布頓巖瀝青改性瀝青混合料路用性能研究

張小建

（山西省公路局 陽泉分局，山西 陽泉 045000）

0 引言

天然布敦巖瀝青原產(chǎn)于印度尼西亞的布敦島，它的天然瀝青儲量是世界上最大的，布敦巖瀝青是由海底的原油在漫長復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境的變化過程中，在水、地?zé)峒拔⑸锏染C合環(huán)境條件作用下，海底原油的輕、重組分發(fā)生揮發(fā)、氧化、縮合等重組變化并浸透周圍的石灰?guī)r生成的天然巖瀝青，通常又將布敦瀝青簡稱為布敦巖瀝青BRA（Boton Rock Asphalt）。常溫下天然布敦巖瀝青呈固體顆粒粉末狀，抽提試驗表明，其中含有大約20%的瀝青，其余80%為礦物成分敦巖瀝青在印尼有應(yīng)用，國內(nèi)也有部分地區(qū)在工程中開始嘗試[1]；本文就布頓巖瀝青應(yīng)用于瀝青及瀝青混合料的改性效果進行了一系列的研究。

1 試驗原材料及級配設(shè)計

1.1 試驗原材料

1.1.1 瀝青膠結(jié)料

布敦島的天然巖瀝青為親油性，其疏水性強，礦物質(zhì)大部分為石灰石、顆粒細而均勻地被瀝青油包裹并浸透改性成有機礦物質(zhì)。布敦島的天然巖瀝青經(jīng)過初步加工處理后，其外觀形態(tài)為棕色粉末狀顆粒，其天然巖瀝青顆粒有一定的粒度范圍，因其原產(chǎn)礦區(qū)的不同其天然巖瀝青顆粒中所含的純天然瀝青和無機礦物質(zhì)的含量上會呈現(xiàn)出不同，本次試驗所采用的布頓巖瀝青基本物理指標見表1。

表1 本次試驗布敦巖瀝青基本物理參數(shù)

本文以所選用的天然布頓巖瀝青作為改性劑，以70號道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，通過濕法改性設(shè)備磨細制備布敦巖瀝青改性瀝青；以制備完成的改性瀝青及其基質(zhì)瀝青作為膠結(jié)料進行瀝青混合料的性能評價與比較。根據(jù)工程的使用特性我們在制備布敦巖瀝青改性瀝青時將布頓巖瀝青的摻量定為20%，并且根據(jù)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程對70號基質(zhì)瀝青及制備完成的布敦巖改性瀝青進行常規(guī)性能指標檢驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 70號基質(zhì)瀝青、20%布敦巖改性瀝青試驗數(shù)據(jù)

由表2可以看出，20%布頓巖瀝青的加入降低了基質(zhì)瀝青的針入度，使原基質(zhì)瀝青的針入度由66降低到57，軟化點由原來的47.5℃升高到51.5℃,60℃動力黏度由原來的285 Pa·s提高到487 Pa·s，升高了近170%，這表明布頓巖瀝青的加入明顯地提高了原基質(zhì)瀝青的硬度。另外，布頓巖瀝青的加入對瀝青的溶解度也產(chǎn)生了很大的影響，這是因為天然巖瀝青顆粒中含有較高含量的石灰石等無機顆粒，通過灰分試驗指標可以得到體現(xiàn)。由于瀝青是一種有機物，根據(jù)相似相容原理，由布頓巖瀝青改性瀝青時要注意其穩(wěn)定性的問題，在施工時熱溶狀態(tài)下，應(yīng)當注意加強采取攪拌或其他穩(wěn)定措施保證其均勻性。

1.1.2 集料

本次瀝青混合料級配設(shè)計所采用礦料全部為石灰?guī)r集料，級配填充料為石灰?guī)r礦粉，根據(jù)《公路路面集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）對所用集料進行了相關(guān)試驗，石料密度結(jié)果見表3。

表3 集料的基本性能指標

1.2 級配設(shè)計

由于布敦巖改性瀝青中含有高含量的有機不溶物，為被巖瀝青浸透改性的碳酸鈣等礦物，且該不溶物具有一定的粒徑范圍，因此在級配設(shè)計過程中應(yīng)適當加以考慮，本次試驗中在正常級配的基礎(chǔ)上適當降低0.075 mm篩孔的通過率。本次試驗進行了兩種級配—瀝青組合設(shè)計，合成礦料的級配組成見表4。

級配—瀝青組合如下：1號級配類型為AC-20，膠結(jié)料為70號基質(zhì)瀝青；2號級配類型為AC-20，膠結(jié)料為70號布頓巖瀝青（布敦巖瀝青摻20%）。

表4 合成礦料的級配組成通過率 %

采用旋轉(zhuǎn)壓實法對選定的級配采用4.1%、4.4%、4.7%3個瀝青含量進行瀝青含量的優(yōu)化。采用表干法測試試件，根據(jù)試件體積指標選擇最佳瀝青含量。最終確定最佳瀝青含量為4.3%。通過最佳瀝青用量試驗比較，摻加20%布敦巖瀝青的改性瀝青最佳瀝青用量與采用70號基質(zhì)瀝青的最佳瀝青用量（一般為4.3%～4.4%）相差不大，即表明在相同體積指標下不需要增加瀝青用量，即摻加的20%布敦巖瀝青可以替代同等量的基質(zhì)瀝青。在進行瀝青混合料性能評價時，采用4.3%的瀝青含量進行混合料制件，并進行相關(guān)試驗，體積指標結(jié)果見表5。由表5可以看出集料級配組成符合規(guī)范要求[2]。

