天然瀝青混合料路用性能試驗研究

趙小娟

(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長沙 410015)

天然瀝青混合料路用性能試驗研究

趙小娟

(湖南省交通科學(xué)研究院，湖南 長沙 410015)

為對比研究不同天然瀝青混合料性能之間的區(qū)別，以國產(chǎn)青川巖瀝青、布敦巖瀝青、特立尼達(dá)湖瀝青為研究對象，通過國產(chǎn)車轍、低溫彎曲、凍融劈裂試驗比較3種天然瀝青混合料路用性能的差異，并確定相應(yīng)天然瀝青的最佳摻量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：3種天然瀝青混合料各有優(yōu)勢，青川巖瀝青混合料的高溫性能更好，TLA混合料低溫性能最優(yōu)，而BRA水穩(wěn)性能最好，且每種天然瀝青混合料有其各自的最佳摻量，青川巖瀝青、BRA、TLA摻量分別為7.5%、30%、35%可使相應(yīng)混合料路用性能最好。

道路工程； 天然瀝青； 路用性能； 最佳摻量

0 引言

天然瀝青主要分為巖瀝青、湖瀝青兩大類，其中巖瀝青中常用的代表有布敦巖瀝青(BRA)、北美巖瀝青，以及國產(chǎn)青川巖瀝青[1-3]，而特立尼達(dá)湖瀝青[4](TLA)則是湖瀝青的典型代表。資料顯示，在我國四川北秦嶺支脈九龍山一帶含有大量青川巖瀝青，并且有研究發(fā)現(xiàn)[5-7]青川巖瀝青的添加可以明顯提高基質(zhì)瀝青混合料的高溫性能、抗疲勞性能和抗水損害能力，進(jìn)而提高路面的使用性能。

為進(jìn)一步研究國產(chǎn)青川巖瀝青的優(yōu)勢，本文另外選取2種國外常用的BRA及TLA，分別制備瀝青混合料，通過對3種混合料的路用性能進(jìn)行研究，確定每種天然瀝青的最佳摻量。此外，還通過路用性能[8，9]試驗比較3種天然瀝青混合料性能之間的差異，以期進(jìn)一步推廣國產(chǎn)青川巖瀝青在工程中的應(yīng)用。

1 試驗材料及方法

1.1 基質(zhì)瀝青

本文選取中海70#石油瀝青作為基質(zhì)瀝青進(jìn)行研究，根據(jù)規(guī)范中性能試驗方法得其性能及相應(yīng)指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)類別25℃針入度/(01mm)針入度指數(shù)PI當(dāng)量軟化點T800/℃實測值653-032519技術(shù)要求60～80-15～+10—當(dāng)量脆點T12/℃軟化點/℃15℃延度/cm密度/(g·cm-3)粘度(135℃)/(Pa·s)-123483>15010420322—≥46>100——老化試驗質(zhì)量損失/%殘留針入度比/%殘留15℃延度/cm02963367±08≥61≥15

1.2 青川巖瀝青

現(xiàn)階段，青川巖瀝青已在國內(nèi)公路建設(shè)中得到應(yīng)用，如河北省107國道、山東省菏關(guān)高速、廣西全桂路等。本文使用的青川巖瀝青從礦中開采出來時，是大小不一的塊狀，通常在試驗前將其粉碎，再過1.18 mm的方孔篩，最后得到粉末狀天然瀝青。根據(jù)廠家提供數(shù)據(jù)可知青川巖瀝青各項技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.3 布敦巖瀝青(BRA)

布敦天然巖瀝青是一種產(chǎn)于印度的布敦天然巖瀝青礦，經(jīng)過去除雜質(zhì)、脫水、碾磨等加工后形成的粉粒狀的材料。經(jīng)廠家提供知BRA巖瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表2 青川巖瀝青性能指標(biāo)類別瀝青含量/%灰分含量/%密度/(g·cm-3)含水量/%閃點/℃檢測結(jié)果895103121112235

表3 BRA主要技術(shù)指標(biāo)類別瀝青含量/%灰分含量/%密度/(g·cm-3)閃點/℃含水量/%礦物質(zhì)最大顆粒/mm測試結(jié)果2576173300015061印尼標(biāo)準(zhǔn)≥18—170～190≥230≤20≤20

1.4 特立尼達(dá)湖瀝青(TLA)

特立尼達(dá)湖瀝青產(chǎn)于特立尼達(dá)和多巴哥境內(nèi)的瀝青湖，屬于涌出型天然瀝青[10]。通過廠家提供可知，本文用到的TLA主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 TLA主要技術(shù)指標(biāo)類別25℃針入度/(01mm)軟化點/℃灰分/%密度(25℃)/(g·cm-3)RTFOT后殘留針入度比/%試驗結(jié)果359933631412928技術(shù)要求0～5≥9033～3813～15≥50

