布敦巖瀝青Superpave-20 路用性能試驗(yàn)研究

謝 東，鄒靜蓉，唐成陽(yáng)

(中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

瀝青中面層所在層位處于整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的高剪應(yīng)力受力區(qū)域，承擔(dān)抗車轍、抗低溫縮裂與抗?jié)B的重要功能，要求具有很強(qiáng)的高溫抗變形能力、低溫韌性，還要有很強(qiáng)的抗水作用和足夠的耐久性。針對(duì)中面層的主要功能及要求，各地區(qū)考慮氣候和交通荷載因素，在一些高等級(jí)公路瀝青路面上采取中面層全改性的方法，以滿足公路抗轍及耐久性要求。近年來(lái)，天然瀝青作為改性劑漸入人們的視野，布敦巖瀝青(BRA:Buton Rock Asphalt)源自印度尼西亞布敦島海底的瀝青礦，是一種經(jīng)萬(wàn)年沉積而成的天然礦物，其瀝青含量在20%左右，其余為石灰?guī)r類礦物質(zhì)。研究表明，布敦巖瀝青中的礦物質(zhì)吸收瀝青的能力很強(qiáng)，能夠加強(qiáng)瀝青與礦料的粘附作用，提高混合料的抗車轍、水穩(wěn)定和抗老化性能，而且施工工藝簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉，在國(guó)內(nèi)外許多工程中得到應(yīng)用［1－5］。本文采用美國(guó)Superpave 設(shè)計(jì)方法進(jìn)行路面中面層混合料Superpave—20 級(jí)配設(shè)計(jì)，以重交70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，通過(guò)干法摻加BRA 巖瀝青改性瀝青與SBS 改性瀝青進(jìn)行瀝青混合料的路用性能對(duì)比試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)其適用性。

1 試驗(yàn)方案

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)(SGC)成型瀝青混合料試件Superpave—20，在相同目標(biāo)空隙率即空隙率為4%的情況下，通過(guò)體積參數(shù)選擇最優(yōu)級(jí)配，確定最佳油石比，通過(guò)一系列的室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)BRA 巖瀝青改性瀝青混合料和SBS 改性瀝青混合料進(jìn)行路用性能對(duì)比。按重載交通設(shè)計(jì)，選擇旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)N初始=9，N設(shè)計(jì)=125，N最大=205 次。

2 原材料

2.1 集料

粗、細(xì)集料均采用石灰?guī)r，相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)如表1。

表1 集料技術(shù)指標(biāo)

2.2 礦粉

礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而成，其性能檢測(cè)指標(biāo)如表2 所示。

2.3 瀝青結(jié)合料

試驗(yàn)所采用的瀝青有:SBS 改性瀝青、70#基質(zhì)瀝青和布敦巖瀝青，其性能指標(biāo)如表3、表4、表5 所示，可以看出，所用瀝青均均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)技術(shù)要求的規(guī)定。

表2 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表3 SBS 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表4 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表5 BRA 巖瀝青技術(shù)指標(biāo)

3 混合料配比設(shè)計(jì)

3.1 礦料級(jí)配選擇

按Superpave 瀝青混合料體積設(shè)計(jì)方法對(duì)集料最大公稱尺寸、級(jí)配控制點(diǎn)及級(jí)配禁區(qū)等級(jí)配規(guī)定，在級(jí)配選擇時(shí)避免通過(guò)級(jí)配禁區(qū)。依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40－2004)和工程瀝青路面應(yīng)用級(jí)配，在目標(biāo)空隙率為4%時(shí)，調(diào)出粗、中、細(xì)3 個(gè)級(jí)配，如表6、表7、圖1 所示，并分別估算初始瀝青用量，均為4.2%。通過(guò)比較選擇級(jí)配3 作為設(shè)計(jì)級(jí)配。

表6 SUP—20 合成級(jí)配

3.2 最佳瀝青用量確定

對(duì)確定的設(shè)計(jì)級(jí)配，選擇3.8%、4.3%、4.8%、5.3%這4 種瀝青用量成型試件，進(jìn)行測(cè)試不同瀝青含量混合料的壓實(shí)特性和體積特性指標(biāo)，按照SUPERPAVE 方法確定SBS 改性瀝青的最佳用量，試驗(yàn)結(jié)果如表8、圖2 所示。