表5 瀝青混合料體積試驗結(jié)果 %

2 瀝青混合料性能試驗

2.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料高溫穩(wěn)定性采用漢堡輪轍試驗方法進行評價，漢堡輪轍試驗參照AASHTO T324和美國得克薩斯州Tex-242-F的試驗方法進行，漢堡輪轍試驗是目前測試瀝青混合料水敏感性和抗車轍性能試驗條件最苛刻的試驗設(shè)備之一，并且漢堡輪轍試驗結(jié)果與瀝青混合料的現(xiàn)場性能具有良好的相關(guān)性，因此漢堡輪轍試驗指標能較好地反應(yīng)混合料的路用性能，試驗結(jié)果見表6。

表6 瀝青混合料漢堡試驗結(jié)果

圖1 瀝青混合料漢堡輪轍曲線圖

瀝青混合料漢堡輪轍試驗結(jié)果顯示，其20 000次變形量最大為5.39 mm，滿足德克薩斯州交通部（TxDOT）公路施工及維護規(guī)范所要求的瀝青膠結(jié)料PG—76等級要求，且沒有出現(xiàn)剝落拐點，這表明摻加20%布敦巖瀝青的改性瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性。

2.2 水穩(wěn)定性

瀝青混合料在浸水條件下，由于瀝青與礦料的黏附力降低，導(dǎo)致?lián)p壞，最終表現(xiàn)為混合料的整體力學(xué)強度降低，因此瀝青混合料的水穩(wěn)定性最終是由浸水條件下瀝青混合料物理力學(xué)性能降低的程度來表征的[3]。此次設(shè)計采用凍融劈裂試驗來檢驗混合料水穩(wěn)定性，對70號基質(zhì)瀝青、布敦巖20%改性瀝青凍融劈裂試驗結(jié)果及對比數(shù)據(jù)見表7。

表7 凍融劈裂試驗結(jié)果及對比

凍融劈裂試驗結(jié)果顯示，摻加20%布頓巖瀝青的改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能夠滿足相應(yīng)的施工技術(shù)規(guī)范的技術(shù)要求，摻加布敦巖瀝青的混合料的劈裂強度比70號基質(zhì)瀝青混合料有所提高，這也正好與前面所提到的布頓巖瀝青可以提高瀝青的硬度相吻合。

2.3 低溫性能

本次試驗采用規(guī)范規(guī)定的低溫小梁彎曲試驗對混合料的低溫抗裂性能進行評價，試件是由輪碾成型后切制的長250 mm±2.0 mm，寬30 mm±2.0 mm，高35 mm±2.0 mm的棱柱體小梁，其跨徑為200 mm±0.5 mm。試驗溫度為-10±0.5℃，加載速率為50 mm/min。試驗結(jié)果見表8。

表8 小梁低溫彎曲試驗結(jié)果

由表8可以看出，本次設(shè)計的AC-20型瀝青混合料當以70號基質(zhì)瀝青及20%布頓巖瀝青的改性瀝青作為膠結(jié)料時，兩種瀝青混合料的低溫彎曲破壞應(yīng)變能夠滿足冬冷區(qū)對于普通瀝青混合的最低值要求，摻加20%布敦巖瀝青的改性瀝青混合料其最大彎拉應(yīng)變大于70號基質(zhì)瀝青混合料的最大彎拉，這表明摻加20%布敦巖瀝青混合料在其低溫性能上甚至要優(yōu)于普通70號瀝青混合料。

3 結(jié)論

a）添加20%布敦巖瀝青粉末的改性瀝青明顯提高了基質(zhì)瀝青的硬度，增大了基質(zhì)瀝青的黏度；在進行AC-20型瀝青混合料設(shè)計時，添加20%布敦巖瀝青粉末的改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性與劈裂強度均有一定程度的提高，能夠滿足施工技術(shù)規(guī)范的技術(shù)要求，并且其混合料水穩(wěn)定性滿足規(guī)范對于瀝青混合料水穩(wěn)定性的技術(shù)指標要求。低溫彎曲破壞應(yīng)變能夠滿足氣候分區(qū)從冬寒區(qū)到冬溫區(qū)普通瀝青混合料的技術(shù)指標。

b）添加20%布敦巖瀝青粉末瀝青混合料在同等體積指標的情況下不增加最佳瀝青用量，即摻加的布敦巖瀝青可以減少同等量的基質(zhì)瀝青用量，而布敦巖瀝青的市場價格遠低于基質(zhì)瀝青的價格，因此布敦巖瀝青的使用可以明顯降低工程的成本，具有推廣價值。

c）20%布頓巖瀝青改性瀝青中含有高含量的有機不溶物，該有機不溶物具有一定的粒徑范圍，在配合比設(shè)計過程中要注意對0.075 mm篩孔通過率的控制；施工時熱溶狀態(tài)下，應(yīng)當注意加強采取攪拌或其他穩(wěn)定措施保證其均勻性。