天然沥青混合料路用性能试验研究

赵小娟

(湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410015)

天然沥青混合料路用性能试验研究

赵小娟

(湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410015)

为对比研究不同天然沥青混合料性能之间的区别，以国产青川岩沥青、布敦岩沥青、特立尼达湖沥青为研究对象，通过国产车辙、低温弯曲、冻融劈裂试验比较3种天然沥青混合料路用性能的差异，并确定相应天然沥青的最佳掺量。结果发现：3种天然沥青混合料各有优势，青川岩沥青混合料的高温性能更好，TLA混合料低温性能最优，而BRA水稳性能最好，且每种天然沥青混合料有其各自的最佳掺量，青川岩沥青、BRA、TLA掺量分别为7.5%、30%、35%可使相应混合料路用性能最好。

道路工程； 天然沥青； 路用性能； 最佳掺量

0 引言

天然沥青主要分为岩沥青、湖沥青两大类，其中岩沥青中常用的代表有布敦岩沥青(BRA)、北美岩沥青，以及国产青川岩沥青[1-3]，而特立尼达湖沥青[4](TLA)则是湖沥青的典型代表。资料显示，在我国四川北秦岭支脉九龙山一带含有大量青川岩沥青，并且有研究发现[5-7]青川岩沥青的添加可以明显提高基质沥青混合料的高温性能、抗疲劳性能和抗水损害能力，进而提高路面的使用性能。

为进一步研究国产青川岩沥青的优势，本文另外选取2种国外常用的BRA及TLA，分别制备沥青混合料，通过对3种混合料的路用性能进行研究，确定每种天然沥青的最佳掺量。此外，还通过路用性能[8，9]试验比较3种天然沥青混合料性能之间的差异，以期进一步推广国产青川岩沥青在工程中的应用。

1 试验材料及方法

1.1 基质沥青

本文选取中海70#石油沥青作为基质沥青进行研究，根据规范中性能试验方法得其性能及相应指标如表1所示。

表1 基质沥青的主要技术指标类别25℃针入度/(01mm)针入度指数PI当量软化点T800/℃实测值653-032519技术要求60～80-15～+10—当量脆点T12/℃软化点/℃15℃延度/cm密度/(g·cm-3)粘度(135℃)/(Pa·s)-123483>15010420322—≥46>100——老化试验质量损失/%残留针入度比/%残留15℃延度/cm02963367±08≥61≥15

1.2 青川岩沥青

现阶段，青川岩沥青已在国内公路建设中得到应用，如河北省107国道、山东省菏关高速、广西全桂路等。本文使用的青川岩沥青从矿中开采出来时，是大小不一的块状，通常在试验前将其粉碎，再过1.18 mm的方孔筛，最后得到粉末状天然沥青。根据厂家提供数据可知青川岩沥青各项技术指标如表2所示。

1.3 布敦岩沥青(BRA)

布敦天然岩沥青是一种产于印度的布敦天然岩沥青矿，经过去除杂质、脱水、碾磨等加工后形成的粉粒状的材料。经厂家提供知BRA岩沥青的主要技术指标如表3所示。

表2 青川岩沥青性能指标类别沥青含量/%灰分含量/%密度/(g·cm-3)含水量/%闪点/℃检测结果895103121112235

表3 BRA主要技术指标类别沥青含量/%灰分含量/%密度/(g·cm-3)闪点/℃含水量/%矿物质最大颗粒/mm测试结果2576173300015061印尼标准≥18—170～190≥230≤20≤20

1.4 特立尼达湖沥青(TLA)

特立尼达湖沥青产于特立尼达和多巴哥境内的沥青湖，属于涌出型天然沥青[10]。通过厂家提供可知，本文用到的TLA主要技术指标如表4所示。

表4 TLA主要技术指标类别25℃针入度/(01mm)软化点/℃灰分/%密度(25℃)/(g·cm-3)RTFOT后残留针入度比/%试验结果359933631412928技术要求0～5≥9033～3813～15≥50

1.5 试验准备

1.5.1 试验方案

查阅相关文献[11，12]可知，青川岩沥青最佳掺量通常为5%～10%，BRA为25%～35%、TLA最佳掺量一般为25%～40%，需要注意的是其中最佳掺量指的是占沥青质量百分比。为此，本文选择青川岩沥青比例为5%、7.5%、10%，BRA掺配比例为25%、30%、35%，TLA掺配比例为25%、30%、35%、40%进行研究。

