布敦岩沥青改性AC-20C在高速公路中面层的应用

胡 琦， 张 迅， 任 毅

(湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

0 引言

布敦岩沥青(BRA)是一种天然岩沥青，产于印度尼西亚布敦岛。其主要由古生代石油渗透到岩层中，经长期海底沉积、承受压力和地质变动，逐渐形成沥青岩，外观呈深褐色，经开采破碎后呈微细颗粒粉末状，沥青含量约为20%～30%，其余为石灰岩矿物质。近年来，国内外诸多科研工作者及工程技术人员对BRA进行了改性机理和路用性能方面的研究。李瑞霞等[1]通过采用X射线衍射分析、SEM分析、红外光谱(IR)分析等技术手段对BRA改性机理进行研究，发现BRA颗粒与沥青形成了两相连续结构，BRA加至基质沥青中为物理混溶过程，经BRA改性后沥青质热裂解难度增大。查旭东等[2]通过不同掺量BRA改性沥青性能试验研究，证实布敦岩沥青掺入可有效提升改性沥青的高低温性能、感温性能、抗老化性能及抗变形性能等，并提出了BRA掺量建议。刘树堂等[3]通过电子探针对BRA组成元素和BRA中纯沥青质的化学组分分析表明，BRA中沥青质含量为普通石油沥青的5～10倍，这是BRA改性沥青改善沥青混合料高温性能的主要原因。黄文通等[4]通过基质沥青、不同掺量的BRA改性沥青、SBS改性沥青混合料性能对比试验，揭示了通过BRA改性可提高混合料高温稳定性、水稳定性，并能改善混合料的低温抗裂性，但实际应用中BRA掺量不宜超过25%。

本文依托湖南省湘西地区某新建高速公路，依据设计文件对BRA改性AC-20C中面层进行了材料检测和配合比设计，研究了其路用性能，并与同级配的SBS改性沥青AC-20C混合料路用性能进行了对比分析。

1 原材料

1.1 布敦岩沥青(BRA)

依据相关试验规程[5]要求，对BRA进行抽提筛分等性能测试，检验结果满足技术要求，检验结果及技术要求见表1。

表1 BRA主要技术指标类别沥青含量/%灰分/%含水率/%岩沥青中不溶物25 ℃相对密度通过方孔筛(mm)的质量百分率/%2.361.180.60.30.150.075检验结果26.049.41.12.29010097.593.086.474.860.1技术要求实测≤80≤2实测——————

1.2 基质沥青

基质沥青采用中石油金陵分公司A — 70道路石油沥青，检验结果均满足设计要求，主要技术指标如表2。

表2 A-70基质沥青主要技术指标类别25 ℃针入度/0.1 mm针入度指数PI10 ℃延度/cm15 ℃延度/cm软化点/℃60 ℃动力粘度/(Pa·s)闪点/℃含蜡量(蒸馏法)/%溶解度(三氯乙烯)/%TFOT试验后质量变化/%针入度比/%10 ℃延度/cm检验结果72-0.96>100>10047.0187.12641.899.89-0.240 63.9 11技术要求60～80-1.5～+1.0≥15 ≥100≥46≥180≥260≤2.2≥99.5-0.8～+0.8≥61 ≥6

1.3 集料

集料(不包含BRA集料)采用吉首某石场石灰石，其规格分别为9.5～19 mm(1#)、4.75～9.5 mm(2#)、2.36～4.75 mm(3#)和0～2.36 mm(4#)，依据相关试验规程[6]，粗、细集料检验结果均符合技术要求，主要技术指标及筛分结果如表3和表4。

表3 粗、细集料主要技术指标类别压碎值/%洛杉矶磨耗损失/%粗集料细集料表观相对密度吸水率针片状颗粒含量/%软石含量/%表观相对密度砂当量/%1#2#3#1#2#3#1#2#1#2#4#4#检验结果21.322.22.7472.7432.7460.370.550.509.214.80.71.82.72080技术要求≤26≤28≥2.6≤2.0〛≤10≤15 ≤2.0≥2.6≥60

表4 新集料筛分试验结果集料通过下列方孔筛(mm)的质量百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.0751#10085.460.338.54.90.50.50.50.50.50.50.42#10010010010098.94.31.11.11.11.11.10.93#10010010010010096.422.86.92.31.6 1.4 1.24#100100100 10010010075.650.821.711.47.85.6矿粉10010010010010010010010010099.999.687.0

