天然巖瀝青改性瀝青混合料的性能研究

徐向前 張 菁 楊 寧 陳 濤 張昊宇

（中信建設(shè)有限責(zé)任公司，北京 100027）

0 引言

天然巖瀝青是一種由無(wú)機(jī)混合物和瀝青基質(zhì)組成的材料，通常形成于巖石裂縫中[1]。天然巖瀝青經(jīng)過(guò)加工成粉末狀后，與普通基質(zhì)瀝青具有良好的相容性，可以增加瀝青混合料的黏稠度和彈性。研究表明，將天然巖瀝青作為改性劑摻入基質(zhì)瀝青中，可以提高混合料的抗剝離性能、耐久性、抗剪力及其抗車轍和抗老化特性。這有利于降低路面病害的出現(xiàn)，同時(shí)提升道路的承重力和使用壽命。本文結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和試驗(yàn)路段鋪筑兩個(gè)方式，綜合分析評(píng)價(jià)采用天然巖瀝青對(duì)瀝青混合料性能的改善效果。

1 工程概況

新堰南路北延線（ВK0+000~BK1+747.81）位于資陽(yáng)臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)三草灣片區(qū)，起點(diǎn)于橫三路，終點(diǎn)接?jì)勺哟蟮馈Ｐ卵吣下繁毖泳€為城市次干路，設(shè)計(jì)時(shí)速40km/h，新堰南路全長(zhǎng)1747.81m，標(biāo)準(zhǔn)斷面紅線寬度29m。鋪筑試驗(yàn)選用資陽(yáng)市臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)新堰南路，上面層、中面層、下層面均采用天然巖瀝青改性瀝青。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體為：20cm 水泥穩(wěn)定碎石底基層+20cm 水泥穩(wěn)定碎石基層+20cm 級(jí)配碎石墊層+乳化瀝青PCR-2（1.0L/m2）透層+7cm 中粒式天然巖改性瀝青混合料AC-20C 下面層+5cm 中粒式天然巖瀝青改性瀝青混合料AC-13C 中面層+機(jī)械噴灑道路用改性乳化瀝青黏油層（PCR-3）0.7L/m2+5cm天然巖改性瀝青混合料AC-13C上面層，總厚度78cm。

2 天然巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青及集料產(chǎn)生的影響

2.1 天然巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青改性效果研究

采用埃索AH-70 號(hào)基質(zhì)瀝青，添加5%天然巖瀝青。基質(zhì)瀝青的改性步驟如下：首先，根據(jù)預(yù)設(shè)的比例，將天然巖瀝青加入基質(zhì)瀝青中，并進(jìn)行持續(xù)25min的攪拌，以保證天然巖瀝青在基質(zhì)瀝青中均勻分布，直至沒(méi)有顆粒物存在。接著，將其混合物加熱至175℃，并高速剪切20min，再將其置入175~180℃烘箱中，繼續(xù)處理1.5h，最終得到改性瀝青。為了明確基質(zhì)瀝青與經(jīng)改性后瀝青之間的性能差異，對(duì)兩者都進(jìn)行了針入度、延度以及軟化點(diǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所示。

表1 埃索AH-70號(hào)瀝青改性前后指標(biāo)對(duì)照

通過(guò)使用天然巖瀝青進(jìn)行改性處理，改性后的瀝青混合料抗高溫性能較基質(zhì)瀝青明顯提高。在加入天然巖瀝青后，改性瀝青的針入度和延度降低，而軟化點(diǎn)升高。此外，隨著天然巖瀝青摻量的不斷增加，瀝青的感溫性能也隨之增加。

天然巖瀝青具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，高溫下具有多個(gè)活性點(diǎn)。混合天然巖瀝青和基質(zhì)瀝青會(huì)增加瀝青的黏稠度，降低針入度。但是若摻入基質(zhì)瀝青過(guò)多，就會(huì)改變?yōu)r青分子結(jié)合其他分子的能力，導(dǎo)致其延展度下降。天然巖瀝青本身具有較高的含碳量，所以高溫黏度較高，提高了瀝青基質(zhì)的高溫性能和軟化點(diǎn)。

2.2 天然巖瀝青對(duì)不同粗細(xì)集料粘附性的影響

黏附性是指瀝青所產(chǎn)生的結(jié)合集料的黏附力，該屬性對(duì)瀝青混凝土路面的使用耐久性影響較大。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，對(duì)于集料中最大粒徑大于13.5mm 的顆粒，采用水煮法對(duì)基質(zhì)瀝青及天然巖瀝青改性瀝青的黏附性進(jìn)行試驗(yàn)。該試驗(yàn)步驟為：先將瀝青加熱至145℃，然后把預(yù)熱的集料浸入其中，保持15min 后取出，以確保集料完全被瀝青包裹，然后在室溫下冷卻，最后在水中浸煮并觀察瀝青膜的剝落情況，以評(píng)定黏附性等級(jí)。該黏附性評(píng)定等級(jí)用來(lái)反映粗集料的抗水剝離能力，進(jìn)而反映瀝青混凝土路面的耐久性能。