1.5.2 混合料拌合方式

通常制备天然沥青改性沥青混合料的拌和方式分为两种：即“干法”和“湿法”工艺。“干法”是把岩沥青作为一种外加剂加入集料中拌和；“湿法”是先按照岩沥青改性沥青的制备方法制备好岩沥青改性沥青，然后再把改性沥青加入到集料中拌和。相关研究[13]表明，“湿法”工艺对天然沥青混合料的路用性能有利，可使天然沥青在与基质沥青充分混合的情况下成型混合料试件，因此，本文选取“湿法”工艺制备天然沥青混合料。

2 矿料级配及最佳油石比确定

2.1 矿料级配

按规范要求，采用马歇尔设计方法进行级配设计，最终得到AC-13型矿料级配见表5。

表5 AC-13矿料级配级配通过下列筛孔(mm)的质量百分率/%1601329547523611806030150075规范10090～10068～8538～6824～5015～3810～287～205～154～8合成级配1009457405253752401701158555

2.2 最佳油石比

选用埃索90#基质沥青进行混合料最佳油石比测定，按照规范要求，同时结合工程实践经验，初估油石比范围为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%，并成型5组马歇尔试件。通过对试件物理指标、力学指标的测定，得出各种马歇尔指标变化趋势如图1所示。

图1 马歇尔试验各项指标与油石比关系曲线图

由图1并通过计算可确定最佳油石比为4.7%。为验证结果的准确性，以油石比4.7%对混合料性能进行试验验证，结果如表6所示。

结果表明，该条件下的沥青马歇尔试件性能满足要求，故最佳油石比为4.7%。

表6 最佳油石比下马歇尔试验结果类别最大理论密度/(g·m-3)毛体积密度/(g·m-3)孔隙率/%试验结果2597251034技术要求——3～6稳定度/kN流值/mm矿料间隙率/%沥青饱和度/%151334144745≥815～4—65～75

3 不同天然沥青混合料路用性能研究

3.1 高温性能

选择常用的国产车辙试验进行高温性能研究，评价指标为动稳定度DS=(60-45)×42/(D60-D45)，其中D45、D60分别为试验开始45 min、60 min后的试件的变形量。按规范成型试件并进行试验，结果如图2所示。

图2 不同类型沥青混合料抗高温性能

根据图2可知：混合料动稳定度随天然沥青掺量的增加而逐步上升，其中青川岩沥青在掺量为7.5%时，其动稳定度达到最大值为2 943.9次/mm，60 min车辙深度为最小值1.236 mm，分别是基质沥青混合料相应指标的2.29、0.64倍；BRA岩沥青在掺量达到30%的时候高温性能达到最优，动稳定度和60 min车辙深度分别为基质沥青混合料的1.96、0.66倍；TLA掺量为35%时，其高温性能达到最优，动稳定度值和60 min车辙深度值分别为2 554.7次/mm、1.807 mm。

以上分析说明，在基质沥青中添加天然沥青改性后，沥青抗高温性能得到了较好的改善，能够在沥青混合料承受高温以及重型荷载作用的同时具有良好的稳定性能，防止沥青路面产生变形现象。

3.2 低温性能

目前国内外用于研究沥青混合料低温抗裂性能的试验方法较多，其中低温小梁弯曲试验是我国最常用的评价方法。本文结合实际条件，选取小梁低温弯曲试验来评价天然沥青混合料低温抗裂性能。按规范成型试件并进行试验，试验过程中测定试件破坏时的最大荷载PB和跨中挠度d，并按规范计算试件破坏时的抗弯拉强度RB/MPa、试件破坏时的最大弯拉应变εB(με)及试件破坏时的弯曲劲度模SB/MPa，最终得到试验结果如图3所示。

图3 不同类型天然沥青混合料低温弯曲试验结果

一般情况下，最大弯拉应变与沥青混合料低温性能呈正相关关系，弯曲劲度模量与沥青混合料低温性能呈负相关关系。因此：

1) 观察图3a可以直观地得到青川岩沥青混合料的最大弯拉应变随着岩沥青掺量的增加先升后降。并且可知，基质沥青混合料、掺量为5%、10%时的青川岩沥青混合料的最大弯拉应变分别只有2 538.96με、2 651.07με、2 381.29με，而在掺量为7.5%时，青川岩沥青混合料最大弯拉应变为2 745.55με，故此时青川岩沥青混合料低温性能最优。

