布敦巖瀝青改性瀝青混合料的二階段設計方法研究

蔣國杰，郅宏飛，王 勝

（同濟大學交通運輸工程學院，上海 201804）

1 研究背景

近些年來，天然巖瀝青作為改性劑在道路建設中的應用漸漸進入專家的研究視野。作為瀝青的一種，天然瀝青具有得天獨厚的性質：與瀝青相容性好，性質穩(wěn)定，價格低廉。天然巖瀝青改性研究結果表明，其具有抗剝離、耐久、高溫抗車轍、抗老化的特點，這決定了天然巖瀝青將具有廣闊的研發(fā)空間和市場潛力。

作為天然巖瀝青一種的布敦巖瀝青（Buton Rock Asphalt，以下簡稱BRA），產于南太平洋印度尼西亞蘇拉威西島東南部布敦島，其形成是由于石油不斷地從地殼中冒出存在于山體、巖石裂隙中，經長期蒸發(fā)凝固而形成的天然瀝青。BRA經過挖掘粉碎后形成微細顆粒，呈淺褐色，一般瀝青含量在20%～30%之間，其余為石灰?guī)r類礦物質。BRA中的礦物質很細，具有很好的吸收瀝青的能力，能夠加強瀝青與礦料的粘附作用，在印尼稱為活性劑。

我國對布敦巖瀝青改性瀝青及布敦巖瀝青改性瀝青混合料的路用性能進行了大量的研究，但對于布敦巖瀝青改性瀝青混合料設計及巖瀝青摻量的確定方面仍存在爭議。如今較通用的設計方法主要是將巖瀝青作為一種外摻劑以不同的質量比摻加入混合料中。通過此種設計方法制備的瀝青混合料，當其布敦巖瀝青的添加量發(fā)生變化時，混合料實際的瀝青含量也會發(fā)生變化，導致難以判別巖瀝青改性瀝青混合料路用性能發(fā)生變化的根源所在。

為解決這設計一問題，該項研究提供了一種天然瀝青改性瀝青混合料的設計方法。該方法采用兩個階段進行配合比設計，通過控制布敦巖瀝青與基質瀝青添加比例，來確定巖瀝青的摻量，并保證兩階段對應混合料的選取的總瀝青用量基本相同。

2 BRA簡介

2.1 基本概況

BRA是指一種天然瀝青顆粒，在其加入瀝青混合料的拌和過程中，與基質瀝青膠結料進行融合，從而改善基質瀝青的路用性能，進而提高瀝青混合料的路用性能。它是由產于印度尼西亞蘇拉威西島（SULAWESI）東南部布敦島（BUTON）的布敦天然巖瀝青礦，經去除雜質、脫水及研磨等加工后形成的黑色顆粒狀粉末。其所含的瀝青質及膠質含量遠高于基質瀝青，雜原子含量也較高，所以加入其他瀝青膠結料后可提高其路用性能。

2.2 技術性能要求

對BRA進行性能測試，要求符合表1對BRA質量標準的要求。

表1 BRA質量標準一覽表

3 BRA改性瀝青混合料二階段設計方法

本章節(jié)通過一則實例對BRA改性瀝青混合料二階段設計方法進行詳細介紹。

3.1 BRA改性瀝青混合料二階段設計方法概述

該項研究提供一種布敦巖瀝青改性瀝青混合料的設計方法，它通過兩個階段的設計步驟，在瀝青混合料拌和過程中加布敦巖瀝青（Buton Rock Asphalt，以下簡稱BRA），提高了普通基質瀝青混合料的路用性能：第一階段不添加BRA，在155℃～165℃拌合溫度條件下采用馬歇爾試驗方法獲得基質瀝青混合料的最佳油石比；第二階段在第一階段獲得基質瀝青混合料的最佳油石比基礎采用按摻加比例的方式替換瀝青的計算方式添加BRA，即使用BRA中的純?yōu)r青替代第一階段設計中的部分基質瀝青，使初選總瀝青用量基本與第一階段最佳瀝青用量持平，并在165℃～175℃拌合溫度條件下采用馬歇爾設計方法獲得BRA改性瀝青混合料的最佳油石比。與普通非改性熱拌瀝青混合料相比，它提高了熱拌瀝青混合料的路用性能，與SBS等改性熱拌瀝青混合料相比，其路用性能基本相當，但可以降低成本約20%以上。

3.2 原材料性能檢測

（1）配合比設計中基質瀝青采用70號A級道路石油瀝青，該瀝青符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）中對該瀝青技術要求的規(guī)定。改性劑為天然布敦巖瀝青（BRA）。

（2）進行BRA原材料性能檢驗，得瀝青含量為24%，其他指標要符合對BRA質量標準的要求。

（3）AC-20C粗粒式粗型密級配瀝青混合料所用的集料石灰?guī)r，分別有：10～20 mm碎石、10～19 mm碎石、10～15 mm碎石、5～10 mm碎石、0～5 mm石屑。所用集料符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）對一級道路瀝青混合料用集料要求。礦粉符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）對一級道路瀝青混合料用填料質量的要求。

