制作工藝對布敦巖瀝青混合料高溫性能的影響*

劉黎萍 秦鉅澤 洪奕尚

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室1) 上海 201804) (福建省泉州市公路局惠安分局2) 泉州 362100)

0 引 言

礦物質顆粒與天然瀝青成分相互包含，顆粒表面包含瀝青，多孔的和空心球形的顆粒內部也包含瀝青成分[1-2]，礦物質顆粒具有較強的吸附瀝青的能力，且能加強瀝青與集料之間的粘附作用，因此在印尼也稱其為“活性劑”.文獻[3-4]通過抽提BRA將瀝青組分(RA)和灰分分離，分別制備RA改性瀝青和灰分膠漿，并進行動態剪切流變試驗，結果表明，瀝青組分的加入可以顯著改善基質瀝青的抗車轍因子；在同一粉膠質量比為0.8∶1的情況下，灰分膠漿PG高溫等級為PG76，比礦粉膠漿高一個等級，高溫抗變形能力優于礦粉膠漿.尹應梅等[5]發現BRA摻量的增加顯著改善瀝青礦粉膠漿的高溫流變特性.

大量研究結果表明,布敦巖瀝青可以顯著改善瀝青混合料的高溫性能、抗水損害性能和抗疲勞性能[6]，而且隨著BRA摻量增加，高溫抗車轍性能不斷增強[7].加上其施工工藝簡單，可操作性強，近年來在實際工程中有較多應用.但實際工程應用時往往忽視混合料運輸過程中短期老化和施工后交通開放時間的影響.由于車轍試驗是評價瀝青混合料高溫性能的常用方法，因此本研究采用車轍試驗研究短期老化和試件成型后不同放置時間(24,48，72 h)對布敦巖瀝青混合料高溫性能的影響，另外還對拌和樓不同拌和工藝下的布敦巖瀝青混合料高溫性能進行試驗研究，以期為布敦巖瀝青混合料的工程應用提供參考.

1 試驗原材料

選用70#道路石油瀝青，其技術指標(見表1)均滿足相應規范的技術要求.布敦巖瀝青為深褐色顆粒產品.不同礦區所產的BRA顆粒中的瀝青組分和灰分含量會有所不同，本研究所用的布敦巖瀝青技術指標見表2.

表1 70#基質瀝青基本指標

表2 布敦巖瀝青基本指標

采用三氯乙烯對BRA進行抽提試驗，確定BRA中的天然瀝青(RA)含量為25.0%，對BRA及其抽提后獲得的灰分進行篩分，結果見表3.并與礦粉的篩分結果對比發現，BRA的粒徑主要集中在0.3～1.18 mm之間，灰分的粒徑主要集中在0.3 mm以下，而礦粉的粒徑大小主要在0.075mm以下，也即BRA最粗，灰分次之，礦粉最細，因此在布敦巖瀝青混合料配合比設計時，將BRA直接替代礦粉有待商榷.此外，巖瀝青摻量對瀝青混合料性能的影響比較明顯，因此將灰分的篩分結果直接計入級配設計中有利于提高巖瀝青混合料級配設計的可靠性和準確性.

表3 BRA及其灰分和礦粉的篩分結果

研究前期將BRA中的瀝青組分(RA)抽提后用不同摻量制備改性瀝青，采用SHRP試驗對改性瀝青的高溫性能、低溫性能及粘溫性能進行研究后，建議瀝青組分的摻配比例不宜超過基質瀝青的15%，本文即采用此摻配比例制備巖瀝青改性瀝青混合料.經換算，對于AC-20級配，BRA摻量為瀝青混合料質量的2.6%.巖瀝青中的灰分要計入級配設計(取代部分礦粉和細集料)，最終確定AC-20配比(質量比)為15～22∶10～15∶5～10∶0～5∶礦粉∶巖瀝青=19.9∶27.8∶16.9∶28.8∶4.0∶2.7，基質瀝青油石比為4.5%.AC-20布敦巖瀝青混合料合成級配見表4.