2 沥青混合料配合比设计

2.1 目标配合比设计

根据相关研究[2]，BRA中矿物质可以代替等量矿粉，结合湖南湘西地区高温多雨天气，设计文件规定中面层矿料级配采用AC-20C密级配，BRA掺量为3%(BRA中矿物质含量占沥青混合料中矿料部分总质量的比值)，各档矿料掺配比例为m(1#)∶m(2#)∶m(3#)∶m(4#)∶mBRA∶m矿粉=50∶18∶4∶23∶3∶2，矿料合成级配及级配范围见表5。

表5 AC-20C矿料合成级配类别通过下列方孔筛(mm)的质量百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075合成级配10092.780.269.352.332.923.717.310.37.76.55.2级配范围10090～ 10074～ 8662～ 7644～ 5826～ 3819～ 2913～ 2110～167～125～93～7

按照相关规范[7]，BRA改性AC-20C和同等级配条件下SBS改性沥青AC-20C目标配合比设计最佳油石比分别为4.3%和4.4%。

2.2 生产配合比设计

原材料经沥青拌合楼二次筛分之后，级配发生改变，且现场拌合楼拌和效果与室内拌和存在较大差异，而矿料级配是影响混合料性能的关键指标之一。依据目标配合比确定的最佳油石比，结合矿料经热料仓二次筛分的检验结果，原则上生产配合比设计矿料级配与目标配合比级配关键筛孔通过质量百分率尽量保持一致。经二次筛分之后矿料规格分别为17～24 mm(5#)、12～17 mm(4#)、7～12 mm(3#)、4～7 mm(2#)和0～4 mm(1#)，其筛分结果及矿料合成级配见表6。

结合马歇尔试验数据和相关计算，确定BRA改性AC-20C和同等级配条件下SBS改性沥青AC-20C生产配合比最佳油石比分别为4.3%和4.4%。

表6 各集集料比例及合成级配类别比例/%通过下列方孔筛(mm)的质量百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.0755#2410070.516.92.20.80.40.40.40.40.40.40.34#1810010098.661.30.90.30.30.30.30.30.30.33#2010010010010070.00.50.40.40.40.40.40.32#810010010010099.330.50.60.60.60.60.60.51#2610010010010010099.988.160.038.214.67.04.1矿粉110010010010010010010010010099.798.186.7BRA310010010010010010010010095.692.480.667.3合成级配 10092.979.869.652.332.727.219.914.17.85.54.2目标级配 10092.780.269.352.332.923.717.310.37.76.55.2

2.3 生产配合比验证

按照生产配合比设计确定的最佳油石比，分别对BRA改性AC-20C和SBS改性沥青AC-20C混合料矿料级配适用性和油石比的准确性加以验证，检验结果均符合技术要求，马歇尔试验结果见表7。

表7 马歇尔试验结果类别最大理论相对密度试件毛体积相对密度试件空隙率VV/%矿料间隙率VMA/%沥青饱和度VFA/%稳定度MS/kN流值FL/mmBRA改性AC-20C2.5422.4414.013.069.413.682.5SBS改性沥青AC-20C2.5532.4504.013.169.514.103.0技术要求—实测3～5—65～75≥8.01.5～5.0 注: 矿料间隙率(VMA)的最小值要求应根据规范[7]表5.3.3-1和表5.3.3-2内插得到。

3 布敦岩改性AC-20C混合料路用性能对比分析

3.1 水稳定性

沥青路面水稳定性指沥青路面抵抗受雨水侵蚀逐渐产生沥青膜剥离、掉粒、松散、坑槽而破坏的能力，水损病害通过破坏沥青与骨料间的粘结力，最终导致沥青路面出现早期破坏。沥青与骨料间胶结力越好，沥青路面抗水损能力越强，则水稳定性越好。抗水损能力是沥青混合料基本路用性能指标[8]。

本文主要通过残留稳定度和冻融劈裂强度比(TSR)两大指标来评价沥青混合料的水稳定性。BRA改性AC-20C与SBS改性沥青AC-20C沥青混合料水稳定性评价试验结果分别见表8和表9。

