高灰分BRA改性高强中上面层沥青混合料配比及性能研究

万爱国

摘 要：为提高沥青路面中上面层的高温抗变形能力，采用高灰分BRA改性的BRSMA-13沥青混合料进行级配设计，验证混合料的体积指标;与常规SMA-13进行对比，研究了高灰分BRA改性沥青混合料的路用性能。结果表明：高灰分BRA的掺入，可使沥青混合料的水稳定性得到提升，但提升效果并不明显;而低温抗裂性有所降低，但满足规范要求。当高灰分BRA质量分数为4%时，能保证其低温条件下的抗开裂性能;与SMA-13相比，BRSMA-13沥青混合料采用70 ℃车辙试验得到的动稳定度提高约103%，60 ℃的劈裂强度提升比例高达91%以上，表明高灰分BRA可有效提高沥青混合料的高温抗变形能力。

关键词：高灰分BRA;高强中上面层;配和比设计;路用性能;抗变形能力

中图分类号：U414       文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2022）02-0129-05

车辙是高温季节沥青路面上常见的病害形式，如何提高沥青路面中上面层的抗高温变形能力一直是学者们是重点关注的问题[1-3]。近年来高模量沥青改性剂及苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性剂的应用使沥青混合料的抗車辙能力得到良好的改善，但由于改性沥青混合料制备工艺难度大，存贮运输过程中易离析等缺点，限制了其大范围的推广使用[4-5]。

印尼布敦岩沥青（BRA）是一种性能良好的天然沥青，由于BRA的组成成分中含有沥青，使得BRA与道路石油沥青之间具有更好的配伍性和相容性[6-8]，因此常以BRA作为改性剂进行应用。有学者对BRA和SBS改性的沥青混合料性能分别进行了研究，表明BRA对混合料的抗疲劳性能改善效果较好[9];结合实际工程研究表明，沥青混合料掺入BRA后，其路用性能的各项指标均得到了明显的提升，具有施工简便，碾压温度易控制的优点[10];研究发现经过BRA改性后的沥青混合料模量、刚度都明显增大，疲劳性能显著提升，具有更优的高温抗车辙变形能力[11-12]。

本文以灰分质量分数为75%的高灰分BRA作为改性剂制备了BRSMA-13沥青混合料，对BRSMA-13沥青混合料的路用性能进行了全面系统的研究。以期更进一步为高灰分BRA的推广应用提供参考依据和理论基础。

1 原材料及BRA改性沥青混合料制备

1.1 原材料

1.1.1 SBS改性沥青

试验选用质量分数为4%的SBS改性沥青，并依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）对其主要技术指标进行了检测，具体检测结果如表1所示。

1.1.2 高灰分岩沥青BRA

试验选用灰分质量分数约为75%的印尼高灰分岩沥青BRA，依据印尼国家规范要求对BRA进行了筛分，并对BRA中沥青含量、密度和含水率等主要技术指标进行测试，具体测试结果如表2、表3所示。

1.1.3 集料及矿粉

分别选用玄武岩集料和石灰岩矿粉，并对其主要技术性能指标进行测试，测试结果均满足要求。

1.2 BRSMA-13沥青混合料制备

试验选用“干法”进行BRSMA-13沥青混合料的制备，其具体制备方法是先将BRA和集料在拌和锅中拌和60 s，随后将SBS改性沥青掺入后再拌和90 s，最后加入矿粉拌和60 s即可。拌和好的沥青混合料应无花白料、无离析等现象。

2 BRSMA-13沥青混合料配合比设计

2.1 BRSMA-13配合比设计

BRSMA-13沥青混合料的配合比及相关体积指标参照SMA-13沥青混合料的进行确定。试验中制备的高强中上面层沥青混合料BRSMA-13中BRA料的掺量为集料总量的4%。

考虑到BRA料中含有一定量的沥青，在BRSMA-13配比设计时初选油石比为5.0%。采用集料1∶集料2∶集料3∶矿粉的质量配比为43∶31∶18∶8成型马歇尔试件。经过试验最终确定BRSMA-13沥青混合料的级配组成情况如表4所示。

2.2 BRSMA-13体积指标验证

表5为马歇尔试验测试结果。

由表5可以看出，随着油石比的增加BRSMA-13沥青混合料的空隙率逐渐减小，而稳定度先增大后减小，因此取换算总油石比为5%，其中SBS改性沥青新掺入的油石比为4.0%。

采用析漏试验对根据马歇尔设计法确定的BRSMA-13沥青混合料的沥青用量是否合理进行验证，析漏试验测试结果如表6所示。

由表6可知BRSMA-13的平均值为0.05%，小于规范值0.1%，满足沥青用量的要求。

3 BRSMA-13沥青混合料路用性能研究

3.1 水稳定性研究

图1为不同沥青混合料的马歇尔浸水残留稳定度比和冻融劈裂抗拉强度比结果。

由图1可知，与SMA-13沥青混合料相比，BRSMA-13沥青混合料的浸水残留稳定度比和冻融劈裂抗拉强度比均有提高，分别提高了6.7%和7.9%，表明高灰分BRA的掺入可使沥青混合料的水稳定性得到提升，但提升效果不太显著。

3.2 高温稳定性研究

不同试验温度条件下混合料的车辙测试结果见图2所示。

由图2可知，BRSMA-13在标准车辙测试温度下混合料的动稳定度可高达12 000 次/mm，该试验存在测试时间较长，测试结果偏大的问题。因此，依据规范将其温度提高到70 ℃，且其余参数保持不变的情况下进行高温车辙试验。由图2还可知，BRSMA-13沥青混合料在70 ℃车辙试验下的动稳定度约为7 500 次/mm，比SMA-13的动稳定度提高约103%。表明高灰分BRA的掺入使混合料的高温性能得到了显著的提升，在高温炎热环境下具有良好的抗车辙变形能力。gzslib202204012315

