基于BRA岩沥青与聚酯纤维复合改性技术宽温域沥青混合料性能研究

袁景翔, 田淞铭

(1.重庆广播电视大学, 重庆 400052; 2.中建四局 第三建筑工程有限公司， 贵州 遵义 563003)

基于BRA岩沥青与聚酯纤维复合改性技术宽温域沥青混合料性能研究

袁景翔1, 田淞铭2

(1.重庆广播电视大学, 重庆 400052; 2.中建四局 第三建筑工程有限公司， 贵州 遵义 563003)

为了解决重载交通宽温域沥青混凝土路面车辙、低温开裂和抗疲劳开裂病害突出的问题，将BRA岩沥青和聚酯纤维按照不同比例掺入沥青混合料配制宽温域沥青混合料，利用聚酯纤维与BRA各自的路用性能改善效果侧重点来对沥青混合料起到综合改性的作用，系统评价了复合改性沥青混合料的路用性能。试验结果表明，BRA与聚酯纤维复配可大幅度改善BRA岩沥青以及聚酯纤维改性沥青混合料的综合路用性能，干法工艺掺加BRA与聚酯改性剂后，复合沥青混合料兼具优良的高低温性能，相比SBS改性沥青混合料，高温性能提升45%，低温性能提升幅度高达82%，4%聚酯+8%BRA、3%聚酯+8%BRA、3%聚酯+10%BRA共3种复合改性方案下的抗疲劳性能优于SBS改性沥青混合料，推荐适用于重载交通的沥青混合料中聚酯纤维掺配比例为3%～4%，BRA掺量为8%～10%。工程实践表明，布敦岩沥青与聚酯纤维复合改性沥青混合料能够改善沥青路面的综合路用性能，可替代SBS改性沥青。

道路工程； 布顿岩沥青； 聚酯纤维； 复合改性沥青混合料； 路用性能

0 引言

我国南北气候条件差异较大，大部分地区存在冬季寒冷漫长，夏季高温多雨等鲜明特点，加之近年来极端高低温天气频发，路面通常要经历-40～70 ℃的温差变化，导致沥青路面车辙病害，早期车辙、开裂问题尤为突出，这不仅影响到形成安全性和路面的耐久性，也造成了巨大的经济损失[1,2]。为了解决公路超载、重载严重造成的沥青路面早期损害问题，采取有效的路面结构组合方案和采用高强、耐久的沥青混凝土是提高重载交通沥青路面使用寿命的关键，国内外学者研究表明，在行车荷载作用下沥青路面结构层内最大剪应力出现在5～7 cm部分，沥青路面车辙主要发生在路面结构的中下面层，在沥青路面中下面层采用抗车辙剂、高模量剂或岩沥青对提高路面的抗高温永久变形能力有显著成效。为了改善沥青路面的高温性能，近年来天然沥青在国内许多新建沥青路面、路面加铺改造工程和预防性养护中都有大量应用，天然沥青改性沥青及其混合料性能一直是道路工作者和科研人员关注的热点。湖南大学曾梦澜等研究了欧洲岩沥青改性沥青的针入度性能指标，结果表明[3]，掺加岩沥青可改善沥青的高温性能、温度敏感性和抗老化性能，但会降低沥青的延度。重庆交通大学陆兆峰等研究了国产青川岩沥青改性沥青混合料的高低温性能、水稳定性，结果表明[4]，添加青川岩沥青后沥青混合料的高温性能和水稳定性提高，而低温性能降低，推荐了适宜的青川岩沥青掺量为8%(沥青混合料质量百分比)。华南理工大学黄文通研究了北美岩沥青对70号基质沥青的改性效果，结果表明[5]，掺加岩沥青可改善沥青的高温性能、劲度模量和抗疲劳性能，但对沥青的低温性能改善不明显或有不利影响。同济大学郭忠印等研究了BRA改性沥青混合料的配合比设计及路用性能，结果表明[6]，BRA岩沥青使用与高温地区，在低温地区限制使用。长安大学朱阿峰等研究了布顿岩沥青改性沥青混合料的路用性能，布顿岩沥青可显著改善沥青混合料的长期性能和抗疲劳性能[7]。交通运输部曹东伟等研究了天然沥青对石油沥青的改性机理，结果表明掺加天然沥青显著改善了沥青混合料的水稳定性[8]。东南大学倪富健等研究了特立尼达胡沥青改性沥青混合料的路用性能，研究表明[9]湖沥青改性沥青软化点高、抗老化能力强，能大幅度提高沥青混合料抗车辙性能，同时显著改善沥青混合料抗水损害性能。总结已有研究成果可发现，相比SBS改性沥青混合料，BRA改性沥青混合料存在低温性能较差的缺点，导致沥青路面过早的出现开裂等病害。目前国内外关于岩沥青和纤维改性剂方面的研究多局限于单一改性，或采用复合纤维改性方案[7-9]，鲜见岩沥青与聚酯纤维复合改性方面的研究报道，且较少涉及将岩沥青与聚酯纤维复配后用于重交道路，为了综合解决我国城市道路和高速公路重载交融沥青混凝土面层存在的高温稳定性、低温抗裂性等问题，本文将布顿岩沥青(BRA)和聚酯纤维按照不同比例进行复配，并同时掺入沥青混合料配制宽温域沥青混合料，利用聚酯与BRA各自的路用性能改善效果侧重点来对沥青混合料起到综合改性的作用。