2) 观察BRA沥青混合料的低温试验结果随BRA掺量变化的趋势图3b可知，BRA混合料最大弯拉应变随BRA掺量先降低后升高，因此BRA沥青混合料低温性能随掺量的增加先减小后增大。通过对应的数据发现，在BRA掺量仅为25%时，BRA改性沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变比基质沥青混合料都有所降低，说明较少的布敦岩沥青掺入基质沥青后对混合料的低温性能不利，掺量逐渐增大后，低温性能逐渐变优，并在掺量为35%时达到稳定；相对于基质沥青混合料，其最大弯拉应变增大了8.3%，这说明，BRA混合料抵抗变形的能力增强，在相同应力条件下，BRA沥青混合料将首先产生裂缝。

3) 基于材料成本，并对比掺量为30%和35%的BRA沥青混合料的低温数据可知，BRA岩沥青增加了5%的掺量并未获得明显的性能优势，因此从经济方面考虑，35%的掺量并不是最佳的，应选取30%，从而在保证性能的前提下节约成本。

4) 根据图3c低温试验结果中各指标变化趋势可知，在掺量25%～35%时，TLA与BRA沥青混合料的低温试验结果变化基本一致，但在TLA掺量为40%时，TLA沥青混合料低温性能变差，并且在掺量较小时(25%)其低温性能弱于基质沥青混合料，逐渐增加至掺量为35%时达到峰值，为最优。这说明，TLA沥青混合料随着TLA掺量的增大，最大弯拉应变增加，抗低温变形的能力增强。

3.3 水稳定性

我国常用评价沥青混合料水稳性能的试验主要有浸水马歇尔试验、真空饱水马歇尔试验、真空饱水劈裂试验、浸水劈裂试验、冻融劈裂试验等。其中，冻融劈裂试验在我国，它既可以直观地反映北方寒冷地区沥青路面的实际工作环境，也可针对南方多雨潮湿地区的情况。因此，本文采用冻融劈裂试验来评价沥青混合料水稳定性，试验以标准马歇尔试件为对象，以冻融劈裂抗拉强度比值TSR为指标，试验结果见图4，其中RT1、RT2分别为冻融前和冻融后的劈裂强度。

图4 不同类型天然沥青混合料水稳定性

据图4可知：

1) 沥青混合料的TSR值随青川岩沥青掺量的增加先增大后降低，当掺量为7.5%时TSR值到达峰值，如图4a所示，当青川岩沥青掺量继续增加时，混合料TSR值迅速降低，但经过冻融后混合料试件的抗拉强度在增加，从试验结果来看，岩沥青掺量过高会导致混合料抗水损害能力的降低，因此建议岩沥青掺量不应过高且不宜超过7.5%。

2) BRA岩沥青混合料TSR值则随BRA岩沥青掺量增加呈逐渐上升的趋势，由图4b易看出在掺量为30%时，TSR值已趋于稳定，不再变化，并且观察数据可知掺量为35%的BRA沥青混合料TSR值仅比30%掺量的增加0.2%。因此，考虑到材料成本，建议混合料BRA岩沥青混合料中的岩沥青掺量为30%。

3) 与青川岩沥青、BRA沥青混合料不同的是，TLA的TSR值变化曲线随TLA掺量的增加出现2个拐点，其水稳性能在TLA掺量小时较差，但随着掺量不断的增加，水稳性能逐渐变优，即抗水损害能力变强。根据图4c可知，TLA最佳掺量介于30%～35%，并接近35%。

综合路用性能试验可知，由于不同的天然沥青中沥青含量不同，因此出现了路用性能达到最佳时各种天然沥青的最佳掺量有所不同。其中，青川岩沥青中沥青含量约70%，有的甚至高达80%，所以最佳掺量与BRA、TLA相比较小，仅为7.5%左右；而且通过以上试验分析可知，BRA、TLA沥青混合料的最佳掺量分别为30%、35%左右。

3.4 最佳掺量下不同类型混合料性能对比

由上面的试验研究可以发现，就本文所选的3种天然沥青而言，其在混合料中最佳掺量明显不同，青川岩沥青、BRA、TLA最佳掺量分别7.5%、30%、35%。在油石比4.7%的情况下，比较3种沥青混合料在最佳掺量下，高温、低温、水稳性能的区别如图5所示。

图5 最佳掺量不同类型沥青混合料路用性能对比

根据图5各试验结果知：

1) 观察图5a可知，天然沥青混合料的高温性能更优，青川岩沥青混合料比70#基质沥青混合料的动稳定度增加了128.5%、BRA和TLA沥青混合料的动稳定度分别增加了96.0%、98.3%。因此，同一条件下，沥青混合料的抗车辙变形能力排序为，青川岩沥青、BRA、TLA。