根據常规沥青混合料劈裂试验规范，本研究结合实际情况，采用50 ℃和60 ℃的试验温度对SMA-13和BRSMA-13沥青混合料分别进行高温劈裂试验，结果如图3所示。

由图3不同沥青混合料的高温劈裂强度试验结果可知，与SMA-13混合料相比，BRSMA-13在50 ℃试验条件下的劈裂强度提高约57%;而60 ℃的劈裂强度提升更为显著，提升比例高达91%以上。结果表明：经过添加高灰分BRA改性的BRSMA-13沥青混合料的高温强度得到大幅提升，使得路面中上面层呈现出更好的高温高强的特性。

本研究选用UTM＼|30万能试验机，对SMA-13和BRSMA-13沥青混合料分别进行加载频率为0.1、0.5、1、5、10和25 Hz的单轴压缩动态模量试验，结果如表7所示。

从表7沥青混合料的动态模量试验结果可以看出，当试验温度相同时，SMA-13和BRSMA-13的动态模量随着加载频率的增大而增加，且同温同频下BRSMA-13的动态模量要远高于SMA-13的动态模量;当加载频率相同时，SMA-13和BRSMA-13的动态模量随着试验温度的增高而减小，与SMA-13相比，BRSMA-13在高温条件下仍具有较高的动态模量。

本研究利用时温等效原理（WLF），采用公式（见下式）计算平移系数αt，最终获取混合料的动态模量主曲线。

αt=expδ× hR1T+273-1T0+273

式中：δ× h为材料活化能，J/mol;R为气体普适常数，8.314 J/（mol·K）;T、T0分别为试验温度和参考温度，℃。

本试验中取参考温度为35 ℃，根据上式将不同温度下测得的沥青混合料的动态模量都平移到参考温度下，最终得到SMA-13和BRSMA-13沥青混合料分别在参考温度下的动态模量主曲线，结果如图4所示。

由图4可知，BRSMA-13在同一加载频率下的动态模量要较高于SMA-13的动态模量，特别是在高温高频条件下，BRSMA-13的动态模量相比SMA-13提高约58%，表明高灰分BRA的掺入使得沥青混合料的高温力学特性得到了明显的改善。

3.3 低温抗裂性研究

图5为低温小梁弯曲试验结果。

从图5中可以看出，BRSMA - 13沥青混合料的抗弯强度与SMA - 13的相差不多，而破坏应变略低于SMA - 13，其破坏应变为2 661με，且满足JTG E20—2011规范要求。这主要是由于高灰分BRA中含有一定量的硬质沥青和细小粒径的矿料，BRA的掺入使得沥青混合料中的硬质沥青和高灰分矿物成分的含量有所提高，在提高混合料高温强度的同时其低温抗变形能力有所减弱。但本研究中以高灰分BRA为4%的掺量制得的BRSMA-13沥青混合料的破坏应变满足规范，说明本研究掺入的高灰分BRA不仅可以使沥青混合料的高温性能得到提升，而且也可以保证其低温条件下的抗开裂性能。

4 结语

（1）采用马歇尔设计法对高灰分BRA改性的BRSMA-13沥青混合料进行配比设计，以及各组分掺配比例的确定，并选用马歇尔体积指标对配比进行了验证;

（2）高灰分BRA对沥青混合料的水稳定性有所改善，但改善效果并不显著。BRSMA - 13相比SMA - 13沥青混合料的浸水残留稳定度比和冻融劈裂抗拉强度比均有提高，分别提高了6.7%和7.9%;而低温抗裂性有所降低，但满足规范要求。高灰分BRA掺量为4%时能保证其低温条件下的抗开裂性能;

（3）通过高温性能评价指标可知，与SMA - 13相比，BRSMA - 13的动稳定度提高约103%，60 ℃的劈裂强度提升比例高达91%以上;表明高灰分BRA可有效提高沥青混合料的高温抗变形能力。

【参考文献】

[1] 张敏.沥青路面车辙损坏成因及防治对策研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[2] 陈振富，吴旦，全锋，等.沥青路面车辙主要影响因素综述[J].中外公路，2016，36（4）：68-72.

[3] TIAN R，XU S，SUO Z，et al.Performance evaluation of warm recycled SBS modified asphalt mixture[J].Advanced Materials Research， 2014， 1 065-1 069：771-777.

[4] 陈华鑫.SBS改性沥青路用性能与机理研究[D].西安：长安大学，2006.

[5] 杜少文.岩沥青SBS复合改性沥青混合料的性能与机理[J].建筑材料学报，2012（6）：141-144.

[6] 吴源锋.印尼布敦岩沥青改性沥青及其混合料路用性能研究[D].成都：成都理工大学，2018.

[7] 李海辉.岩沥青现状与发展前景[J].科学之友（B版），2007（10）：50-51.

[8] LIU S，CAO W，LI X，et al.Principle analysis of mix design and performance evaluation on superpave mixture modified with Buton rock asphalt[J].Construction and Building Materials，2018，176：549-555.

[9] 邹桂莲，郭林泉，虞将苗.布敦岩沥青混合料路用性能研究[J].公路与汽运，2010（1）：78-80.

[10] 董志伟.印尼布敦岩沥青（BRA）在路面工程中的应用研究[J].山西交通科技，2004，3l（1）：13-15.

[11] LV S， FAN X， YAO H， et al. Analysis of performance and mechanism of Buton rock asphalt modified asphalt[J].Journal of Applied Polymer Science， 2018， 46 903-46 910.