1 原材料性能

试验研究过程中选用实体工程中采用的Shell70A级重交道路石油沥青，对照组沥青采用我国北方常用的I — C SBS改性沥青(SBS掺量为4.5%)，沥青各项技术性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40 — 2004)技术指标要求。大量研究和工程实践表明，聚酯纤维可以很好地吸附沥青，减少沥青路面的析漏和泛油现象，纤维的加筋作用、界面增强作用可显著地改善沥青混合料的低温性能和抗疲劳耐久性。根据不同纤维对沥青混合料路用性能改善侧重点不同，经路用性能和经济性对比试验采用实体工程中采用的聚酯纤维，参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40 — 2004)和《沥青路面用聚酯纤维国家标准》(JT — T533 — 2004)对聚酯纤维的技术性能进行了检验，结果如表1所示。试验采用印尼生产的BRA岩沥青，布顿岩沥青试验技术性能检测结果见表2。在试验研究过程中所选用的粗集料选用玄武岩碎石，细集料采用石灰岩机制砂，集料各项技术指标均满足规范要求。

表1 聚酯纤维性能指标测试结果Table1 Ligninfibertechnologytestingresults检测项目长度/mm断裂伸长率/%密度/(g·cm-3)试验结果2～4 347138技术要求≤6≥15 吸油率(纤维质量倍数)抗拉强度/MPa直径/mm含水率/% 438 550<01 14≥3 ≥350≤01≤3

表2 布顿岩沥青试验检测结果Table2 Butonrockasphalttestresults检测指标检测结果印尼国家标准沥青含量/%253≥18灰分含量/%748密度/(g·cm-3)181170～190含水量/%<1≤20闪点/℃≥230≥230回收沥青的软化点/℃94790～99

2 掺加BRA与纤维的宽温域沥青混合料配合比设计

2.1 纤维与BRA掺配比例

参考工程中SMA混合料常用的3%纤维掺量，该文初选的聚酯纤维掺量为2%、3%、4%，每组纤维掺量下变化4%、6%、8%、10%共4种BRA掺量，利用BRA和聚酯各自的路用性能改善效果侧重点来对沥青混合料起到综合改性的作用。