試驗(yàn)結(jié)果表明，相較于基質(zhì)瀝青，天然巖瀝青改性瀝青對(duì)各種集料的黏附性表現(xiàn)更為出色，但同時(shí)集料的特性對(duì)黏附性也起著重要作用。天然巖瀝青改性瀝青與石灰?guī)r在黏附性方面表現(xiàn)最佳，玄武巖的黏附性居中，花崗巖的黏附性則最低。不同成分的天然巖，其性能會(huì)有不同的表現(xiàn)。石灰?guī)r是一種堅(jiān)硬的沉積巖，含有碳酸鈣（CaCO3），屬于疏水性材料；而花崗巖主要成分包括長(zhǎng)石、云母和石英，是一種巖漿巖。因此，瀝青與集料的黏附性與集料本身的性質(zhì)有一定的相關(guān)性。

3 天然巖瀝青改性瀝青混合料性能研究

設(shè)計(jì)選用AC-13C型基質(zhì)瀝青，加入不同量的天然巖瀝青來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，以此評(píng)估天然巖瀝青對(duì)混合料路面性能的改善效果。

3.1 不同摻量的天然巖瀝青改性瀝青混合料高溫性能

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE 20-2011），在確定的基準(zhǔn)配合比情況下，添加不同用量的天然巖瀝青（分別為3.5%、4.5%、5.5%），以分析在高溫下，各種不同摻量的天然巖瀝青對(duì)瀝青基質(zhì)混合料的影響情況。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2的數(shù)據(jù)來(lái)看，把天然巖瀝青加入基質(zhì)瀝青后，能夠顯著提升混合料的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和抵抗變形的能力，這樣就能增強(qiáng)混合料在高溫環(huán)境中的抗車轍性能[2]。另外，隨著天然巖瀝青的加入量增大，混合料的高溫表現(xiàn)也逐步得到提升。

表2 天然巖瀝青改性瀝青混合料的高溫性能試驗(yàn)

3.2 不同摻量的天然巖瀝青改性瀝青混合料水穩(wěn)定性

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE 20-2011），在確定的基準(zhǔn)配合比下，分別添加3.5%、4.5%和5.5%的天然巖瀝青，本試驗(yàn)旨在研究天然巖瀝青在復(fù)雜環(huán)境特殊條件下對(duì)改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3 天然巖瀝青改性瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)

根據(jù)表3 的數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：天然巖瀝青的加入對(duì)混合料的水穩(wěn)定性影響較小，整體呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。這是由于天然巖瀝青增加了膠結(jié)料的黏度，進(jìn)而提高了混合料的水穩(wěn)定性。

4 試驗(yàn)路鋪筑后期觀測(cè)

試驗(yàn)段選取資陽(yáng)市臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)新堰南路段BK0+000~BK1+747.81，依據(jù)施工配比設(shè)計(jì)，天然巖瀝青的摻量設(shè)定為整個(gè)瀝青混合料的4.7%。然而，根據(jù)實(shí)際的施工情況，將天然巖瀝青的摻量調(diào)整為4.6%，基質(zhì)瀝青的摻量為3.9%（因?yàn)樘烊粠r瀝青中包含的瀝青成分可以替換掉相同數(shù)量的基質(zhì)瀝青）。

4.1 車轍試驗(yàn)檢測(cè)

團(tuán)隊(duì)在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)借由保溫桶采樣進(jìn)行了輪跡試驗(yàn)，制作出3塊試樣，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度分別為7795次/mm、8940 次/mm 以及9050 次/mm，平均值達(dá)8595 次/mm。在非測(cè)試區(qū)段，選用了普通瀝青配合料，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度為3957 次/mm。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采樣試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，天然巖瀝青的加入使得混合料的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度提高至8595次/mm，而一般的瀝青配合料的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度則為3957次/mm。因此，添加天然巖瀝青的混合料的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度是常規(guī)瀝青的2.1 倍。這意味著天然巖瀝青對(duì)瀝青混合料的抗車轍性能有顯著改善效果。

4.2 路面壓實(shí)度檢測(cè)

在取樣試驗(yàn)后，得出芯樣的原體積密度為2.439，而試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)密度為2.424，最大理論密度為2.611。通過(guò)計(jì)算，試驗(yàn)路的壓實(shí)性能達(dá)到了試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)密度的99.8%，超越了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的97%，同時(shí)相對(duì)于最大理論密度的壓實(shí)性能也達(dá)到了93.4%，也超過(guò)了所規(guī)定的93%[3]。

4.3 路面抗?jié)B水性能檢測(cè)

為了評(píng)估試驗(yàn)路段中上面層瀝青混合料的滲水系數(shù)，故進(jìn)行滲水系數(shù)試驗(yàn)，測(cè)得結(jié)果為144ml/min 和139ml/min，符合設(shè)計(jì)要求的滲水系數(shù)<250ml/min。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合上述試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

（1）天然巖瀝青能提高基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)，其高溫性能隨著摻量的增加不斷升高，針入度和延度會(huì)降低。

（2）通過(guò)加入天然巖瀝青，可以增強(qiáng)瀝青集料的粘附力，但過(guò)量會(huì)降低這種粘性。

（3）添加天然巖瀝青有助于提高瀝青混合料在高溫下的穩(wěn)定性，且提升效果顯著。隨著摻入量的增加，這種效果會(huì)更加顯著。

（4）瀝青基質(zhì)混合料水穩(wěn)定性隨著天然巖瀝青的摻入，其水穩(wěn)定性出現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，存在最佳的摻配比例。