巖瀝青對瀝青混合料路用性能的影響

齊 欽，謝頌詩

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074）

0 引言

近一、二十年來，我國的交通運輸事業尤其是公路橋梁等基礎設施的建設得到了飛速發展。瀝青路面由于具有水泥混凝土路面無法比擬的優越性而應用廣泛，在我國二級以上公路中已占到90%以上。但由于我國的交通量迅速增大，重載車比例大幅增加，渠化交通日益加劇，對道路瀝青的質量要求逐漸提高[1～2]。普通瀝青由于高低溫和耐老化性能不佳已無法達到高等級公路瀝青路面的性能要求。

目前，在我國的高等級公路建設中廣泛采用聚合物改性瀝青，從使用效果來看，聚合物改性瀝青的應用增強了瀝青路面抵抗各種病害的能力，使其服務壽命得到延長。但聚合物改性劑與瀝青的分子量相差較大，很容易與基質瀝青發生分層與離析，同時在生產改性瀝青時還需利用特殊的剪切設備并消耗較多的能源，這在一定程度上限制了聚合物改性瀝青的應用[3～4]。近年來，巖瀝青由于高溫性能好、耐老化、抗剝離性好、與基質瀝青相容性好、無需添加特殊的生產設備等優點逐步得到了應用。因此，有必要針對巖瀝青對混合料高低溫、水穩等路用性能的影響開展研究，并與其他瀝青混合料進行對比，從而為巖瀝青的推廣應用提供一定的參考依據。

1 試驗原材料

本研究中瀝青采用 SK70#基質瀝青和 SBS 成品改性瀝青，巖瀝青采用印尼布敦巖瀝青。SK70#基質瀝青和 SBS 改性瀝青的性能指標見表1、表2，兩種巖瀝青的性能指標見表3。

表1 SK70#基質瀝青各性能指標

表2 SBS改性瀝青各性能指標

表3 巖瀝青的性能指標

混合料中的粗細集料為玄武巖，礦粉為磨細的石灰巖，經檢驗粗細集料及礦粉的各項指標均能滿足我國現行規范要求。

2 配合比及試驗方案設計

2.1 混合料的配合比設計

本文的礦料級配采用工程中常用的 AC-13 級配，混合料中各檔礦料的通過率見表4。

表4 混合料中各檔礦料的通過率

在以上設計級配的基礎上，采用 SK70#基質瀝青分別成型油石比為 4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%的馬歇爾試件，分別測定試件的穩定度和其他體積指標，并根據油石比與瀝青混合料各指標間的關系，按照瀝青路面設計規范的要求確定SK70#基質瀝青的最佳油石比為 4.8%。在相同的條件下，通過馬歇爾設計法確定 SBS 改性瀝青的最佳油石比為 5.0%。

采用“干法”工藝制備巖瀝青改性混合料，即先將一定摻量的巖瀝青與集料拌合均勻后再加入SK70#基質瀝青進行拌合，最后加入礦粉拌合后得到巖瀝青改性瀝青混合料。本研究中采用 3 種摻量的巖瀝青進行試驗，即摻量分別為混合料質量的 3%、4%和 5%（外摻）。根據混合料各指標與油石比的關系確定摻量為 3%的巖瀝青改性混合料的最佳油石比為 4.6%，為了便于分析不同摻量對混合料路用性能的影響，在巖瀝青的摻量為 4%和5%時仍采用 4.6%的油石比。

2.2 試驗方案設計

為了系統地研究巖瀝青對混合料路用性能的影響，本文分別從高溫、低溫和水穩和力學性能方面開展研究，并與基質瀝青和 SBS 改性瀝青混合料進行對比分析。

（1）高溫性能方面

采用國產車轍試驗評價不同瀝青混合料在高溫環境下抵抗車轍變形能力的差異。在試驗過程中的溫度為 60℃，輪胎接地壓強為 0.7 MPa，碾壓速度 42 次/min，采用動穩定度作為評價指標。

（2）低溫性能方面

采用低溫彎曲試驗評價巖瀝青對混合料低溫抗裂性能的影響，試驗采用 MTS810 萬能試驗機作為加載裝置，在-10℃± 0.5℃的環境箱中以50 mm/min 的速率施加荷載直至試件發生破壞。根據相關公式，利用試件破壞時的荷載和變形等參數計算得到最大彎拉應變等指標，進而評價不同瀝青混合料低溫抗裂性能的差異。

