高速公路布敦岩沥青改性沥青应用研究

杨大伟，唐黎明，李星明

（四川成宜高速公路开发有限公司，四川 宜宾 644000）

0 引言

随着我国经济的发展，交通需求日益增加，不断增长的交通量和车辆轴载导致高速公路沥青路面病害的出现频率和严重性显著增加，这对路面性能提出了更高要求。目前道路工程中通常应用以SBS改性沥青为代表的高分子聚合物对沥青进行改性，起到改善沥青路面性能的目的，但是SBS改性剂成本较高，对改性沥青的生产、存储设备及工艺均具有较高要求，因此难以在全国范围内推广。布敦岩沥青（BRA）是石油经过亿万年的沉积、高温、高压、氧化、细菌、触媒等作用形成的固态岩石状天然沥青，主要成分为沥青和石灰矿物质[1]。研究表明，掺加BRA对基质沥青混合料进行改性后可以提高其高温性能、抗氧化性能、抗剥离性能，且与基质沥青相容性好，不易产生离析；物化性质稳定，易于存储运输，改性工艺简单[2]，具有较高的社会经济效益，因此在高温多雨地区具有广泛的应用前景。目前我国尚未对BRA改性沥青形成统一的规范性指导文件，这限制了BRA改性沥青的应用推广[3]，因此亟需开展BRA改性沥青的工程应用研究，本文通过室内试验和现场施工，结合理论分析对BRA改性沥青的工程应用开展研究，可为同类型工程提供参考。

1 BRA掺量对改性沥青性能的影响

1.1 原材料

（1）基质沥青

考虑胶粉容易因为溶胀不充分而导致严重的离析问题，拟选用AH-70基质沥青，性能指标满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）规范要求。

（3）岩沥青

本文采用产自于印度尼西亚苏拉威西省的东南部布敦岛（Buton）的岩沥青（BRA），其主要成分为石灰岩类矿物质，仅含有20%～28%的纯沥青。目前我国尚无布敦岩沥青相关标准，因此参照印尼国家标准，检测结果见表1。

表1 BRA性能技术指标

1.2 BRA改性沥青制备工艺

首先对BRA进行破碎和过筛，制得过1.18mm方孔筛的BRA粉末。将基质沥青加热到150℃，按照预定的掺配比例少量多次地加入BRA，其间搅拌10min，升温至160℃恒温发育60min，之后以3 000r/min的速度剪切30min，制得BRA改性沥青[4]。

1.3 BRA掺量对沥青性能的影响

（1）高温黏度性能

本文采用旋转黏度试验探究不同BRA掺量下改性沥青在120℃、135℃、175℃温度时抵抗流动变形能力，黏度越大剪切变形越小，说明沥青具有较好的高温性能。参照AASHTO TP48-97进行黏度测试，结果见图1。

由图1可知，随着BRA掺量的不断增加，3种温度条件下的改性沥青黏度呈上升趋势，且掺加BRA后的改性沥青黏度均大于基质沥青，当BRA掺量为20%~40%时改性沥青黏度性能显著提升。以135℃温度条件为例，掺量10%、20%、30%、40%的BRA改性沥青针入度相比基质沥青分别提高了10.23%、42.7%、68.6%、117.2%，说明BRA可提高沥青在高温环境中抵抗变形的能力。AASHTO M320-05规范认为改性沥青的135℃黏度低于3Pa·s时具有较好的施工和易性，不同掺量下BRA改性沥青均满足要求。

图1 BRA改性沥青旋转黏度试验结果

（2）低温抗流变性能

在进行BRA改性沥青低温延度试验时，由于BRA含有大量矿物质颗粒，易发生应力集中现象，宏观表现为沥青低温延度较小，因此本文参照AASHTO T313-80进行低温抗流变性能试验（BBR），通过t=60s时的蠕变劲度S和劲度变化速率m来评价BRA对沥青低温性能的影响，在-12℃环境下测得结果见图2。

图2 BRA改性沥青BBR试验结果

由图2可知，掺加BRA之后改性沥青的劲度模量S高于基质沥青，随着BRA掺量的增加整体呈上升趋势，平均每增加BRA掺量5%会导致改性沥青劲度模量S增大35MPa，说明BRA会导致沥青在低温环境下变得脆硬。随着BRA掺量的增加，劲度变化速率m呈减小趋势，说明掺加BRA会削弱沥青的应力松弛能力，表现为温度骤降情况下沥青易产生温缩裂缝。根据AASHTO M320规范对要改性沥青S≤300MPa,m≥0.300的要求，可知BRA掺量在20%~25%范围内时改性沥青低温性能符合使用要求，但不建议应用于我国北方地区。