表7 各號(hào)篩孔通過(guò)百分率、配合比組成

圖1 級(jí)配曲線圖

圖2 體積指標(biāo)與瀝青用量關(guān)系圖

通過(guò)圖解數(shù)學(xué)內(nèi)插，確定目標(biāo)空隙率為4%時(shí)設(shè)計(jì)瀝青用量，再用設(shè)計(jì)瀝青用量通過(guò)內(nèi)插檢驗(yàn)VMA、VFA 等體積性質(zhì)是否滿足Superpave 要求，從而可以得到最佳瀝青用量為4.14%，其對(duì)應(yīng)的混合料的體積性質(zhì)如表9 所示。

表9 混合料體積性質(zhì)表

3.3 BRA 巖瀝青混合料拌制

本試驗(yàn)所用BRA 巖瀝青含量為22%，其余78%為灰分，為進(jìn)行SBS 改性瀝青與BRA 巖瀝青性能對(duì)比，現(xiàn)采用相同的瀝青用量形成混合料。先設(shè)定基質(zhì)瀝青用量為4.14%，加BRA 巖瀝青改性時(shí)，BRA 巖瀝青顆粒中的天然瀝青和礦物質(zhì)成分替代了部分的基質(zhì)瀝青和礦粉。根據(jù)已確定的礦料級(jí)配中礦粉含量(2%)，因礦粉含量少，現(xiàn)全部用BRA巖瀝青中的灰分代替，得到BRA 巖瀝青摻量為2.56%(BRA 摻量是指BRA 巖瀝青質(zhì)量與瀝青混合料中礦料質(zhì)量的百分比);基質(zhì)瀝青用量為3.56%。

BRA 巖瀝青混合料采用“干法”工藝進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，即先將預(yù)熱的目標(biāo)級(jí)配集料加入試驗(yàn)用的拌和機(jī)中，然后按摻配比例將巖瀝青加入拌和40 s，再加入基質(zhì)瀝青拌和80 s，最后將拌制好的混合料制備試件。

SBS 改性瀝青混合料按通常改性瀝青混合料的拌合過(guò)程進(jìn)行。

4 性能對(duì)比及結(jié)果分析

4.1 水穩(wěn)定性

目前常用的檢驗(yàn)瀝青混合料水穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法有:浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)。浸水馬歇爾試驗(yàn)試件分兩組，第1 組為標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，第2 組為浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，測(cè)定浸水與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件穩(wěn)定度比值。結(jié)果如表10 所示。凍融劈裂試驗(yàn)是用馬歇爾成型目標(biāo)空隙率為7%的試件，測(cè)定非條件與條件試件的間接抗拉強(qiáng)度比(TSR)［6］。兩種瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)如表11所示。

由表10、表11 可以看出SBS 改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度稍優(yōu)于BRA 巖瀝青改性瀝青混合料，BRA 巖瀝青改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比與SBS改性瀝青混合料相差無(wú)幾，均滿足規(guī)范要求，說(shuō)明兩種瀝青混合料的水穩(wěn)定性能較好，適用于多雨、寒冷冰凍地區(qū)對(duì)水穩(wěn)定性的要求。

4.2 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗(yàn)是檢驗(yàn)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，采用試件尺寸為30 cm×30 cm×5 cm，試驗(yàn)荷重為700 kN 左右，試驗(yàn)溫度為60 ℃。兩種瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果如表12 所示。

表10 殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

表11 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

表12 車轍試驗(yàn)結(jié)果

可以看出:SBS 改性瀝青混合料的穩(wěn)定度比BRA 巖瀝青改性瀝青混合料的的動(dòng)穩(wěn)定度高178%。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［7－9］，BRA 巖瀝青的摻加量占混合料重量3%～4%可以達(dá)到最佳性能，本試驗(yàn)由于礦料級(jí)配中礦粉的含量限制了BRA 巖瀝青的摻量，只有2.5%摻加量，但高溫性能指標(biāo)仍遠(yuǎn)高于重交石油瀝青且均滿足規(guī)范要求，表明BRA 巖瀝青有較好的抗車轍性能。