（3）水穩定性方面

分別以浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗作為評價不同瀝青混合料水穩定性差異的依據。前者通過將試件分為兩組，然后分別在 60℃的恒溫水槽中保溫 30 min 和 48 h，并以經過不同保溫處理的兩組試件穩定度的比值即殘留穩定度為評價指標。凍融劈裂試驗同樣將試件分成兩組，并進行不同處理，以兩組試件劈裂強度的比值即凍融劈裂強度比作為評價指標。

（4）力學性能方面

若由溫度驟降引起的收縮應力或由行車作用引起的剪應力超過混合料的極限強度時，瀝青路面很容易發生破壞，嚴重影響其服務水平和使用壽命，因此需針對瀝青混合料的力學性能開展試驗研究。在間接拉伸試驗的力學模式下，混合料破壞時處于極限受拉狀態，間接拉伸強度可以反映混合料的抗拉、抗裂能力。本文采用間接拉伸試驗評價摻加不同比例的巖瀝青后混合料力學特性的變化情況，試驗過程中的溫度為 15℃，施加荷載的速率為 50 mm/min。

3 試驗結果分析

3.1 巖瀝青對瀝青混合料的高溫性能的影響

按照我國試驗規程的相關要求，分別對基質瀝青和 SBS 改性混合料及摻有 3 種摻量巖瀝青的混合料進行 60℃的國產車轍試驗，試驗結果見表5。

表5 車轍試驗結果

從表5可以看出:

（1）與普通瀝青混合料相比，當巖瀝青的摻量為 3%、4%、5%時，混合料的動穩定度分別增加217.2%、258.3%和 265.0%，混合料的最終車轍深度分別減小 27.8%、36.2%和 37.2%?？梢?，巖瀝青的摻入大幅度地提高混合料的高溫抗車轍變形能力。

（2）巖瀝青的摻量變化同動穩定度的增大和車轍深度的減小并不是呈線性關系，動穩定度隨著巖瀝青摻量的增加先急劇增大后緩慢增加，車轍深度隨著巖瀝青摻量的增加先急劇減小后逐步趨于穩定。在摻量為 4%時，摻加巖瀝青的混合料的動穩定度比 SBS 混合料稍大，此后，隨著巖瀝青摻量的繼續增大，混合料高溫性能的提升幅度不大。因此，在混合料中通過摻加 4%的巖瀝青來改善其高溫抗車轍變形能力是合理的。

（3）巖瀝青可以顯著提高混合料的高溫穩定性，這是因為巖瀝青的軟化點較高，同時在其含有的純瀝青中瀝青質所占的比例較大，使混合料中結合料的軟化點升高，粘度增大；從而使得瀝青膠漿在高溫條件下的流變特性得到明顯改善，大大增強其抵抗流動變形的能力，顯著提高普通混合料的高溫穩定性，最終賦予瀝青路面良好的高溫抗車轍變形能力[5]。

3.2 巖瀝青對瀝青混合料的低溫性能的影響

按照我國試驗規程的相關要求，在-10℃的條件下進行小梁低溫彎曲試驗，采用 MTS810 萬能試驗機作為加載設備，加載速率為 50 mm/min，五種混合料的低溫彎曲試驗結果見表6。

表6 不同混合料的低溫彎曲試驗結果

從表6中可以看出：

（1）與普通瀝青混合料相比，當混合料中巖瀝青的摻量為 3%、4%、5%時，其最大彎拉應變分別增加了 23.8%、32.4%和 28.7%，抗彎拉強度分別增加 9.0%、12.5%和 10.6%，彎曲勁度模量分別減小11.9%、15.0%和 14.1%?？梢姡瑤r瀝青的摻入對混合料的低溫性能具有一定的改善作用。

（2）根據混合料各低溫指標隨著巖瀝青摻的變化情況可以看出，并不是巖瀝青的摻量越大混合料的低溫性能越好，當巖瀝青的摻量超過 4%以后會對混合料的低溫抗裂性能產生不利影響。這是因為巖瀝青中灰分等礦物質的含量較高，當巖瀝青摻量過多時混合料在低溫環境中變硬變脆，增加了發生低溫開裂的可能性。

（3）當混合料中巖瀝青的摻量為 4%時，其最大彎拉應變等低溫指標最優，且與 SBS 改性瀝青混合料相差不大，建議在實際工程應用中巖瀝青的摻量不宜超過混合料質量的 4%。