1.5 試驗準(zhǔn)備

1.5.1 試驗方案

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11，12]可知，青川巖瀝青最佳摻量通常為5%～10%，BRA為25%～35%、TLA最佳摻量一般為25%～40%，需要注意的是其中最佳摻量指的是占瀝青質(zhì)量百分比。為此，本文選擇青川巖瀝青比例為5%、7.5%、10%，BRA摻配比例為25%、30%、35%，TLA摻配比例為25%、30%、35%、40%進(jìn)行研究。

1.5.2 混合料拌合方式

通常制備天然瀝青改性瀝青混合料的拌和方式分為兩種：即“干法”和“濕法”工藝?！案煞ā笔前褞r瀝青作為一種外加劑加入集料中拌和；“濕法”是先按照巖瀝青改性瀝青的制備方法制備好巖瀝青改性瀝青，然后再把改性瀝青加入到集料中拌和。相關(guān)研究[13]表明，“濕法”工藝對天然瀝青混合料的路用性能有利，可使天然瀝青在與基質(zhì)瀝青充分混合的情況下成型混合料試件，因此，本文選取“濕法”工藝制備天然瀝青混合料。

2 礦料級配及最佳油石比確定

2.1 礦料級配

按規(guī)范要求，采用馬歇爾設(shè)計方法進(jìn)行級配設(shè)計，最終得到AC-13型礦料級配見表5。

表5 AC-13礦料級配級配通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%1601329547523611806030150075規(guī)范10090～10068～8538～6824～5015～3810～287～205～154～8合成級配1009457405253752401701158555

2.2 最佳油石比

選用埃索90#基質(zhì)瀝青進(jìn)行混合料最佳油石比測定，按照規(guī)范要求，同時結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，初估油石比范圍為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%，并成型5組馬歇爾試件。通過對試件物理指標(biāo)、力學(xué)指標(biāo)的測定，得出各種馬歇爾指標(biāo)變化趨勢如圖1所示。

圖1 馬歇爾試驗各項指標(biāo)與油石比關(guān)系曲線圖

由圖1并通過計算可確定最佳油石比為4.7%。為驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性，以油石比4.7%對混合料性能進(jìn)行試驗驗證，結(jié)果如表6所示。

結(jié)果表明，該條件下的瀝青馬歇爾試件性能滿足要求，故最佳油石比為4.7%。

表6 最佳油石比下馬歇爾試驗結(jié)果類別最大理論密度/(g·m-3)毛體積密度/(g·m-3)孔隙率/%試驗結(jié)果2597251034技術(shù)要求——3～6穩(wěn)定度/kN流值/mm礦料間隙率/%瀝青飽和度/%151334144745≥815～4—65～75

3 不同天然瀝青混合料路用性能研究

3.1 高溫性能

選擇常用的國產(chǎn)車轍試驗進(jìn)行高溫性能研究，評價指標(biāo)為動穩(wěn)定度DS=(60-45)×42/(D60-D45)，其中D45、D60分別為試驗開始45 min、60 min后的試件的變形量。按規(guī)范成型試件并進(jìn)行試驗，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同類型瀝青混合料抗高溫性能

根據(jù)圖2可知：混合料動穩(wěn)定度隨天然瀝青摻量的增加而逐步上升，其中青川巖瀝青在摻量為7.5%時，其動穩(wěn)定度達(dá)到最大值為2 943.9次/mm，60 min車轍深度為最小值1.236 mm，分別是基質(zhì)瀝青混合料相應(yīng)指標(biāo)的2.29、0.64倍；BRA巖瀝青在摻量達(dá)到30%的時候高溫性能達(dá)到最優(yōu)，動穩(wěn)定度和60 min車轍深度分別為基質(zhì)瀝青混合料的1.96、0.66倍；TLA摻量為35%時，其高溫性能達(dá)到最優(yōu)，動穩(wěn)定度值和60 min車轍深度值分別為2 554.7次/mm、1.807 mm。

以上分析說明，在基質(zhì)瀝青中添加天然瀝青改性后，瀝青抗高溫性能得到了較好的改善，能夠在瀝青混合料承受高溫以及重型荷載作用的同時具有良好的穩(wěn)定性能，防止瀝青路面產(chǎn)生變形現(xiàn)象。

3.2 低溫性能

目前國內(nèi)外用于研究瀝青混合料低溫抗裂性能的試驗方法較多，其中低溫小梁彎曲試驗是我國最常用的評價方法。本文結(jié)合實際條件，選取小梁低溫彎曲試驗來評價天然瀝青混合料低溫抗裂性能。按規(guī)范成型試件并進(jìn)行試驗，試驗過程中測定試件破壞時的最大荷載PB和跨中撓度d，并按規(guī)范計算試件破壞時的抗彎拉強(qiáng)度RB/MPa、試件破壞時的最大彎拉應(yīng)變εB(με)及試件破壞時的彎曲勁度模SB/MPa，最終得到試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同類型天然瀝青混合料低溫彎曲試驗結(jié)果

