铁辉长岩岩沥青改性沥青混合料路用性能研究

张爱兵+王庆海+罗振华+王昊

摘要：为评价岩沥青改性沥青稳定铁辉长岩混合料的路用性能，分别采用青川天然岩沥青改性沥青和SBS改性沥青制备AC13C混合料，通过车辙试验、高温汉堡轮辙试验、低温劈裂试验和冻融劈裂试验等室内试验，测试和评价铁辉长岩沥青混凝土的路用性能，并分析岩改性沥青对混合料路用性能的影响。研究结果表明：岩沥青改性沥青稳定铁辉长岩混合料的高温性能、力学性能和抗水损害能力较SBS改性沥青混合料显著提高，但低温抗裂性能有所降低。

关键词：铁辉长岩；路用性能；岩改性沥青；汉堡车辙试验

中图分类号：U414.01文献标志码：B

Abstract： In order to evaluate the pavement performance of ironrich gabbro asphalt mixture modified with rock asphalt， AC13C asphalt mixture was prepared with Qingchuan rock asphalt and SBS modified asphalt respectively. The pavement performance was studied based on the rutting test， Hamburg wheel tracking test， splitting test at low temperature and freezethaw splitting test， and the effect of rock asphalt on ironrich gabbro asphalt mixture was analyzed. The results show that the hightemperature performance， mechanical properties and water stability of ironrich gabbro asphalt mixture modified with rock asphalt are enhanced significantly compared to those with SBS modified asphalt， but the crack resistance property at low temperature declines slightly.

Key words： ironrich gabbro； pavement performance； rock modified asphalt； Hamburg wheel tracking test

0引言

铁辉长岩是由深部地壳或上地幔的玄武质岩浆经侵入作用形成，其SiO2含量为45%～52%，铁镁矿物含量为40%～90%。矿物成分主要为单斜辉石和基性斜长石，其次为斜方辉石、橄榄石、角闪石等。铁辉长岩呈灰黑色，毛体积密度为29～32 g·cm-3，孔隙率小，强度高，耐久性好，结构构造均匀，坚硬耐磨，是一种良好的建筑材料。

铁辉长岩已在公路沥青混凝土中得到了广泛应用[12]。本文从铁辉长岩、青川天然岩沥青和岩改性沥青性能试验入手，以AC13C铁辉长岩密级配沥青混合料为研究对象，通过室内试验测试评价青川岩改性沥青对混合料路用性能的影响，为岩沥青改性沥青铁辉长岩混凝土在中国的推广应用提供数据支撑。

1原材料性能与级配设计

1.1原材料性能

集料试验选用四川省攀枝花市五道河料场生产的铁辉长岩集料，矿粉为石灰岩磨制（未掺入石灰粉），表1为集料性质试验结果。

SBS改性沥青指标如表2所示。岩沥青采用青川天然岩沥青，其组分等参数见表3。

青川天然岩沥青以湿法掺入70A级道路石油沥青中进行改性，采用高速剪切加工工艺制备改性沥青，剪切温度为（180±10）℃，养生发育时间为12～13 h。试验确定了最佳青川天然岩沥青掺量（外掺）为65%[37]，发育完成的青川岩沥青改性沥青试验测试结果如表4所示。

1.2级配设计

试验选用细粒式密级配AC13C型沥青混合料进行路用性能评价，以现行规范规定的级配范围中值为目标级配[89]。结合工程实践经验，AC13C沥青混合料级配曲线如图1所示。目标合成级配中2.36～4.75 mm筛孔之间存料量达到14.3%，形成了粗集料骨架[1012]；9.5 mm以上筛孔通过率大于级配中值，有助于减少离析；不大于236 mm的筛孔通过率为32.0%，既保证了沥青膜厚度，又使混合料得到更好的嵌挤和压实。

1.3最佳沥青用量

参考《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004），按照0.3%间隔变化，取5个不同的沥青含量（即4.1%、4.4%、4.7%、5.0%、5.3%），进行马歇尔试验，试验数据见表5，确定沥青混合料最佳沥青用量为4.7%。

