天然巖瀝青改性瀝青混合料配合比設計分析

蘭建麗

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

天然巖瀝青在自然環境中保持常態，性質穩定，其代表性產品有位于南太平洋印度尼西亞蘇拉威西島東南部布敦島的布敦巖瀝青（BMA）及美國猶他州的北美巖瀝青（Gilsonite）。北美巖瀝青是一種有名的天然瀝青，它具有抗剝離、耐久、高溫抗車轍、抗老化四大特點，用于道路工程已有十余年的歷史。我國新疆、青海及四川一帶也有儲量豐富的天然巖瀝青。受國內外天然巖瀝青（湖瀝青、巖瀝青）的宣傳影響，天然巖瀝青似乎已經成為一種優良的道路瀝青改性劑，像很多聚合物改性劑一樣,可改善瀝青的高、低溫性能，以及優良的抗水損害能力[1]。由于不同產地的天然瀝青有著各自不同的物相組成特點，因而其帶來的路用性能提高作用也不相同，因此，只有對不同產地、不同礦脈的天然巖瀝青進行各項性能評價之后才可能推廣應用，這其中瀝青混合料的配合比是決定天然巖瀝青路面使用性能優良的關鍵性因素之一。

《巖瀝青路面工程應用技術指南》提出天然巖瀝青配合比設計可以采用兩種方法[2]。

a）方法一 首先按常規馬歇爾試驗方法進行基質瀝青（即不摻加巖瀝青）混合料的配合比設計，包括原材料的檢驗、瀝青混合料級配確定、最佳油石比確定和性能檢驗。然后對于確定的普通瀝青混合料最佳油石比，提高0～0.2%作為巖瀝青改性混合料的最佳油石比，并以巖瀝青改性混合料技術性能要求為依據，進行各種性能檢驗。

b）方法二 先在室內制備巖瀝青改性瀝青，把基質瀝青加熱到135℃，按比例摻加巖瀝青，繼續邊加熱邊攪拌，使巖瀝青逐漸分散在基質瀝青中，并在175℃條件下攪拌約30 min至巖瀝青均勻分散；也可采用高速剪切的方法制備。制備得到巖瀝青改性瀝青后，再按規范方法直接進行目標配合比設計。

工程實踐大多采用“干法”工藝（dry process）施工，即在瀝青混合料拌和鍋進行礦料干拌時，將巖瀝青作為添加劑投入拌和鍋，適當延長拌和時間制備巖瀝青改性混合料。天然巖瀝青作為一種瀝青混合料添加劑，其組成成分在不同產地差異顯著，其存在狀態會在高溫攪拌融化和高溫碾壓分布后發生變化，從而給路用性能帶來不確定性影響。上述配合比設計方法通過加大相應基質瀝青混合料0～2%瀝青含量確定最佳瀝青含量和巖瀝青添加量，這首先會帶來最佳瀝青用量難以選擇的問題，其次過大的瀝青含量變化會給天然巖瀝青摻量選擇帶來不確定因素，當路用性能不滿足相應要求時只能單純加大天然巖瀝青摻量，甚至導致該天然巖瀝青配合比設計失敗。本文基于我國某工程天然巖瀝青使用的配合比數據，對其配合比設計關鍵因素，特別是最佳瀝青用量的選擇作深入分析。

1 配合比試驗方案

1.1 膠結料

該工程基質瀝青配合比設計使用兩種基質瀝青，試驗結果見表1。

表1 瀝青膠結料試驗結果

1.2 基質瀝青混合料配合比

分別使用表中1號和2號瀝青，使用同一級配采用Superpave水平Ⅰ設計方法進行配合比設計，AC-13C配合比設計結果見表2。

表2 體積特性

從表2可知，兩種瀝青的瀝青混合料體積指標較為接近，均能滿足配合比設計要求。

1.3 巖瀝青對瀝青混合料級配的影響

天然巖瀝青生成于巖石夾縫中，使用過程中主要通過高溫攪拌方式使其內部蘊含瀝青質析出到瀝青膠漿中。若摻加巖瀝青必須確定其瀝青含量。通過燃燒法測試兩種巖瀝青進行試驗，結果見表3。

表3 天然巖瀝青燃燒篩分結果 %

由表3可知，3號和4號天然巖瀝青含量相同，但顆粒常態級配4號遠遠粗于3號，燃燒后的結果也是如此；另外每種巖瀝青燃燒前后級配組成，也即最終在混合料中存在狀態與其天然狀態變化顯著。由于巖瀝青工程實際摻量多為瀝青混合料總質量的2%～4%，摻量很大，因而對于瀝青混合料級配的影響必須予以考慮，不能單純通過增大瀝青含量0～2%簡單處理；再者由于巖瀝青級配在摻加前后變化顯著，通過考慮巖瀝青天然狀態巖瀝青級配并按照其級配組成設計瀝青混合料級配的方法，將會使瀝青混合料級配發生改變，最佳瀝青用量選擇帶來困難，這也成為天然巖瀝青改性瀝青混合料配合比設計的重點。