表8 浸水马歇尔试验结果混合料类型浸水马歇尔稳定度//kN标准马歇尔稳定度/kN残留稳定度/%技术要求/%BRA改性AC-20C12.3613.6890.4≥85SBS改性沥青AC-20C12.4114.1088.1

表9 冻融劈裂试验结果混合料类型未冻融劈裂强度/MPa冻融劈裂强度/MPaTSR/%技术要求/%BRA改性AC-20C1.0510.91787.2≥80SBS改性沥青AC-20C1.0110.86385.4

从表8和表9可以看出，BRA改性AC-20C和SBS改性沥青AC-20C混合料残留稳定度和冻融劈裂强度比(TSR)均满足技术要求，且BRA改性AC-20C混合料水稳定性优于SBS改性沥青AC-20C沥青混合料[9]。

3.2 高温稳定性

高温稳定性主要指沥青混合料在高温条件下，经受行车荷载反复作用而可以继续维持结构和性能的稳定、抵抗永久变形的能力[4]。室内模拟主要通过成型沥青混合料车辙试件、开展60 ℃动稳定度试验进行，试验结果见表10。

表10 动稳定度试验结果混合料类型动稳定度DS/(次·mm-1)技术要求/(次·mm-1)BRA改性AC-20C6 023≥5 000SBS改性沥青AC-20C5 726

从表10可以看出，BRA改性AC-20C与SBS改性沥青AC-20C沥青混合料动稳定度均满足技术要求，且BRA改性AC-20C混合料动稳定度相较于SBS改性沥青AC-20C混合料提高5.2%，试验结果表明前者高温稳定性明显优于后者。

3.3 低温性能

沥青混合料的低温性能主要为低温条件下沥青混合料的极限拉伸应变和应力松弛性能。沥青混合料低温性能常采用小梁弯曲试验进行评价，即在-10 ℃温度条件下，通过加载50 mm/min的速率测定小梁试件抵抗弯曲破坏时的最大弯拉应变。低温弯曲试验结果见表11。

表11 低温弯曲试验结果混合料类型最大弯拉破坏应变με/10-6技术要求με/10-6BRA改性AC-20C2 512≥2 500SBS改性沥青AC-20C2 869

从表11可以看出，BRA改性AC-20C低温条件下最大弯拉破坏应变相较于SBS改性沥青AC-20C略低，但满足技术要求。而国内研究人员对于岩沥青可以提高沥青混合料低温性能一直持有不同意见[10]，岩沥青在国内外的工程应用表明，其在寒冷地区使用性能良好，因此BRA改性沥青混合料低温性能评价方法仍有待研究。

4 工程应用

通过对BRA改性AC-20C与SBS改性沥青AC-20C混合料路用性能的研究与对比分析发现，前者高温稳定性和水稳定性均明显优于后者，因此BRA可以作为改性添加剂应用于工程实际。本研究在湖南省某高速公路新建工程K0+713～K33+240双幅进行了6 cm厚BRA改性沥青AC-20C中面层摊铺施工。

BRA改性AC-20C混合料采用“干法”工艺进行拌和，BRA的添加采用独立螺旋送料装置和自动计量系统，并配备有振动筛和破碎装置，拌和流程见图1。

图1 BRA混合料拌和流程图

为保证BRA改性AC-20C混合料拌和具有良好的均匀性，设定干拌时间为10 s，湿拌时间为45 s，以保证BRA与基质沥青充分融合。BRA混合料的运输、施工工艺与SBS改性沥青混合料基本一致。通过对BRA改性AC-20C路面进行检测，路面各项性能均符合技术要求，通车4 a后未出现明显病害。

5 结语

1) BRA改性AC-20C混合料具有良好的路用性能，其高温稳定性、水稳定性、低温性能均满足改性沥青混合料技术要求。

2) 基于BRA改性AC-20C混合料路用性能研究，表明适当掺量的BRA对沥青混合料有良好的改性效果，可作为一种改性材料用于沥青路面。

3) 经与SBS改性沥青混合料对比分析，BRA用于基质沥青改性具有良好的推广价值。

4) 基质沥青掺BRA改性AC-20C混合料高温稳定性和水稳定性能良好，适宜高温多雨地带，对于严寒及低温地区采用BRA改性需进一步研究其低温性能。