制作工藝對(duì)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(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(nèi)部也包含瀝青成分[1-2]，礦物質(zhì)顆粒具有較強(qiáng)的吸附瀝青的能力，且能加強(qiáng)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(xiàn)[3-4]通過(guò)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(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，結(jié)果表明，瀝青組分的加入可以顯著改善基質(zhì)瀝青的抗車轍因子；在同一粉膠質(zhì)量比為0.8∶1的情況下，灰分膠漿PG高溫等級(jí)為PG76，比礦粉膠漿高一個(gè)等級(jí)，高溫抗變形能力優(yōu)于礦粉膠漿.尹應(yīng)梅等[5]發(fā)現(xiàn)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(jié)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B(niǎo)RA摻量增加，高溫抗車轍性能不斷增強(qiáng)[7].加上其施工工藝簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，近年來(lái)在實(shí)際工程中有較多應(yīng)用.但實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)往往忽視混合料運(yùn)輸過(guò)程中短期老化和施工后交通開(kāi)放時(shí)間的影響.由于車轍試驗(yàn)是評(píng)價(jià)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(yàn)研究短期老化和試件成型后不同放置時(shí)間(24,48，72 h)對(duì)布敦巖瀝青混合料高溫性能的影響，另外還對(duì)拌和樓不同拌和工藝下的布敦巖瀝青混合料高溫性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為布敦巖瀝青混合料的工程應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)原材料

選用70#道路石油瀝青，其技術(shù)指標(biāo)(見(jiàn)表1)均滿足相應(yīng)規(guī)范的技術(shù)要求.布敦巖瀝青為深褐色顆粒產(chǎn)品.不同礦區(qū)所產(chǎn)的BRA顆粒中的瀝青組分和灰分含量會(huì)有所不同，本研究所用的布敦巖瀝青技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2.

表1 70#基質(zhì)瀝青基本指標(biāo)

表2 布敦巖瀝青基本指標(biāo)

采用三氯乙烯對(duì)BRA進(jìn)行抽提試驗(yàn)，確定BRA中的天然瀝青(RA)含量為25.0%，對(duì)BRA及其抽提后獲得的灰分進(jìn)行篩分，結(jié)果見(jiàn)表3.并與礦粉的篩分結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，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(xì)，因此在布敦巖瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，將BRA直接替代礦粉有待商榷.此外，巖瀝青摻量對(duì)瀝青混合料性能的影響比較明顯，因此將灰分的篩分結(jié)果直接計(jì)入級(jí)配設(shè)計(jì)中有利于提高巖瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)的可靠性和準(zhǔn)確性.

表3 BRA及其灰分和礦粉的篩分結(jié)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(yàn)對(duì)改性瀝青的高溫性能、低溫性能及粘溫性能進(jìn)行研究后，建議瀝青組分的摻配比例不宜超過(guò)基質(zhì)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(jīng)換算，對(duì)于AC-20級(jí)配，BRA摻量為瀝青混合料質(zhì)量的2.6%.巖瀝青中的灰分要計(jì)入級(jí)配設(shè)計(jì)(取代部分礦粉和細(xì)集料)，最終確定AC-20配比(質(zhì)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(zhì)瀝青油石比為4.5%.AC-20布敦巖瀝青混合料合成級(jí)配見(jiàn)表4.

表4 AC-20布敦巖瀝青混合料合成級(jí)配

2 短期老化與否及放置時(shí)間對(duì)高溫性能的影響

2.1 試驗(yàn)方案

文獻(xiàn)[8]中區(qū)別于常規(guī)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(jiǎn)稱“巖瀝青后加工藝”)可以對(duì)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(zhì)瀝青加熱溫度為160～165 ℃，拌和溫度為165 ℃.

本文關(guān)于布敦巖瀝青混合料高溫性能的研究，采用文獻(xiàn)[9]中的輪碾法成型300 mm×300 mm×50 mm的車轍板，放置相應(yīng)時(shí)間后，將車轍板連同試模置于60 ℃的環(huán)境箱中保溫5 h，然后進(jìn)行車轍試驗(yàn)，測(cè)定布敦巖瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，用于評(píng)價(jià)布敦巖瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.