（3）抗老化性能

RTFO老化能够避免改性沥青在老化过程中产生离析，因此本文参照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中RTFO试验方法，通过对比不同BRA掺量的改性沥青老化后的质量损失率和针入度比，评价沥青抗老化性能。

图3 BRA改性沥青抗老化性能试验结果

由图3可知，随着BRA掺量的增加，改性沥青老化后质量损失率呈上升趋势，这是因为BRA含有大量挥发性物质和活性矿物质，在高温和氧化作用下这些物质挥发，因此不能采用质量损失比评价BRA改性沥青抗老化性能。随着BRA掺量增加，BRA改性沥青老化后的残留针入度比整体呈现先增大后减小趋势，掺量为5%~35%时残留针入度比大于基质沥青，说明BRA可提高沥青抗老化性能，这是因为BRA长期处于高温高压环境，自身性质稳定、抗老化性能高，BRA掺量为25%时改性沥青残留针入度比最大，此时BRA改性沥青抗老化性能最好。

综合考虑BRA改性沥青各项性能，推荐BRA最佳掺量为25%。

2 BRA掺量对改性沥青混合料性能的影响

2.1 BRA改性沥青混合料配合比设计

考虑到BRA改性沥青中含有大量的石灰岩灰分和天然沥青，起到替代矿粉和基质沥青的作用，因此BRA改性沥青混合料设计采用二阶段设计法，即在普通沥青混合料的基础上，根据BRA掺量调整矿粉和沥青用量[5]。本文先针对AC-13型普通沥青混合料进行配合比设计，选用的玄武岩粗集料、石灰岩细集料、石灰岩矿粉的技术指标均符合规范要求，所用沥青为AH-70沥青，根据马歇尔试验先确定一阶段配合比，如表2所示，最佳沥青用量为4.8%。

表2 AC-13级配设计

2.2 BRA改性沥青混合料性能分析

在上述一阶段配合比设计的基础上，根据BRA掺量0%,15%,20%,25%,30%,35%，进行二阶段配合比设计，并制作BRA改性沥青混合料试件，分别进行高温稳定性试验、水稳性能试验、低温稳定性能试验，从而分析不同掺量BRA对改性沥青混合料路用性能的影响。

（1）高温稳定性

参照《沥青混合料车辙试验》（T 0719—2011）进行车辙试验，测得不同BRA掺量的改性沥青混合料高温稳定性能如图4所示。

图4 BRA改性沥青混合料车辙试验结果

由图4可知，动稳定度随着BRA掺量的增加，呈显著增大趋势，相比于未掺加BRA的改性沥青混合料，掺量15%、20%、25%、30%、35%时混合料动稳定度分别增加了50.2%、75.2%、98.7%、106.1%、120.0%，说明BRA可以显著提高沥青混合料高温稳定性。

（2）水稳定性

参照相关试验规程进行沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度试验和冻融劈裂残留强度比试验，测得不同BRA掺量的改性沥青混合料水稳定性能如图5所示。

图5 BRA改性沥青混合料水稳定性试验结果

由图5可知，冻融劈裂强度比、浸水马歇尔残留稳定度随BRA掺量的增加，呈显著增大趋势，说明BRA的加入可以显著改善混合料水稳定性。究其原因，是因为BRA含有较多的氮元素官能团，使沥青具有较强的浸润性，表现为沥青对集料表面的黏结能力增强。

（3）低温稳定性

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）进行混合料低温小梁弯曲试验，测得不同BRA掺量的改性沥青混合料低温稳定性能如图6所示。

图6 BRA改性沥青混合料低温小梁弯曲试验结果

由图6可知，随BRA掺量的增加，破坏应力呈先增大后减小趋势，当掺量为25%时破坏应力最大，但是仅比未掺加BRA时高9.3%，当掺量大于25%时破坏应力呈下降趋势，说明BRA并不能显著改善混合料低温抗裂性能，掺量较大会对低温性能起劣化作用；混合料劲度模量呈上升趋势，当掺量大于25%时上升趋势显著增大，说明BRA掺量增大会导致混合料在低温状态下变得脆硬，易出现开裂。

3 结语

本文对不同BRA掺量下改性沥青混合料性能进行研究。由研究结果可知，随着BRA掺量的增大，改性沥青高温黏度性能、抗老化性能显著增强，但是低温抗流变性能略有下降；改性沥青混合料的高温稳定性、水稳定性显著增强，低温稳定性改善效果较差，且低温环境下易变脆开裂；推荐掺量在20%~25%，且不推荐应用于我国北方地区。