一般情況下，最大彎拉應(yīng)變與瀝青混合料低溫性能呈正相關(guān)關(guān)系，彎曲勁度模量與瀝青混合料低溫性能呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此：

1) 觀察圖3a可以直觀地得到青川巖瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變隨著巖瀝青摻量的增加先升后降。并且可知，基質(zhì)瀝青混合料、摻量為5%、10%時的青川巖瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變分別只有2 538.96με、2 651.07με、2 381.29με，而在摻量為7.5%時，青川巖瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變?yōu)? 745.55με，故此時青川巖瀝青混合料低溫性能最優(yōu)。

2) 觀察BRA瀝青混合料的低溫試驗結(jié)果隨BRA摻量變化的趨勢圖3b可知，BRA混合料最大彎拉應(yīng)變隨BRA摻量先降低后升高，因此BRA瀝青混合料低溫性能隨摻量的增加先減小后增大。通過對應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在BRA摻量僅為25%時，BRA改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變比基質(zhì)瀝青混合料都有所降低，說明較少的布敦巖瀝青摻入基質(zhì)瀝青后對混合料的低溫性能不利，摻量逐漸增大后，低溫性能逐漸變優(yōu)，并在摻量為35%時達(dá)到穩(wěn)定；相對于基質(zhì)瀝青混合料，其最大彎拉應(yīng)變增大了8.3%，這說明，BRA混合料抵抗變形的能力增強(qiáng)，在相同應(yīng)力條件下，BRA瀝青混合料將首先產(chǎn)生裂縫。

3) 基于材料成本，并對比摻量為30%和35%的BRA瀝青混合料的低溫數(shù)據(jù)可知，BRA巖瀝青增加了5%的摻量并未獲得明顯的性能優(yōu)勢，因此從經(jīng)濟(jì)方面考慮，35%的摻量并不是最佳的，應(yīng)選取30%，從而在保證性能的前提下節(jié)約成本。

4) 根據(jù)圖3c低溫試驗結(jié)果中各指標(biāo)變化趨勢可知，在摻量25%～35%時，TLA與BRA瀝青混合料的低溫試驗結(jié)果變化基本一致，但在TLA摻量為40%時，TLA瀝青混合料低溫性能變差，并且在摻量較小時(25%)其低溫性能弱于基質(zhì)瀝青混合料，逐漸增加至摻量為35%時達(dá)到峰值，為最優(yōu)。這說明，TLA瀝青混合料隨著TLA摻量的增大，最大彎拉應(yīng)變增加，抗低溫變形的能力增強(qiáng)。

3.3 水穩(wěn)定性

我國常用評價瀝青混合料水穩(wěn)性能的試驗主要有浸水馬歇爾試驗、真空飽水馬歇爾試驗、真空飽水劈裂試驗、浸水劈裂試驗、凍融劈裂試驗等。其中，凍融劈裂試驗在我國，它既可以直觀地反映北方寒冷地區(qū)瀝青路面的實際工作環(huán)境，也可針對南方多雨潮濕地區(qū)的情況。因此，本文采用凍融劈裂試驗來評價瀝青混合料水穩(wěn)定性，試驗以標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件為對象，以凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比值TSR為指標(biāo)，試驗結(jié)果見圖4，其中RT1、RT2分別為凍融前和凍融后的劈裂強(qiáng)度。

圖4 不同類型天然瀝青混合料水穩(wěn)定性

據(jù)圖4可知：

1) 瀝青混合料的TSR值隨青川巖瀝青摻量的增加先增大后降低，當(dāng)摻量為7.5%時TSR值到達(dá)峰值，如圖4a所示，當(dāng)青川巖瀝青摻量繼續(xù)增加時，混合料TSR值迅速降低，但經(jīng)過凍融后混合料試件的抗拉強(qiáng)度在增加，從試驗結(jié)果來看，巖瀝青摻量過高會導(dǎo)致混合料抗水損害能力的降低，因此建議巖瀝青摻量不應(yīng)過高且不宜超過7.5%。

2) BRA巖瀝青混合料TSR值則隨BRA巖瀝青摻量增加呈逐漸上升的趨勢，由圖4b易看出在摻量為30%時，TSR值已趨于穩(wěn)定，不再變化，并且觀察數(shù)據(jù)可知摻量為35%的BRA瀝青混合料TSR值僅比30%摻量的增加0.2%。因此，考慮到材料成本，建議混合料BRA巖瀝青混合料中的巖瀝青摻量為30%。