在文獻(xiàn)[9]中關(guān)于瀝青混合料試件制作成型方法有三種，分別為擊實(shí)法、輪碾法和靜壓法，均沒(méi)有考慮實(shí)際施工時(shí)瀝青混合料運(yùn)輸過(guò)程中的短期老化，因此使得室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況有所偏差.為模擬實(shí)際施工過(guò)程中的短期老化對(duì)混合料性能的影響，本文分別對(duì)短期老化和未短期老化的布敦巖瀝青混合料高溫性能進(jìn)行研究，其中短期老化試驗(yàn)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(xiàn)[9]中車轍試驗(yàn)規(guī)定：試件成型后，連同試模一起在常溫條件下放置的時(shí)間不少于12 h；對(duì)聚合物改性瀝青混合料，放置的時(shí)間以48 h為宜，使聚合物改性瀝青充分固化后方可進(jìn)行車轍試驗(yàn)，室溫放置時(shí)間不得長(zhǎng)于1周.顏佳富[10]采用漢堡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)放置時(shí)間對(duì)瀝青混合料的車轍深度有一定影響，放置時(shí)間越長(zhǎng)，車轍深度越小，見(jiàn)圖1.布敦巖瀝青是由天然瀝青裹覆石灰?guī)r類礦物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)組成，類似于瀝青混合料再生料的基本組成結(jié)構(gòu)，而目前對(duì)于布敦巖瀝青混合料中天然瀝青組分與基質(zhì)瀝青的混融程度尚不能確定，理論上延長(zhǎng)放置時(shí)間有助于瀝青組分與基質(zhì)瀝青間的混融，二者充分混融則可使BRA的改性作用充分發(fā)揮.

圖1 BRA的基本組成結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

選取三個(gè)不同的放置時(shí)間，分別為24，48，72 h，用巖瀝青后加工藝的方法進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 布敦巖瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知：①相同放置時(shí)間條件下，短期老化后的布敦巖瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度均高于未短期老化的布敦巖瀝青混合料；不同靜置時(shí)間下(24，48,72 h)，經(jīng)歷短期老化后的布敦巖瀝青混合料相對(duì)未經(jīng)歷短期老化的布敦巖瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度分別提升了41.4%，53.7%，55.2%.也說(shuō)明隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，短期老化的提升作用相對(duì)更加明顯，但提升幅度逐步放緩;②無(wú)論是否進(jìn)行短期老化，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，布敦巖瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均有不同程度的增長(zhǎng).對(duì)于經(jīng)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(dòng)穩(wěn)定度提升了29.4%，放置72 h相比放置48 h條件下的動(dòng)穩(wěn)定度提升了3.9%；對(duì)于未經(jīng)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(dòng)穩(wěn)定度提升了19.0%，放置72 h相比放置48 h條件下的動(dòng)穩(wěn)定度提升了2.9%.這說(shuō)明無(wú)論是否經(jīng)歷短期老化，放置48 h相比放置24 h條件下的動(dòng)穩(wěn)定度提升效果要明顯優(yōu)于放置72 h相比放置48 h條件下的動(dòng)穩(wěn)定度，也即放置48 h后的動(dòng)穩(wěn)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(shí)間同改性瀝青一樣為48 h.

3 拌和樓不同工藝對(duì)高溫性能的影響

3.1 動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)評(píng)價(jià)

本文依托國(guó)道324線改擴(kuò)建工程試驗(yàn)路，對(duì)拌和樓不同拌和工藝進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比.主要采用常規(guī)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(jiàn)圖3[11].根據(jù)試拌效果確定基質(zhì)瀝青油石比為4.4%.

圖3 生產(chǎn)工作流程圖

在拌和樓中分別采用巖瀝青后加工藝和常規(guī)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(yùn)輸過(guò)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(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(dòng)穩(wěn)定度高于常規(guī)工藝，說(shuō)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(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)評(píng)價(jià)

在兩種不同拌和工藝生產(chǎn)的布敦巖瀝青試驗(yàn)段鉆取直徑(100±2.0) mm的芯樣，采用文獻(xiàn)[12]附錄F中的瀝青混合料單軸貫入強(qiáng)度試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)拌和樓不同拌和工藝生產(chǎn)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(jìn)行加載，加載速率為1 mm/min，記錄壓力和位移，當(dāng)應(yīng)力值降為應(yīng)力極值點(diǎn)90%時(shí)，停止試驗(yàn).取破壞極值點(diǎn)強(qiáng)度作為試件貫入強(qiáng)度.芯樣的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6.由表6可知，巖瀝青后加工藝的抗剪強(qiáng)度明顯高于常規(guī)工藝，這一結(jié)論與室內(nèi)車轍試驗(yàn)結(jié)果保持一致，充分說(shuō)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(qiáng)度結(jié)果

4 結(jié) 論

1) 短期老化后的布敦巖瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)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(shí)間的延長(zhǎng)，短期老化對(duì)混合料動(dòng)穩(wěn)定度的提升作用相對(duì)更加明顯；

3) 放置時(shí)間的延長(zhǎng)有助于布敦巖瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的增長(zhǎng)，但是一定時(shí)間后增長(zhǎng)并不明顯.建議布敦巖瀝青混合料車轍試驗(yàn)時(shí)試件放置時(shí)間為48 h.

此外采用車轍試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)對(duì)拌和樓不同拌和工藝的布敦巖瀝青混合料高溫性能進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)巖瀝青后加工藝拌制的布敦巖瀝青混合料的高溫性能優(yōu)于常規(guī)工藝.因此建議在布敦巖瀝青實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)優(yōu)選巖瀝青后加工藝進(jìn)行施工生產(chǎn).

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