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

（中信建設有限責任公司，北京 100027）

0 引言

天然巖瀝青是一種由無機混合物和瀝青基質組成的材料，通常形成于巖石裂縫中[1]。天然巖瀝青經過加工成粉末狀后，與普通基質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，同時提升道路的承重力和使用壽命。本文結合室內試驗和試驗路段鋪筑兩個方式，綜合分析評價采用天然巖瀝青對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）位于資陽臨空經濟區三草灣片區，起點于橫三路，終點接嬌子大道。新堰南路北延線為城市次干路，設計時速40km/h，新堰南路全長1747.81m，標準斷面紅線寬度29m。鋪筑試驗選用資陽市臨空經濟區新堰南路，上面層、中面層、下層面均采用天然巖瀝青改性瀝青。路面結構設計具體為：20cm 水泥穩定碎石底基層+20cm 水泥穩定碎石基層+20cm 級配碎石墊層+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 天然巖瀝青對基質瀝青及集料產生的影響

2.1 天然巖瀝青對基質瀝青改性效果研究

采用埃索AH-70 號基質瀝青，添加5%天然巖瀝青。基質瀝青的改性步驟如下：首先，根據預設的比例，將天然巖瀝青加入基質瀝青中，并進行持續25min的攪拌，以保證天然巖瀝青在基質瀝青中均勻分布，直至沒有顆粒物存在。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，繼續處理1.5h，最終得到改性瀝青。為了明確基質瀝青與經改性后瀝青之間的性能差異，對兩者都進行了針入度、延度以及軟化點試驗，試驗結果見表1所示。

表1 埃索AH-70號瀝青改性前后指標對照

通過使用天然巖瀝青進行改性處理，改性后的瀝青混合料抗高溫性能較基質瀝青明顯提高。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。

天然巖瀝青具有網狀結構，高溫下具有多個活性點。混合天然巖瀝青和基質瀝青會增加瀝青的黏稠度，降低針入度。但是若摻入基質瀝青過多，就會改變瀝青分子結合其他分子的能力，導致其延展度下降。天然巖瀝青本身具有較高的含碳量，所以高溫黏度較高，提高了瀝青基質的高溫性能和軟化點。

2.2 天然巖瀝青對不同粗細集料粘附性的影響

黏附性是指瀝青所產生的結合集料的黏附力，該屬性對瀝青混凝土路面的使用耐久性影響較大。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，對于集料中最大粒徑大于13.5mm 的顆粒，采用水煮法對基質瀝青及天然巖瀝青改性瀝青的黏附性進行試驗。該試驗步驟為：先將瀝青加熱至145℃，然后把預熱的集料浸入其中，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，以評定黏附性等級。該黏附性評定等級用來反映粗集料的抗水剝離能力，進而反映瀝青混凝土路面的耐久性能。

試驗結果表明，相較于基質瀝青，天然巖瀝青改性瀝青對各種集料的黏附性表現更為出色，但同時集料的特性對黏附性也起著重要作用。天然巖瀝青改性瀝青與石灰巖在黏附性方面表現最佳，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，其性能會有不同的表現。石灰巖是一種堅硬的沉積巖，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有一定的相關性。

3 天然巖瀝青改性瀝青混合料性能研究

設計選用AC-13C型基質瀝青，加入不同量的天然巖瀝青來進行試驗，以此評估天然巖瀝青對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《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE 20-2011），在確定的基準配合比情況下，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瀝青基質混合料的影響情況。具體試驗結果見表2。從表2的數據來看，把天然巖瀝青加入基質瀝青后，能夠顯著提升混合料的動態穩定性和抵抗變形的能力，這樣就能增強混合料在高溫環境中的抗車轍性能[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

3.2 不同摻量的天然巖瀝青改性瀝青混合料水穩定性

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE 20-2011），在確定的基準配合比下，分別添加3.5%、4.5%和5.5%的天然巖瀝青，本試驗旨在研究天然巖瀝青在復雜環境特殊條件下對改性瀝青混合料水穩定性能的影響。試驗結果見表3所示。

表3 天然巖瀝青改性瀝青混合料水穩定性試驗

根據表3 的數據，可以得出結論：天然巖瀝青的加入對混合料的水穩定性影響較小，整體呈現先增強后減弱的趨勢。這是由于天然巖瀝青增加了膠結料的黏度，進而提高了混合料的水穩定性。

4 試驗路鋪筑后期觀測

試驗段選取資陽市臨空經濟區新堰南路段BK0+000~BK1+747.81，依據施工配比設計，天然巖瀝青的摻量設定為整個瀝青混合料的4.7%。然而，根據實際的施工情況，將天然巖瀝青的摻量調整為4.6%，基質瀝青的摻量為3.9%（因為天然巖瀝青中包含的瀝青成分可以替換掉相同數量的基質瀝青）。

4.1 車轍試驗檢測

團隊在試驗現場借由保溫桶采樣進行了輪跡試驗，制作出3塊試樣，其動態穩定度分別為7795次/mm、8940 次/mm 以及9050 次/mm，平均值達8595 次/mm。在非測試區段，選用了普通瀝青配合料，其動態穩定度為3957 次/mm。依據現場采樣試驗的結果來看，天然巖瀝青的加入使得混合料的動態穩定度提高至8595次/mm，而一般的瀝青配合料的動態穩定度則為3957次/mm。因此，添加天然巖瀝青的混合料的動態穩定度是常規瀝青的2.1 倍。這意味著天然巖瀝青對瀝青混合料的抗車轍性能有顯著改善效果。

4.2 路面壓實度檢測

在取樣試驗后，得出芯樣的原體積密度為2.439，而試驗室標準密度為2.424，最大理論密度為2.611。通過計算，試驗路的壓實性能達到了試驗室標準密度的99.8%，超越了標準規定的97%，同時相對于最大理論密度的壓實性能也達到了93.4%，也超過了所規定的93%[3]。

4.3 路面抗滲水性能檢測

為了評估試驗路段中上面層瀝青混合料的滲水系數，故進行滲水系數試驗，測得結果為144ml/min 和139ml/min，符合設計要求的滲水系數<250ml/min。

5 結束語

綜合上述試驗分析，得出以下結論：

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

（2）通過加入天然巖瀝青，可以增強瀝青集料的粘附力，但過量會降低這種粘性。

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

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