2沥青混合料路用性能试验与分析

2.1高温稳定性检验与分析

沥青路面在高温下劲度模量降低，路面抗剪强度减弱，易产生车辙等永久变形病害，道路交叉口和长大上坡路段尤为严重。目前，沥青混合料抗高温永久变形测试和评价方法主要有足尺加速路面试验、室内轮辙试验、SHRP简单剪切试验、轴向应力试验、径向和弯曲蠕变试验以及三轴试验等。汉堡轮辙试验是目前测试沥青混合料抗水损害和抗车辙性能试验条件最苛刻的试验之一。研究表明汉堡轮辙试验结果与沥青混合料的现场性能具有良好的相关性，能很好地模拟现场最恶劣的环境。本文采用汉堡轮辙试验和动稳定度评价岩沥青改性沥青混合料的高温稳定性，混合料动稳定度与SBS改性沥青混合料车辙动稳定度的对比，如表6所示。

由表6可以看出，结合料采用高粘度的岩改性沥青，AC13C沥青混合料的高温稳定性能较采用SBS改性沥青时得到了大幅度的提高。表6中60 ℃车辙试验结果平均动稳定度达到6 000 次·mm-1以上，说明经过青川天然岩沥青改性后，混合料的高温抗变形能力显著提高，能够承受高温以及重载作用，防止沥青路面产生车辙等变形破坏。为了进一步评价青川岩沥青改性沥青的高温性能，与SBS改性沥青对比，进行高温水浴汉堡试验，试验结果如表7所示。

从表7可以看出，青川岩改性沥青混合料汉堡试验结果优于SBS改性沥青混合料，辙槽深度小于20 mm，车辙曲线未出现拐点。说明青川岩沥青改性沥青混合料具有优异的抗高温变形能力，一方面，因为铁辉长岩具有密度大、硬度高、坚固性及棱角性好的特点，经过合理的级配设计后，骨料之间形成了良好的嵌挤作用，其内摩阻力提供了稳定的强度来源；另一方面，青川天然岩沥青含有较高的沥青质和胶质，天然岩沥青的掺入对沥青胶浆有稳定作用，增加了以键能较小的氢键为主的分子间力，形成了大分子网状结构，沥青的粘聚力增大，抗流动变形能力增强，从而有效地提高了沥青混合料的高温稳定性和高温抗水损害性能。

2.2低温性能检验与分析

为了检验与评价铁辉长岩岩沥青改性沥青混合料的低温抗裂性能，采用改进的低温劈裂试验方法评价[1314]。按最佳沥青用量制备直径（1000±025）mm、高为（635±1.3）mm的圆柱体试件，采用澳大利亚IPC公司生产的UTM100材料试验系统对试件施加半正弦荷载，通过测定试件破坏时的竖向变形和压力对混合料的低温抗拉强度及抗变形能力进行评价。试验采用-27 ℃、-20 ℃、-15 ℃、-10 ℃、-5 ℃、0 ℃六个温度，加载速率为1 mm·min-1[14]，分别对岩改沥青混合料和SBS改性沥青混合料进行试验对比，试验结果见表8。

从表8可以看出岩改沥青混合料低温劈裂破坏强度随温度的变化更为明显，在高于-20 ℃时沥青混合料破坏强度随温度的降低而逐渐增大；温度低于-20 ℃后，随着温度的降低其破坏强度的增长速率降低；岩沥青改性沥青混合料的脆化点为-20 ℃，而SBS改性沥青混合料脆化点为-27 ℃，说明岩改沥青铁辉长岩沥青混合料低温抗裂性能略差于SBS改性沥青混合料，但相同温度条件下，岩改性沥青混合料的劈裂强度大于SBS改性沥青混合料，这是因为岩沥青改性沥青粘度大，较SBS改性沥青具有更高的劈裂强度和力学性能。

2.3水稳定性检验与分析

水损害是沥青路面在水或冻融循环的作用下形成沥青路面的坑槽、推挤变形等的损坏现象[1516]。水损害是沥青路面的主要病害之一，多发生在雨后及春融期，对行车舒适性和安全造成严重影响。