表4 AC-20布敦巖瀝青混合料合成級配

2 短期老化與否及放置時間對高溫性能的影響

2.1 試驗方案

文獻[8]中區別于常規的干法拌和工藝，將集料與瀝青先拌和，再加入巖瀝青拌和，最后加入礦粉的拌和工藝(本文簡稱“巖瀝青后加工藝”)可以對布敦巖瀝青混合料的路用性能有所改善.因此本文研究主要采用巖瀝青后加工藝.礦料加熱溫度為180～190 ℃，基質瀝青加熱溫度為160～165 ℃，拌和溫度為165 ℃.

本文關于布敦巖瀝青混合料高溫性能的研究，采用文獻[9]中的輪碾法成型300 mm×300 mm×50 mm的車轍板，放置相應時間后，將車轍板連同試模置于60 ℃的環境箱中保溫5 h，然后進行車轍試驗，測定布敦巖瀝青混合料的動穩定度，用于評價布敦巖瀝青混合料的高溫穩定性.

在文獻[9]中關于瀝青混合料試件制作成型方法有三種，分別為擊實法、輪碾法和靜壓法，均沒有考慮實際施工時瀝青混合料運輸過程中的短期老化，因此使得室內試驗結果與現場實際情況有所偏差.為模擬實際施工過程中的短期老化對混合料性能的影響，本文分別對短期老化和未短期老化的布敦巖瀝青混合料高溫性能進行研究，其中短期老化試驗條件為：將拌制好的布敦巖瀝青混合料置于165 ℃的烘箱中保溫2 h.

此外，文獻[9]中車轍試驗規定：試件成型后，連同試模一起在常溫條件下放置的時間不少于12 h；對聚合物改性瀝青混合料，放置的時間以48 h為宜，使聚合物改性瀝青充分固化后方可進行車轍試驗，室溫放置時間不得長于1周.顏佳富[10]采用漢堡試驗發現放置時間對瀝青混合料的車轍深度有一定影響，放置時間越長，車轍深度越小，見圖1.布敦巖瀝青是由天然瀝青裹覆石灰巖類礦物質的基本結構組成，類似于瀝青混合料再生料的基本組成結構，而目前對于布敦巖瀝青混合料中天然瀝青組分與基質瀝青的混融程度尚不能確定，理論上延長放置時間有助于瀝青組分與基質瀝青間的混融，二者充分混融則可使BRA的改性作用充分發揮.

圖1 BRA的基本組成結構示意圖

2.2 試驗結果分析

選取三個不同的放置時間，分別為24，48，72 h，用巖瀝青后加工藝的方法進行車轍試驗，試驗結果見圖2.

圖2 布敦巖瀝青混合料動穩定度試驗結果

由圖2可知：①相同放置時間條件下，短期老化后的布敦巖瀝青混合料動穩定度均高于未短期老化的布敦巖瀝青混合料；不同靜置時間下(24，48,72 h)，經歷短期老化后的布敦巖瀝青混合料相對未經歷短期老化的布敦巖瀝青混合料動穩定度分別提升了41.4%，53.7%，55.2%.也說明隨著放置時間的延長，短期老化的提升作用相對更加明顯，但提升幅度逐步放緩;②無論是否進行短期老化，隨著放置時間的延長，布敦巖瀝青混合料的動穩定度均有不同程度的增長.對于經歷短期老化的布敦巖瀝青混合料，放置48 h相比放置24 h條件下的動穩定度提升了29.4%，放置72 h相比放置48 h條件下的動穩定度提升了3.9%；對于未經歷短期老化的布敦巖瀝青混合料，放置48 h相比放置24 h條件下的動穩定度提升了19.0%，放置72 h相比放置48 h條件下的動穩定度提升了2.9%.這說明無論是否經歷短期老化，放置48 h相比放置24 h條件下的動穩定度提升效果要明顯優于放置72 h相比放置48 h條件下的動穩定度，也即放置48 h后的動穩定度提升效果并不明顯.因此建議布敦巖瀝青混合料試件的放置時間同改性瀝青一樣為48 h.

3 拌和樓不同工藝對高溫性能的影響

3.1 動穩定度指標評價

本文依托國道324線改擴建工程試驗路，對拌和樓不同拌和工藝進行了試驗對比.主要采用常規干法工藝和“巖瀝青后加工藝”，兩種工藝的拌和樓工作流程見圖3[11].根據試拌效果確定基質瀝青油石比為4.4%.