2.2 确定混合料级配及最佳油石比

室内试验采用实体工程中选用的AC — 13C矿料级配，选用的级配曲线走向由下往上穿越级配中值的“S”型曲线，合成级配见图1。

图1 AC — 13C合成级配Figure 1 AC — 13C Synthesis gradation

按照现行施工规范JTG F40 — 2004“马歇尔法”确定聚酯纤维BRA改性沥青混合料的最佳油石比。试验时聚酯纤维与布顿岩沥青(BRA)的掺加方式均采用“干法”改性工艺，BRA岩沥青对沥青混合料增粘、改性作用主要发生在混合料拌合过程中，集料的加热温度、混合料拌合温度以及混合料拌合时间对岩沥青改性效果的发挥起着决定性作用[10,11]，确定集料加热温度为195～200 ℃，BRA与集料的干拌时间为90 s，混合料拌合时先将预定质量的聚酯纤维、BRA岩沥青和集料一起干拌90 s，使BRA在矿料中充分融化、分散均匀，肉眼观察聚酯纤维的分散情况，无明显接团，待其分散均匀后再加入基质沥青，拌合60 s，最后加入矿粉，拌合60 s，总拌合时间为3.5 min。试验过程中“干法”工艺的温度控制如表3所示，马歇尔试验结果见表4。

表3 聚酯纤维/BRA改性沥青混合料马歇尔试验温度控制Table3 Polyesterfiber/BRAmodifiedasphaltmixturemarshalltesttemperaturecontro试验工序控制标准/℃集料加热温度190～200基质沥青加热温度155～160沥青混合料拌合温度165～170试件击实温度165

表4 马歇尔试验结果Table4 Marshalltestresults聚酯纤维/%BRA掺量/%沥青用量/%矿料间隙率/%空隙率/%沥青饱和度/%马歇尔稳定度/kN0045114684073561015454214774074441106265291487407451114085121472407454118210493146740748712044563147640746012133654314984074631223852614574074671245105131498407472126745741476407487125146551146740740112298533144840744612461052114824074511269SBS改性沥青47714664073901254

表4马歇尔试验结果表明: ①相比基质沥青混合料，掺加纤维/BRA岩沥青复合改性沥青混合料的最佳沥青用量可增大0.5%～1.0%，相同BRA掺量情况下，随着纤维掺量增大，复合改性沥青混合料最佳沥青用量增大，这主要与纤维的吸油特性有关，而相同纤维掺量情况下，随着BRA掺量增大，复合改性沥青混合料最佳油石比减小，这主要与BRA中含有25.3%沥青，在加热、搅拌后析出沥青有关。②相比SBS改性沥青混合料，聚酯纤维/BRA岩沥青复合改性沥青混合料的各项体积指标与力学性能均与SBS改性沥青混合料差别不大。

3 聚酯纤维/BRA岩沥青复合改性沥青混合料路用性能

3.1 高温稳定性

采用车辙试验评价BRA与聚酯纤维复合改性沥青混合料的高温稳定性，为了针对我国部分地区夏季高温持续时间长，特增加了70 ℃车辙试验。车辙试验试件制备和试验加载方式严格按照JTG E20—2011的要求执行，轮压为0.7±0.05 MPa，行走速度为42±1次/min，试验轮的行走方向要与成型车辙板时的碾压方向一致，车辙试验结果见表5。

表5 车辙试验结果Table5 Ruttingtestresults聚酯纤维/%BRA掺量/%车辙试验动稳定度/(次·mm-1)60℃70℃衰减率/%001844 63265730208410094460837622467344429891717425263592281234584456292034510492930973454318419763793641943621303853193712302105471381730243587290546846561840262838576141192851059004209287SBS改性沥青48962250397