通过青川岩改性沥青和SBS改性沥青混合料冻融循环劈裂试验，对所设计的级配进行水稳性测试，评价不同改性沥青混合料的水稳定性，试验结果见表9。

从表9可知：青川岩沥青改性沥青混合料冻融劈裂强度较SBS改性沥青混合料有一定的改善，这表明青川岩沥青改性沥青能更好地抵抗冻融循环的破坏。青川岩改性沥青混合料未进行冻融循环的劈裂抗拉强度为1.30 MPa，较SBS改性沥青混合料提高了19.3%；经受冻融循环后，其劈裂抗拉强度提高了278%。这是因为岩沥青沥青质、胶质含量比SBS改性沥青高得多，经岩沥青改性后，其沥青胶体结构发生变化，硬质组分相对增加，因此针入度减小、粘度增大，改性沥青体系的凝胶化程度得到加强，有效阻止了水对沥青与矿料界面的破坏。

3结语

通过对AC13C型岩沥青改性沥青稳定铁辉长岩混合料与SBS改性沥青混合料路用性能的试验研究，得出以下结论。

（1） 动稳定度和高温汉堡车辙试验结果表明，采用青川岩沥青改性沥青稳定铁辉长岩混合料可显著提高混合料的高温稳定性能，其性能略优于SBS改性沥青混合料。岩改沥青稳定铁辉长岩混合料车辙试验的动稳定度最大，为6 000 次·mm-1。

（2） 由于高含量的沥青质、胶质改善了岩改性沥青的胶体结构，使其胶凝化程度加强，阻止了水对沥青与矿料界面的破坏，从而使得岩沥青改性沥青铁辉长岩混合料具有更优的水稳定性。岩改沥青稳定铁辉长岩混合料冻融劈裂强度比为94.8%，优于SBS改性沥青混合料。

（3） 低温劈裂试验结果表明，岩沥青改性沥青铁辉长岩混合料低温抗裂性能有所降低，因此，岩沥青改性沥青铁辉长岩混合料宜用于炎热季及多雨地区的道路工程。

参考文献：

[1]丛卓红，郑南翔.沥青混合料级配优化设计[J].长安大学学报：自然科学版，2007，27（3）：1519.

[2]马月明.广巴公路沿线路面面层材料适用性研究[D].西安：长安大学， 2008.

[3]黄刚，何兆益，胡诚，等.基于微观和流变分析的岩沥青改性沥青性能评价[J].东南大学学报：自然科学版，2010，40（2）：367372.

[4]陆兆峰，何兆益，秦旻.采用天然岩沥青改性的沥青混合料路用性能[J].中南大学学报：自然科学版，2010，41（6）：24072411.

[5]樊亮，申全军，张燕燕.天然岩沥青改性对沥青路面性能的影响[J].建筑材料学报，2007，10（6）：740744.

[6]崔风仁，孟庆伟，庄伟.岩沥青改性沥青混合料配合比设计研究[J].中外公路，2011，31（3）：260262.

[7]吴翚.基于加速加载试验青川岩沥青改性沥青混合料长期使用性能研究[J].公路工程，2014，39（6）：164169.

[8]JTG F40—2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[9]杨青山，尹群.岩沥青改性沥青混合料路面施工工艺及质量控制[J].筑路机械与施工机械化，2009，26（7）：3538.

[10]陈忠达，袁万杰，高春海.多级嵌挤密实级配设计方法研究[J].中国公路学报，2006，19（1）：3237.

[11]郝培文，徐金枝，周怀治.应用贝雷法进行级配组成设计的关键技术[J].长安大学学报：自然科学版，2004，24（6）：16.

[12]吕文江，陈爱文，郝培文.贝雷法参数CA比对沥青混合料性能的影响[J].长安大学学报：自然科学版，2005，25（4）：58.

[13]姚祖康.沥青路面结构设计[M].北京：人民交通出版社，2011.

[14]马沉重.天然岩沥青改性沥青混合料的性能研究[J].筑路机械与施工机械化，2007，24（3）：2224.

[15]JTG E20—2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[16]黄云涌，刘朝晖，李宇峙.沥青混合料水稳性试验方法[J].交通运输工程学报，2002，2（2）：1922.

[责任编辑：谭忠华]