3) 與青川巖瀝青、BRA瀝青混合料不同的是，TLA的TSR值變化曲線隨TLA摻量的增加出現(xiàn)2個拐點，其水穩(wěn)性能在TLA摻量小時較差，但隨著摻量不斷的增加，水穩(wěn)性能逐漸變優(yōu)，即抗水損害能力變強(qiáng)。根據(jù)圖4c可知，TLA最佳摻量介于30%～35%，并接近35%。

綜合路用性能試驗可知，由于不同的天然瀝青中瀝青含量不同，因此出現(xiàn)了路用性能達(dá)到最佳時各種天然瀝青的最佳摻量有所不同。其中，青川巖瀝青中瀝青含量約70%，有的甚至高達(dá)80%，所以最佳摻量與BRA、TLA相比較小，僅為7.5%左右；而且通過以上試驗分析可知，BRA、TLA瀝青混合料的最佳摻量分別為30%、35%左右。

3.4 最佳摻量下不同類型混合料性能對比

由上面的試驗研究可以發(fā)現(xiàn)，就本文所選的3種天然瀝青而言，其在混合料中最佳摻量明顯不同，青川巖瀝青、BRA、TLA最佳摻量分別7.5%、30%、35%。在油石比4.7%的情況下，比較3種瀝青混合料在最佳摻量下，高溫、低溫、水穩(wěn)性能的區(qū)別如圖5所示。

圖5 最佳摻量不同類型瀝青混合料路用性能對比

根據(jù)圖5各試驗結(jié)果知：

1) 觀察圖5a可知，天然瀝青混合料的高溫性能更優(yōu)，青川巖瀝青混合料比70#基質(zhì)瀝青混合料的動穩(wěn)定度增加了128.5%、BRA和TLA瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別增加了96.0%、98.3%。因此，同一條件下，瀝青混合料的抗車轍變形能力排序為，青川巖瀝青、BRA、TLA。

2) 通過低溫彎曲試驗數(shù)據(jù)可知，如圖5b所示，天然瀝青混合料的低溫性能較基質(zhì)瀝青混合料低溫性能改善較小，青川巖瀝青混合料彎曲勁度模量值僅減小80.75 MPa，BRA巖瀝青混合料、TLA湖瀝青混合料分別減少了96.69 MPa、181.75 MPa，所占比例均不超過5%。因此，可知天然瀝青加入基質(zhì)瀝青后對其混合料低溫性能雖有改善，但效果并不顯著。

3) 根據(jù)圖5c凍融劈裂試驗結(jié)果可得，各類型天然瀝青混合料水穩(wěn)性能明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料。其中，30%BRA瀝青混合料抗水損害能力最好，7.5%青川巖瀝青混合料次之，35%TLA瀝青混合料最差。由于BRA和青川巖瀝青混合料僅相差1.1%，因此，從成本上考慮，建議使用國產(chǎn)青川巖瀝青混合料改善抗水損害能力。

綜上分析可知，最佳摻量下的天然瀝青混合料雖對路用性能有所改善，但改善效果區(qū)別較大，其中高溫性能和水穩(wěn)性能改善明顯，而低溫性能改善效果并不顯著。因此，對于南方高溫多雨地區(qū)，可采用天然瀝青對路面性能進(jìn)行改善，并且基于材料成本、材料來源以及性能改善效果考慮，建議使用國產(chǎn)青川巖瀝青。

4 結(jié)語

1) 通過對3種天然瀝青混合料的試驗研究可知，天然瀝青改性瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)性能都要比基質(zhì)瀝青混合料的路用性能更優(yōu)。其中高溫性能和水穩(wěn)性改善比較明顯，尤其是高溫性能，青川巖、BRA、TLA瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別是基質(zhì)瀝青混合料的2倍左右；而低溫性能雖然有所改善，但效果并不理想。

2) 天然瀝青加入基質(zhì)瀝青制備混合料，其各方面性能都有所提高，通過試驗發(fā)現(xiàn)，3種天然瀝青各自存在最佳的摻量，其中青川巖瀝青為7.5%、BRA為30%、TLA為35%。

3) 通過最佳摻量下的試驗結(jié)果可知，3種天然瀝青混合料各有優(yōu)勢，青川巖瀝青混合料高溫性能最優(yōu)，TLA則低溫性能最好，而BRA水穩(wěn)性能最佳。考慮到青川巖瀝青最佳摻量較少，并且三者在低溫性能方面差距較小，在水穩(wěn)性能方面青川巖瀝青混合料的TSR值僅比BRA小1.1%；此外，青川巖瀝青混合料高溫性能要明顯優(yōu)于TLA和BRA。因此可知青川巖瀝青的應(yīng)用前景更廣。

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