3.3 一階段目標配合比設計

（1）為使該項實例具有代表性，采用瀝青路面道路設計經常采用的AC-20C級配作為例證級配，AC-20C瀝青混合料礦料級配組成要求如表2所列。

（2）基質瀝青的馬歇爾試驗：

根據《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004），AC-20C瀝青混合料選取瀝青用量4.1%作為馬歇爾試件的初試瀝青用量，按±0.5的間隔成型5組（每組5個）馬歇爾試件，溫度控制符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》JTJ 052-2000對基質瀝青的要求。試驗結果見表3所列。

（3）確定一階段基質瀝青混合料最佳瀝青含量：

根據《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）要求的最佳瀝青用量計算方法，決定最佳瀝青含油量為：OAC=4.1%。在此用油量條件下，混合料的各項指標符合《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ 052-2000）要求。

采用最佳瀝青含量4.1%制備馬歇爾試件，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ 052-2000）規(guī)程中的T0709-2000測試方法進行AC-20C瀝青混合料浸水48h馬歇爾試驗。其殘留穩(wěn)定度為83.1%，滿足JTG F40-2004對該地區(qū)普通瀝青混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度不小于80%要求。

（4）高溫穩(wěn)定性檢驗：

采用最佳瀝青含量4.1%制備車轍試件，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ 052-2000）規(guī)程中的T0719-1993測試方法進行AC-20C巖瀝青混合料車轍試驗。其動穩(wěn)定DS=1670次/mm，滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）中普通瀝青混合料車轍不小于800次/mm的技術要求。

3.4 二階段目標配合比設計

（1）在室內試驗中，限定基質瀝青與巖瀝青摻配比例為3∶1摻量摻加巖瀝青，根據巖瀝青中天然瀝青和礦物質的含量，計算替代部分的基質瀝青。根據基質瀝青的馬歇爾試驗結果，選取4.1%作為馬歇爾試件的初試瀝青用量，按±0.2，的間隔計算BRA與基質瀝青用量，并成型3組馬歇爾試件，溫度控制符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ 052-2000）對改性瀝青的基本要求。檢驗結果見表4所列。

（2）確定布敦巖瀝青改性瀝青混合料最佳瀝青含量：

根據《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）要求的計算方法，決定最佳瀝青含油量為：OAC=4.2%，即采用最佳瀝青用量為4.2%，最佳油石比為4.38%，其中基質瀝青用量為3.9%（與布敦巖瀝青改性瀝青混合料總質量比），BRA的用量為1.3%（與布敦巖瀝青改性瀝青混合料總質量比）；基質瀝青與石料質量比為4.08%，布敦巖瀝青與石料質量比1.36%。最佳瀝青用量的各項指標與《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004中規(guī)定值的比較）。檢驗結果見表5所列。

（3）水穩(wěn)定性檢驗：

采用最佳瀝青含量4.2%制備馬歇爾試件，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ052-2000）規(guī)程中的T0709-2000測試方法進行AC-20C瀝青混合料浸水48 h馬歇爾試驗。其殘留穩(wěn)定度為96.8%，滿足JTG F40-2004對該地區(qū)改性瀝青混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度不小于85%要求，且大于第一階段結果。

表2 礦料級配組成指標一覽表

表3 AC-20C馬歇爾試驗結果一覽表

表4 二階段AC-20C馬歇爾試驗結果一覽表

表5 最佳瀝青用量的各項指標與規(guī)范規(guī)定值的比較一覽表

（4）高溫穩(wěn)定性檢驗：

采用最佳瀝青含量4.2%制備車轍試件，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ 052-2000）規(guī)程中的T0719-1993測試方法進行AC-20C巖瀝青混合料車轍試驗。其動穩(wěn)定DS=3 220次/mm，滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）中改性瀝青混合料車轍不小于2 800次/mm的技術要求，達到第一階段結果的近2倍。

3.5 二階段配合比設計結論

該項試驗結果表明：AC-20C中粒式粗型密級配瀝青混合料的兩階段目標配合比設計能滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）中對改性瀝青混合料的技術要求。即采用最佳瀝青用量為4.2%，最佳油石比為4.38%，其中基質瀝青用量為3.9%，布敦巖瀝青的用量為1.3%；基質瀝青與石料質量比為4.08%，布敦巖瀝青與石料質量比1.36%。第二階段最佳油石比基本與第一階段相同，但性能大幅提高，證明通過BMA改性的瀝青混合料具有更佳的高溫穩(wěn)定性和抗水損壞能力。

4 結論

該項研究采用的二階段設計方法通過巖瀝青與基質瀝青之間的摻配比例來確定巖瀝青的摻量，使巖瀝青中的瀝青在設計環(huán)節(jié)納入添加瀝青總量中，而不是如其他一些研究中單純地將巖瀝青作為礦粉或外摻劑使用。通過該設計方法可有效地反應巖瀝青摻量對性能的提高程度。方法從研究結論可知，以這種方法設計的AC-20C巖瀝青改性瀝青混合料可以滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）中對改性瀝青混合料的技術要求。

[1]JTG F40-2004,公路瀝青路面施工技術規(guī)范[S].

[2]JTJ 052-2000,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S],

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