车辙试验结果表明: ①相同聚酯纤维掺量情况下，60 ℃、70 ℃车辙试验动稳定度随BRA掺量的增大呈二次函数关系增大，3%纤维掺量，BRA掺量由4%增加到10%，车辙试验动稳定度分别增大了31.7%、67.1%、71.8%， BRA掺量对复合改性沥青混合料高温稳定性有显著的影响。此外，相同BRA掺量情况下，复合改性沥青混合料车辙试验动稳定度随着聚酯纤维掺量增大呈线性关系增大，但聚酯纤维对复合改性沥青混合料车辙试验动稳定度的改善效果没有BRA明显。②3%聚酯纤维掺量情况下，相比聚酯纤维改性沥青混合料，6%BRA掺量可使复合改性沥青混合料的DS提高35.8%，10%BRA掺量可使DS提高106.5%，BRA显著改善了复合改性沥青混合料的高温抗永久变形能力，以DS大于3000次/mm为控制指标，确保复合改性沥青混合料具有足够的抗永久变形能力，BRA掺量不宜小于6%； ③相同BRA掺量下，车辙试验动稳定度随聚酯纤维掺量的增大呈线性关系增大，聚酯纤维超过3%后车辙试验动稳定度增长区域平缓，相比普通沥青混合料，掺加聚酯纤维虽然对复合改性沥青混合料车辙试验动稳定度有一定影响，但其对混合料高温性能改善效果有限； ④采用复合改性方案，可以使沥青混合料的车辙试验动稳定度提高到3000次/mm以上，10% BRA与3%聚酯复合改性方案下的车辙试验结果可与4%SBS改性沥青混合料相媲美，掺加BRA岩沥青后，混合料的动稳定度有了大幅度的提高。这些数据充分说明了BRA添加剂能提高沥青混合料的抗永久变形能力，从而使高温稳定性得以改善。当试验温度从60 ℃上升到70 ℃时，添加BRA岩沥青后，其动稳定度衰减率大幅度降低，相比于SBS改性沥青，对于两种级配类型的沥青混合料而言，虽然掺加6%、8%、10%BRA的60 ℃动稳定度与SBS沥青混合料的动稳定度相当，但其动稳定度衰减率要明显低于SBS改性沥青，表明其温度敏感性更低。

3.2 低温抗裂性

采用小梁低温弯曲试验来研究BRA岩沥青/聚酯纤维复合改性沥青混合料的低温抗裂性能，测定混合料的破坏强度、破坏应变和破坏劲度模量，同时计算混合料的单位体积低温破坏能。试验方法严格按照JTG E20—2011执行，试验结果见表6。

表6 低温弯曲试验结果Table6 Lowtemperaturebendingtestresults聚酯纤维/%BRA掺量/%抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa单位破坏应变能/(kJ·m-3)3104327637327637324922443010352457562457392290224510992778．744032．4525．9625．45211．572900．614067．4628．2327．6811．842908．604152．8728．7028．1410．542798．123840．9226．9926．4611．393391．063427．0331．7631．14312．273506．993568．8732．9932．3412．363583．723518．5933．8133．1511．243475．303299．0632．6131．97 4 11．613443．733186．3032．414 6 11．973512．423224．3133．23 8 12．323653．683282．1134．4210 11．233456．253157．8232．14基质沥青混合料 93023441940476421404%SBS改性沥青混合料12．063435．873504．4432．30

低温弯曲试验结果表明： ①相同BRA掺量，随着聚酯纤维掺量的增大，复合改性沥青混合料抗弯拉强度增大，各BRA掺量下，弯拉伸应变随聚酯掺量的增大呈线性关系增大，对于单位体积破坏应变能也有类似变化趋势，可见增大聚酯掺量可提高复合改性沥青混合料的柔性，聚酯掺量大于3%后复合改性沥青混合料最大弯拉应变均大于3300 με，可见聚酯纤维对复合改性沥青混合料低温抗裂性贡献较为显著； ②相同聚酯掺量，随着BRA掺量增大，复合改性沥青混合料弯拉应变呈先增大后减小的变化趋势，可见低温抗裂性是制约BRA掺量增大的主要因素； ③相比4%SBS改性沥青混合料，采用BRA与聚酯纤维复合改性方案可达到甚至超过SBS改性沥青混合料，复合改性方案显著降低了沥青混合料的劲度模量，提高了混合料柔性，这主要与聚酯纤维增大了复合改性沥青混合料的柔韧性，而BRA增大了沥青混合料的抗弯拉强度和破坏强度有关。

3.3 水稳定性

采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验探讨了聚酯和BRA掺量对复合改性沥青混合料水稳定性的影响，试验方法严格参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的要求进行，试验结果见表7。