圖3 生產工作流程圖

在拌和樓中分別采用巖瀝青后加工藝和常規工藝拌制布敦巖瀝青混合料，取出后將其置于165 ℃的烘箱中保溫2 h(模擬施工運輸過程中的短期老化)，成型300 mm×300 mm×50 mm的試件，常溫靜置48 h后，將其置于60 ℃條件下保溫5 h進行動穩定度測試.試驗結果見表5.由表5可知，拌和樓中采用巖瀝青后加工藝拌制的布敦巖瀝青混合料動穩定度高于常規工藝，說明巖瀝青后加工藝有助于布敦巖瀝青混合料高溫性能的改善.

表5 不同拌和方式布敦巖瀝青混合料動穩定度試驗結果

3.2 抗剪強度指標評價

在兩種不同拌和工藝生產的布敦巖瀝青試驗段鉆取直徑(100±2.0) mm的芯樣，采用文獻[12]附錄F中的瀝青混合料單軸貫入強度試驗方法評價拌和樓不同拌和工藝生產的布敦巖瀝青混合料高溫性能.將芯樣兩端切平，置于60 ℃烘箱中保溫5 h，隨后采用MTS進行加載，加載速率為1 mm/min，記錄壓力和位移，當應力值降為應力極值點90%時，停止試驗.取破壞極值點強度作為試件貫入強度.芯樣的抗剪強度試驗結果見表6.由表6可知，巖瀝青后加工藝的抗剪強度明顯高于常規工藝，這一結論與室內車轍試驗結果保持一致，充分說明巖瀝青后加工藝有助于改善布敦巖瀝青混合料的高溫性能.

表6 AC-20布敦巖瀝青混合料芯樣抗剪強度結果

4 結 論

1) 短期老化后的布敦巖瀝青混合料動穩定度均高于未短期老化的布敦巖瀝青混合料；

2) 隨著放置時間的延長，短期老化對混合料動穩定度的提升作用相對更加明顯；

3) 放置時間的延長有助于布敦巖瀝青混合料動穩定度的增長，但是一定時間后增長并不明顯.建議布敦巖瀝青混合料車轍試驗時試件放置時間為48 h.

此外采用車轍試驗和單軸貫入試驗對拌和樓不同拌和工藝的布敦巖瀝青混合料高溫性能進行研究，結果發現巖瀝青后加工藝拌制的布敦巖瀝青混合料的高溫性能優于常規工藝.因此建議在布敦巖瀝青實際工程應用時優選巖瀝青后加工藝進行施工生產.

[1] 劉樹堂.布頓巖瀝青改性瀝青混合料與瀝青混合料配合比設計理論研究[D].上海：同濟大學,2006.

[2] 李瑞霞,郝培文,王春,等.布敦巖瀝青改性機理[J].公路交通科技,2011,28(12):16-20.

[3] 劉黎萍,王明.基于流變學的RA改性瀝青性能研究[J].交通科學與工程,2014(3):6-9.

[4] 王明,林發金,劉黎萍.布敦巖瀝青灰分膠漿動態流變性能和微細觀特性[J].同濟大學學報(自然科學版),2016(4):567-571.

[5] 尹應梅,張肖寧.布敦巖瀝青對瀝青膠漿高溫流變特性的影響[J].武漢理工大學學報,2010(7):85-89.

[6] 楊凱.布敦巖瀝青混合料配合比設計方法及性能研究[D].西安：長安大學,2012.

[7] 王瑋.BRA改性瀝青及其混合料性能研究[D].長沙：長沙理工大學,2008.

[8] 高經緯.巖瀝青混合料拌和工藝對其性能的影響及機理分析[D].上海:同濟大學,2016.

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[10] 顏佳富.基于漢堡試驗的瀝青混合料車轍影響因素研究[J].交通建設與管理,2013(8):64-65.

[11] 安徽省交通規劃設計研究院.安徽省地方標準(道路用布敦巖瀝青):DB34/T 2323-2015[S].合肥：安徽省交通規劃設計研究院，2015.

[12] 中交路橋技術有限公司.公路瀝青路面設計規范：JTG D50-2017[S].北京:人民交通出版社,2017.