3.3 巖瀝青對瀝青混合料水穩定性的影響

浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗是我國現行試驗規程推薦的評價混合料水穩定性最常用的方法，本文采用以上方法評價巖瀝青對混合料水穩定性的影響，試驗結果分別見表7、表8。

表7 不同混合料的浸水馬歇爾試驗結果

表8 不同混合料的凍融劈裂試驗結果

從表7和表8可以看出：

（1）與普通瀝青混合料相比，在混合料中摻加巖瀝青后其殘留穩定度和凍融劈裂強度比指標均有不同程度的增加。摻加 3%的巖瀝青后，與普通瀝青混合料相比，殘留穩定度增加 6.6%，凍融劈裂強度比增加 11.5%；當巖瀝青摻量增加至 4%和5%時，殘留穩定度分別增加 8.5%、7.6%，凍融劈裂強度比分別增加 14.9%、15.3%。可見，在 3%～5%的摻量范圍內，混合料的水穩定性隨著巖瀝青摻量的變化無顯著差異。在摻量為 4%時，摻有巖瀝青的混合料的抗水損能力同 SBS 改性瀝青混合料基本相當。

（2）巖瀝青的摻入能顯著改善混合料的水穩定性，這主要是因為巖瀝青中的氮含量較高，且大多以官能團的形式存在，使得巖瀝青可以很好地抵抗自由氧化基的作用并具有良好的浸潤性。具體表現為混合料中瀝青膠漿的粘度增大，瀝青與集料的粘附性增強，不易出現瀝青從集料表面剝落的現象?；旌狭现械膸r瀝青起到了抗剝落劑的作用，但由于巖瀝青具有良好的抗老化性能，其改善混合料水穩定性的效果要優于工程中常用的胺類抗剝落劑。

3.4 巖瀝青對瀝青混合料力學性能的影響

按照我國試驗規程的相關要求，采用 MTS810萬能試驗機作為加載設備對五種不同的混合料開展間接拉伸試驗，試驗過程中的溫度為 15℃，加載速率為 50 mm/min。不同混合料的間接拉伸強度見圖1。

圖1 不同瀝青混合料的間接拉伸強度

從圖1可以看出，巖瀝青對混合料的間接拉伸強度有顯著影響，當巖瀝青摻量為 3%、4%和5%時，混合料的間接拉伸強度較普通瀝青混合料分別增大 74.9%、77.8%和 78.5%，且均大于 SBS改性瀝青混合料。間接拉伸強度可以反映混合料的抗拉、抗裂能力，表明巖瀝青改性瀝青混合料可以更好的承受交通荷載的作用，不易出現開裂等病害。在混合料中摻加巖瀝青有助于提高瀝青路面的服務水平，并能在一定程度上延長其使用壽命。

4 結論

通過對普通瀝青混合料、摻加三種摻量巖瀝青的普通瀝青混合料和 SBS 改性瀝青混合料開展室內試驗，發現巖瀝青對混合料的高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗水損和力學性能均有不同程度的改善作用，其中以高溫性能提升的幅度最大，可以通過摻加巖瀝青來改善瀝青混合料的路用性能。綜合不同摻量條件下的巖瀝青對混合料高低溫、水穩等性能的影響，在摻量為 4%時，巖瀝青改性混合料的各項性能最優，此時巖瀝青改性混合料的路用性能同 SBS 改性瀝青混合料基本相當。因此，在實際工程中建議采用摻量為 4%的巖瀝青來改善混合料的路用性能。

[1] 陸兆峰,何兆益,秦旻.采用天然巖瀝青改性的瀝青混合料路用性能[J].中南大學學報（自然科學版）,2010,41(6):2407-2411.

[2] 李瑞霞,郝培文,王春,等.布敦巖瀝青混合料路用性能研究[J].武漢理工大學學報,2011,33(9):50-54.

[3] 宋小金,樊亮,申全軍.國產天然巖瀝青改性瀝青混合料路用性能研究[J].公路,2009(12):135-139.

[4] 吳粵軍,鹿傳建,李翔.國產巖瀝青在瀝青路面中的應用與分析[J].城市道橋與防洪,2011(3):139-142.

[5] 黃文通,徐國元.布敦巖瀝青混合料路用性能的試驗研究[J].華南理工大學學報（自然科學版）,2012,40(2):87-91.