布敦岩沥青Superpave-20 路用性能试验研究

谢 东，邹静蓉，唐成阳

(中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

0 引言

沥青中面层所在层位处于整个路面结构的高剪应力受力区域，承担抗车辙、抗低温缩裂与抗渗的重要功能，要求具有很强的高温抗变形能力、低温韧性，还要有很强的抗水作用和足够的耐久性。针对中面层的主要功能及要求，各地区考虑气候和交通荷载因素，在一些高等级公路沥青路面上采取中面层全改性的方法，以满足公路抗辙及耐久性要求。近年来，天然沥青作为改性剂渐入人们的视野，布敦岩沥青(BRA:Buton Rock Asphalt)源自印度尼西亚布敦岛海底的沥青矿，是一种经万年沉积而成的天然矿物，其沥青含量在20%左右，其余为石灰岩类矿物质。研究表明，布敦岩沥青中的矿物质吸收沥青的能力很强，能够加强沥青与矿料的粘附作用，提高混合料的抗车辙、水稳定和抗老化性能，而且施工工艺简便，价格低廉，在国内外许多工程中得到应用［1－5］。本文采用美国Superpave 设计方法进行路面中面层混合料Superpave—20 级配设计，以重交70#沥青作为基质沥青，通过干法掺加BRA 岩沥青改性沥青与SBS 改性沥青进行沥青混合料的路用性能对比试验，综合评价其适用性。

1 试验方案

采用旋转压实(SGC)成型沥青混合料试件Superpave—20，在相同目标空隙率即空隙率为4%的情况下，通过体积参数选择最优级配，确定最佳油石比，通过一系列的室内试验对BRA 岩沥青改性沥青混合料和SBS 改性沥青混合料进行路用性能对比。按重载交通设计，选择旋转压实次数N初始=9，N设计=125，N最大=205 次。

2 原材料

2.1 集料

粗、细集料均采用石灰岩，相应的技术指标如表1。

表1 集料技术指标

2.2 矿粉

矿粉由石灰岩磨细而成，其性能检测指标如表2 所示。

2.3 沥青结合料

试验所采用的沥青有:SBS 改性沥青、70#基质沥青和布敦岩沥青，其性能指标如表3、表4、表5 所示，可以看出，所用沥青均均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)技术要求的规定。

表2 矿粉技术指标

表3 SBS 改性沥青技术指标

表4 70#基质沥青技术指标

表5 BRA 岩沥青技术指标

3 混合料配比设计

3.1 矿料级配选择

按Superpave 沥青混合料体积设计方法对集料最大公称尺寸、级配控制点及级配禁区等级配规定，在级配选择时避免通过级配禁区。依据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40－2004)和工程沥青路面应用级配，在目标空隙率为4%时，调出粗、中、细3 个级配，如表6、表7、图1 所示，并分别估算初始沥青用量，均为4.2%。通过比较选择级配3 作为设计级配。

表6 SUP—20 合成级配

3.2 最佳沥青用量确定

对确定的设计级配，选择3.8%、4.3%、4.8%、5.3%这4 种沥青用量成型试件，进行测试不同沥青含量混合料的压实特性和体积特性指标，按照SUPERPAVE 方法确定SBS 改性沥青的最佳用量，试验结果如表8、图2 所示。

表7 各号筛孔通过百分率、配合比组成

图1 级配曲线图

图2 体积指标与沥青用量关系图

通过图解数学内插，确定目标空隙率为4%时设计沥青用量，再用设计沥青用量通过内插检验VMA、VFA 等体积性质是否满足Superpave 要求，从而可以得到最佳沥青用量为4.14%，其对应的混合料的体积性质如表9 所示。

