用，路面状况良好［12］．

2003年9月，在河北省宣大高速公路路面工程中使用布敦岩沥青，上面层采用4cm细粒式沥青混凝土(AC-13I)，高速公路完工两年后对其进行了外观检测，路面状况良好，无脱落、掉渣、裂缝、拥包、烂边、搓板等现象［12］．

2009年10月京珠高速公路广珠段路面处治工程采用布敦岩沥青铺筑了大约2 km试验路段．京珠高速公路广珠段车流量日均出口8万车次，使用AC-13C型沥青混合料进行处治，油石比为4.8%．跟踪检测结果显示，路面处治通车后无车辙和水损害发生，路面使用性能良好［10］．

5．2 经济性分析

采用相同的矿料级配和集料，进行改性沥青的成本分析，具体数据见表8．

表8 改性沥青成本分析Table 8 Cost analysis of modified asphalt

通过上述分析可知，掺加布敦岩沥青的沥青混凝土成本明显低于其他同类产品．

6 结论

(1)布敦岩沥青与集料充分裹覆后，能改善集料颗粒的表面物理特性，增强集料与沥青的粘附力，提高沥青混合料的水稳定性，使路面的抗水损害能力稳定而持久．

(2)掺加布敦岩沥青能显著提高混合料的耐高温能力，大幅度减少路面的永久变形，25%掺量的布敦岩沥青混合料的动稳定度已达到SBS改性沥青混合料的路用效果，表明其适用于高轮压重荷载的道路交通地区使用．

(3)当掺加20%布敦岩沥青时，混合料的低温弯曲破坏应变提高了28.2%，表明掺加布敦岩沥青后能改善混合料的低温抗裂性能．但随着掺量从20%增加到25%时，弯拉破坏应变有所降低．因此，实际工程应用中的布敦岩沥青掺量不宜超过25%．

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