表7 水稳定性试验结果Table7 Waterstabilitytestresults聚酯纤维/%BRA掺量/%浸水马歇尔试验冻融劈裂试验MS/kNMS1/kNMS0/%RT1/MPaRT2/MPaTSR/%31071 9599139 10430906088886801091 9598956 10980969095088311．28 9．8989．66 1．1321．0120．99289．4311．6310．4091．09 1．1341．0301．01090．812．0610．6189．35 1．1521．0040．98487．212．2810．5187．52 1．1541．0371．01789．912．3711．0290．68 1．1621．0261．00688．3412．4711．3292．31 1．2031．0811．06089．912．7011．3291．19 1．2401．1641．14193．812．9211．4290．27 1．2891．2271．20395．212．7611．5392．51 1．3051．2111．18792．8512．5411．7395．17 1．3171．1501．12787．312．7112．0496．29 1．3351．2071．18390．412．9412．4498．23 1．3371．2531．22893．7基质沥青混合料 989 796828 099808018034%SBS改性12．3011．4295．061．2251．11490．9

浸水马歇尔、冻融劈裂试验结果表明，所有BRA/聚酯纤维复配方案改性沥青混合料的浸水马歇尔残留强度比和冻融劈裂强度均可达到85%以上，满足规范要求。BRA/聚酯纤维复配方案改性沥青混合料具有优良的抗水损害能力，这与已有研究成果相吻合。分析其原因，BRA岩沥青中所含矿物质粉末经过多年天然沥青浸润，具有很强的表面活性，表现出极强的憎水性、亲油性，可以有效的提高沥青与集料之间的粘附性，从而提高了沥青混合料的抗水损害能力，此外纤维的吸附稳定作用和界面增强作用可改善沥青砂浆与集料之间的粘附性。

4 聚酯纤维/BRA岩沥青复合改性沥青混合料抗疲劳耐久性

目前评价沥青混合料疲劳性能的试验方法有简支梁法、四点弯曲法、拉压法和三轴压力法等，加载方式有控制应力和控制应变两种形式[12-15]，每种疲劳试验方法都有其优缺点，其中四点弯曲控制应变疲劳试验方法过程中沥青混合料的受力状态更接近沥青路面的实际情况，沥青层底拉应变也是计算路面结构厚度的重要控制指标之一，且试验方法可操作性强，对沥青结合料敏感性强。本部分疲劳试验采用中四分点加载弯曲试验法，加载模式为应变控制方式，按照现行沥青及沥青混合料试验规程JTG E20 — 2011中的要求成型大车辙板试件，室温放置48 h后切割尺寸为400 mm×300 mm×80 mm小梁试件，在UTM疲劳试验机上采用三点加载方式，试验选用200、300、400、500 με，共4个应变水平，试验温度为15 ℃，试验结果见表8。

试验结果表明: 相比基质沥青混合料，掺加纤维和BRA后混合料疲劳性能显著提高，相同应变水平下的疲劳寿命至少增大为150%。BRA/聚酯纤维复合改性沥青混合料的抗疲劳性能优于单一纤维、BRA改性沥青及SBS改性沥青混合料，且BRA/聚酯纤维复合改性沥青混合料对应变水平变化的敏感程度相对较低。综合考虑K、n值的变化规律，4%聚酯+8%BRA、3%聚酯+8%BRA、3%聚酯+10%BRA共3种复合改性方案下的抗疲劳性能优于SBS改性沥青混合料，聚酯纤维与BRA复合改性剂可作提高沥青混合料疲劳性能的添加剂使用。

表8 疲劳试验拟合结果Table8 Fatiguetestfittingresults聚酯纤维掺量/%BRA掺量/%拟合方程：Nf=K(1ε0)n相关系数R230Nf=55693×106×(1ε0)43098098608Nf=55509×106×(1ε0)43264097928Nf=56093×106×(1ε0)4279909946Nf=56758×106×(1ε0)42703096938Nf=56902×106×(1ε0)42494099710Nf=56890×106×(1ε0)42487097548Nf=56609×106×(1ε0)425540987基质沥青混合料Nf=54108×106×(1ε0)4429109934%SBS改性沥青混合料Nf=56423×106×(1ε0)426570996