2) 通过低温弯曲试验数据可知，如图5b所示，天然沥青混合料的低温性能较基质沥青混合料低温性能改善较小，青川岩沥青混合料弯曲劲度模量值仅减小80.75 MPa，BRA岩沥青混合料、TLA湖沥青混合料分别减少了96.69 MPa、181.75 MPa，所占比例均不超过5%。因此，可知天然沥青加入基质沥青后对其混合料低温性能虽有改善，但效果并不显著。

3) 根据图5c冻融劈裂试验结果可得，各类型天然沥青混合料水稳性能明显优于基质沥青混合料。其中，30%BRA沥青混合料抗水损害能力最好，7.5%青川岩沥青混合料次之，35%TLA沥青混合料最差。由于BRA和青川岩沥青混合料仅相差1.1%，因此，从成本上考虑，建议使用国产青川岩沥青混合料改善抗水损害能力。

综上分析可知，最佳掺量下的天然沥青混合料虽对路用性能有所改善，但改善效果区别较大，其中高温性能和水稳性能改善明显，而低温性能改善效果并不显著。因此，对于南方高温多雨地区，可采用天然沥青对路面性能进行改善，并且基于材料成本、材料来源以及性能改善效果考虑，建议使用国产青川岩沥青。

4 结语

1) 通过对3种天然沥青混合料的试验研究可知，天然沥青改性沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳性能都要比基质沥青混合料的路用性能更优。其中高温性能和水稳性改善比较明显，尤其是高温性能，青川岩、BRA、TLA沥青混合料的动稳定度分别是基质沥青混合料的2倍左右；而低温性能虽然有所改善，但效果并不理想。

2) 天然沥青加入基质沥青制备混合料，其各方面性能都有所提高，通过试验发现，3种天然沥青各自存在最佳的掺量，其中青川岩沥青为7.5%、BRA为30%、TLA为35%。

3) 通过最佳掺量下的试验结果可知，3种天然沥青混合料各有优势，青川岩沥青混合料高温性能最优，TLA则低温性能最好，而BRA水稳性能最佳。考虑到青川岩沥青最佳掺量较少，并且三者在低温性能方面差距较小，在水稳性能方面青川岩沥青混合料的TSR值仅比BRA小1.1%；此外，青川岩沥青混合料高温性能要明显优于TLA和BRA。因此可知青川岩沥青的应用前景更广。

[1] 黄文通，徐国元，刘宇，等.基于微观结构的北美岩沥青改性机理研究[J].功能材料，2015，12(46)：12082-12086.

[2] KOK B V，YILMAZ M，TURGUT P，et al.Evaluation of the mechanical properties of natural asphalt-modified hot mixture[J].International Journal of Materials Research，2012，103(4)：506-512.

[3] 周富强，周必功，李保国，等.岩沥青改性沥青应用研究[J].公路，2006(12)：140-142.

[4] 沈金安.特立尼达湖沥青及其应用前景[J].国外公路，2000，20(2)：28-31.

[5] LU Zhaofeng，HE Zhaoyi，QIN Min.Pavement performance of asphalt mixture modified by rock asphalt[J].Journal of Central South University(Science and Technology)，2010，41(6)：2407-2411.

[6] 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)：740-744.

[7] SEBAALY P E，LAKE A，EPPS J.Evaluation of low-temperature properties of HMA mixtures[J].Journal of Transportation Engineering，2002，128(6)：578-586.

[8] 张争奇，姚晓光，罗要飞.间断级配纤维微表处路用性能[J].北京工业大学学报，2015，41(6)：890-898.

[9] 张争奇，姚晓光，李伟，等.环氧沥青混凝土柔韧性及路用性能研究[J].铁道科学与工程学报，2016，13(1)：74-81.

[10] 王福.特立尼达湖改性沥青路用性能及其应用[J].山西建筑 ，2003，29(6)：117-118.

[11] 查旭东，童恋.印尼布敦岩沥青改性沥青性能研究[J].长沙交通学院学报，2007，23(4)：28-32.

[12] 黄文通.北美岩沥青及其混合料特性研究[D].广州：华南理工大学，2014.

[13] 宋绍杰.岩沥青对沥青混合料路用性能的研究[D].重庆：重庆交通大学，2010.

1008-844X(2016)04-0044-05

U 414

A