對燃燒后巖瀝青級配進行分析，很顯然0.6 mm篩孔以下成分較多（見表3中下劃線處通過率），該部分集料對瀝青混合料最佳瀝青含量影響顯著，由于燃燒后巖瀝青同時含有細集料和礦粉級配組分，因此本文配合比設計時，對摻加的巖瀝青去除瀝青質后摻量按1∶1分別替代礦粉和細集料。由此，在分別添加天然巖瀝青摻量3%～5%時AC-13C的配合比見表4。

表4 天然巖瀝青改性AC-13C配合比

根據表4可以看出，在巖瀝青摻量分別為瀝青混合料總量的3%～5%時，約2%～4%的細集料和礦粉被替換掉。

2 路用性能評價

為確保攪拌過程中天然巖瀝青從混合料中析出，按巖瀝青和集料1∶10的比例配制混合料，采用3種干拌時間和3種溫度進行攪拌試驗，通過外觀檢查巖瀝青析出效果，見表5。

表5 天然巖瀝青高溫攪拌效果外觀

3號和4號巖瀝青為同一產源，由表5可知，3號巖瀝青細，析出效果由攪拌溫度決定，攪拌時間影響不大；4號巖瀝青粗，同時受到攪拌時間和攪拌溫度影響。由此可見，較細的天然巖瀝青分散性更好，瀝青質更易于析出。通過表5試驗，天然巖瀝青改性瀝青混合料拌和溫度采用175℃±5℃，天然巖瀝青干拌時間調整為30 s，其他因素與普通瀝青混合料配合比設計試驗相同。需要說明的是按照該拌和溫度和干拌時間確定的瀝青含量與表4計算擬定結果吻合，無需按照《巖瀝青路面工程應用技術指南》調整0～2%最佳瀝青含量。天然巖瀝青配合比設計結果見表6。

表6 配合比設計結果

由圖1可知，1號和2號膠結料摻加巖瀝青后，隨著巖瀝青的摻加動穩定度會增加，但無論1號膠結料還是2號膠結料在摻加4號巖瀝青后動穩定度增幅不大，對于來自于同一產地的3號和4號巖瀝青，區別只在于巖瀝青中顆粒級配粗細程度不同，而較細的3號巖瀝青對于瀝青混合料的動穩定度指標提升顯著，這應該歸結為細小的巖瀝青試樣分散更均勻，更適合于“干法”工藝施工。

此外對于1號和2號膠結料而言，只有使用PG性能高溫分級較高的1號膠結料配制的巖瀝青改性瀝青混合料動穩定度能夠達到3 000次/mm以上，顯然巖瀝青對于瀝青混合料高溫性能的提高作用有限，因此使用天然巖瀝青改性瀝青混合料時，需要選用PG性能高溫等級更好的基質瀝青。

由圖2可知，各種瀝青混合料在摻加巖瀝青前后，凍融劈裂強度比并未發生明顯變化，只有5%摻量巖瀝青改性瀝青混合料凍融劈裂強度比有所降低，很顯然摻加巖瀝青對于瀝青混合料水穩定性影響不大，但由于摻加較多的巖瀝青會使瀝青混合料空隙率增大，可能會導致水穩定性下降。

由圖3可知，瀝青混合料在摻加3號巖瀝青后，-10℃彎曲應變能密度呈降低趨勢；4號巖瀝青對于各種瀝青混合料的-10℃彎曲應變能密度呈降低作用不并明顯。這表明：a）較細的3號巖瀝青分散性更好，降低了瀝青混合料低溫性能；而較粗的4號巖瀝青由于分散性不足，對瀝青混合料低溫性能作用不明顯。b）摻加巖瀝青會使得瀝青混合料低溫性能下降。因此寒冷地區使用巖瀝青時應選擇PG低溫性能分析更好的基質瀝青。

圖1 動穩定度試驗結果

圖2 凍融劈裂試驗結果

圖3 彎曲應變能密度

3 結論

綜上可知：

a）天然巖瀝青0.6 mm以下部分較多，使用其作為瀝青混合料添加劑時，為使配合比級配和最佳瀝青含量更為準確，配合比設計時巖瀝青中的0.6 mm顆粒成分應等量替代細集料和礦粉，這是確保對原基質瀝青混合料級配不發生顯著影響的關鍵。

b）拌和溫度對于天然巖瀝青中瀝青質析出影響顯著，它是決定準確選擇巖瀝青最佳瀝青含量的關鍵。

c）天然巖瀝青對于瀝青混合料高溫性能提升有限；級配較細的巖瀝青對于瀝青混合料高溫性能提升更為有效。

d）天然巖瀝青會降低瀝青混合料低溫性能。