4.3 低溫抗裂性

瀝青路面的低溫開(kāi)裂會(huì)引起整個(gè)路面強(qiáng)度的降低，同時(shí)路面的開(kāi)裂，會(huì)造成水的滲入，影響到整個(gè)路面的結(jié)構(gòu)，因此瀝青混合料應(yīng)滿足規(guī)范要求的低溫抗裂性要求。兩種瀝青混合料的低溫抗裂性如表13 所示。

表13 －10 ℃小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表13 可以看出:SBS 改性瀝青混合料的低溫抗裂性比BRA 巖瀝青改性瀝青混合料高出21%，BRA 巖瀝青的低溫抗裂性剛好達(dá)到規(guī)范要求，在冬季嚴(yán)寒地區(qū)應(yīng)用時(shí)必須要經(jīng)過(guò)論證和室內(nèi)試驗(yàn)檢驗(yàn)才能使用。

5 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

BRA 巖瀝青與SBS 改性瀝青成本對(duì)比分析如表14。

從表14 可以看出，由于近年來(lái)BRA 巖瀝青的價(jià)格不斷走高，與SBS 改性瀝青的價(jià)格優(yōu)勢(shì)在縮小，BRA 巖瀝青混合料成本比SBS 改性瀝青混合料低5%。隨著國(guó)內(nèi)巖瀝青開(kāi)發(fā)及國(guó)外巖瀝青市場(chǎng)化運(yùn)作，巖瀝青的單價(jià)勢(shì)必將呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，應(yīng)用巖瀝青的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)將更加明顯。同時(shí)，BRA 巖瀝青屬于物理改性瀝青混合料，在混合料生產(chǎn)時(shí)采用的是直接投入式的添加方式，使用方便，可以隨時(shí)調(diào)整使用比例，具有施工方便，節(jié)約能源，減少環(huán)境污染的優(yōu)勢(shì)。

表14 改性瀝青成本分析

6 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)BRA 巖瀝青瀝青混合料和SBS 改性瀝青混合料性能對(duì)比，可知兩者水穩(wěn)定性相當(dāng)，SBS 改性瀝青混合料低溫抗裂性比BRA 巖瀝青混合料稍高，高溫穩(wěn)定性SBS 改性瀝青混合料優(yōu)勢(shì)較明顯。

2)摻少量BRA 巖瀝青便可顯著改變基質(zhì)瀝青高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性，且能滿足規(guī)范要求，說(shuō)明BRA 巖瀝青適用于重載交通、高溫多雨地區(qū)的路面工程。

3)BRA 巖瀝青與SBS 改性瀝青的成本對(duì)比具有一定優(yōu)勢(shì)，同時(shí)BRA 巖瀝青生產(chǎn)時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì):操作與施工工藝簡(jiǎn)便，可以有效降低生產(chǎn)費(fèi)用、減少環(huán)境污染。

［1］王 瑋.BRA 改性瀝青及其混合料性能研究［D］.長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2008.

［2］劉樹(shù)堂，楊永順，等.布敦巖瀝青改性瀝青混合料試驗(yàn)研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，35(3):351－355.

［3］鐘 科.巖瀝青路用性能研究［D］.北京:交通部公路科學(xué)研究院(道路與鐵道工程)，2006.

［4］杜群樂(lè)，王慶凱，王國(guó)清.布敦巖改性瀝青路用性能評(píng)價(jià)的研究［J］.公路，2005(8):133－135.

［5］鄧鵬飛.布敦巖瀝青性能研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2008.

［6］郝培文，張肖寧，瀝青與瀝青混合料［M］.北京:人民交通出版社，2013.

［7］劉 巖，黃琴龍.布敦巖瀝青改性瀝青混合料的路用性能研究［J］.西部交通科技，2012(10).

［8］鄒桂蓮，周 偉，等.布敦巖瀝青高溫性能研究［J］.公路，2010(3):126－129.

［9］李瑞霞，郝培文，等.布敦巖瀝青混合料路用性能研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(9):50－54.

［10］JTG F40－2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［11］JTG E20－2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.