5 试验路铺筑

本课题结合2013年重庆万开高速公路改扩建工程，修筑时间为2009年9月份，考虑南半幅运送货物的重车多一些，路面采用聚酯纤维/BRA岩沥青改性铺筑了试验路段,试验段采用AC — 13C改性沥青混凝土，厚度为4 cm,中面层采用6 cmAC — 20 聚酯纤维/BRA岩沥青改性沥青混合料，铺设长度2 km。工程实践证明，采用聚酯纤维和BRA岩沥青复合改性沥青混合料的生产不需要对传统的拌合楼进行改造，仅需要增加聚酯纤维、BRA岩沥青与集料的干拌时间，相比SBS改性沥青混合料每t复合改性沥青混合料可节省工程造价46元，经济效益较好(见图2)，现场检测压实度、平整度等各项指标均符合设计要求，通过长达6 a的试验路检测，聚酯纤维/BRA岩沥青路段的路况均较好，SBS改性沥青路段出现的车辙要比岩沥青改性沥青路段深，一定程度上证明了岩沥青有良好的抗车辙能力。

图2 BRA与SBS改性沥青混合料成本对比Figure 2 The cost comparison of the polyester fiber and BRA composite modified asphalt SBS modified asphalt mixture

6 结论

研究了BRA与聚酯纤维掺量对重载交通沥青混合料路用性能的影响，室内试验和实体工程实践表明：相同聚酯纤维掺量条件下，车辙试验动稳定度随BRA掺量的增大呈二次函数关系增大，采用聚酯与BRA复合改性方案，可显著改善沥青混合料的高温稳定性，10% BRA+3%聚酯纤维复合改性方案下的车辙试验结果可与4%SBS改性沥青混合料相媲美。相同BRA掺量，随着聚酯纤维掺量的增大，复合改性沥青混合料抗弯拉强度增大，聚酯掺量大于3%后复合改性沥青混合料最大弯拉应变均大于3300 με，聚酯纤维对复合改性沥青混合料低温抗裂性贡献较为显著。采用BRA与聚酯纤维复合改性方案可达到甚至超过SBS改性沥青的低温抗裂性。采用聚酯与BRA复配方案可显著改善沥青混合料的抗疲劳耐久性，4%聚酯+8%BRA、3%聚酯+8%BRA、3%聚酯+10%BRA共3种复合改性方案下的抗疲劳性能优于SBS改性沥青混合料。综合考虑BRA和聚酯纤维掺量对沥青混合料高低温性能、水稳定性和抗疲劳耐久性的影响，结合工程的经济性，推荐复合改性沥青适宜的聚酯纤维掺配比例为3%～4%，BRA掺量为8%～10%。

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Study on Road Performance of Asphalt Mixture in Wide Temperature Range Based on BRA and Fiber Composite Modified Technology

YUAN Jingxiang1, TIAN Songming2

(1.Chongqing Radio and Television University, Chongqing 400052, China; 2.CCFED the Third Construction & Engineering Co.,Zunyi, Guizhou 563003, China)

To solve the heavy traffic asphalt pavement rutting wide operating temperature range, low temperature cracking and fatigue cracking Disease outstanding issues, the BRA rock asphalt and polyester fibers in different proportions incorporated asphalt mixture formulated wide operating temperature range of asphalt mixture, the use of polyester fiber and BRA their road performance improvement effect to focus on the modified asphalt mixture has played the role of a comprehensive, systematic review of the composite modified asphalt pavement performance. The results showed that, BRA and Polyester compound can greatly improve BRA rock asphalt and integrated way polyester fiber modified asphalt mixture performance, dry process after mixing with the polyester BRA modifier, asphalt mixing compound material both excellent high temperature performance, compared to SBS modified asphalt mixture, 45% of high-temperature performance, low temperature performance increase of up to 82%, 4% polyester + 8% BRA, 3% polyester + 8% BRA,3% polyester + 10% BRA three anti-fatigue properties of composite modified under the program better than SBS modified asphalt mixture, recommended for heavy traffic asphalt mixture of polyester fibers mixed with a ratio of 3%～4%, BRA content of 8% to 10%.Engineering practice shows, Buton rock asphalt polyester fiber composite modified asphalt mixture can improve the overall road asphalt pavement performance and can replace SBS modified asphalt.

road engineering； burton rock asphalt； polyester fiber； Composite modified asphalt mixture； road performance

2016 — 09 — 05

重庆市交通科技项目(2013JT02019)

袁景翔(1963-)，男，重庆人，高级工程师，研究方向：建筑施工及建设管理。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0276 — 07