表9 混合料体积性质表

3.3 BRA 岩沥青混合料拌制

本试验所用BRA 岩沥青含量为22%，其余78%为灰分，为进行SBS 改性沥青与BRA 岩沥青性能对比，现采用相同的沥青用量形成混合料。先设定基质沥青用量为4.14%，加BRA 岩沥青改性时，BRA 岩沥青颗粒中的天然沥青和矿物质成分替代了部分的基质沥青和矿粉。根据已确定的矿料级配中矿粉含量(2%)，因矿粉含量少，现全部用BRA岩沥青中的灰分代替，得到BRA 岩沥青掺量为2.56%(BRA 掺量是指BRA 岩沥青质量与沥青混合料中矿料质量的百分比);基质沥青用量为3.56%。

BRA 岩沥青混合料采用“干法”工艺进行室内试验，即先将预热的目标级配集料加入试验用的拌和机中，然后按掺配比例将岩沥青加入拌和40 s，再加入基质沥青拌和80 s，最后将拌制好的混合料制备试件。

SBS 改性沥青混合料按通常改性沥青混合料的拌合过程进行。

4 性能对比及结果分析

4.1 水稳定性

目前常用的检验沥青混合料水稳定性的试验方法有:浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。浸水马歇尔试验试件分两组，第1 组为标准马歇尔稳定度试验，第2 组为浸水马歇尔稳定度试验，测定浸水与标准马歇尔试件稳定度比值。结果如表10 所示。冻融劈裂试验是用马歇尔成型目标空隙率为7%的试件，测定非条件与条件试件的间接抗拉强度比(TSR)［6］。两种沥青混合料冻融劈裂试验如表11所示。

由表10、表11 可以看出SBS 改性沥青混合料的残留稳定度稍优于BRA 岩沥青改性沥青混合料，BRA 岩沥青改性沥青混合料的劈裂强度比与SBS改性沥青混合料相差无几，均满足规范要求，说明两种沥青混合料的水稳定性能较好，适用于多雨、寒冷冰冻地区对水稳定性的要求。

4.2 高温稳定性

车辙试验是检验沥青混合料的高温稳定性，采用试件尺寸为30 cm×30 cm×5 cm，试验荷重为700 kN 左右，试验温度为60 ℃。两种沥青混合料的车辙试验结果如表12 所示。

表10 残留稳定度试验结果

表11 冻融劈裂试验结果

表12 车辙试验结果

可以看出:SBS 改性沥青混合料的稳定度比BRA 岩沥青改性沥青混合料的的动稳定度高178%。根据相关文献［7－9］，BRA 岩沥青的掺加量占混合料重量3%～4%可以达到最佳性能，本试验由于矿料级配中矿粉的含量限制了BRA 岩沥青的掺量，只有2.5%掺加量，但高温性能指标仍远高于重交石油沥青且均满足规范要求，表明BRA 岩沥青有较好的抗车辙性能。

4.3 低温抗裂性

沥青路面的低温开裂会引起整个路面强度的降低，同时路面的开裂，会造成水的渗入，影响到整个路面的结构，因此沥青混合料应满足规范要求的低温抗裂性要求。两种沥青混合料的低温抗裂性如表13 所示。

表13 －10 ℃小梁弯曲试验结果

由表13 可以看出:SBS 改性沥青混合料的低温抗裂性比BRA 岩沥青改性沥青混合料高出21%，BRA 岩沥青的低温抗裂性刚好达到规范要求，在冬季严寒地区应用时必须要经过论证和室内试验检验才能使用。

5 经济性对比

BRA 岩沥青与SBS 改性沥青成本对比分析如表14。

从表14 可以看出，由于近年来BRA 岩沥青的价格不断走高，与SBS 改性沥青的价格优势在缩小，BRA 岩沥青混合料成本比SBS 改性沥青混合料低5%。随着国内岩沥青开发及国外岩沥青市场化运作，岩沥青的单价势必将呈现下降趋势，应用岩沥青的经济优势将更加明显。同时，BRA 岩沥青属于物理改性沥青混合料，在混合料生产时采用的是直接投入式的添加方式，使用方便，可以随时调整使用比例，具有施工方便，节约能源，减少环境污染的优势。

表14 改性沥青成本分析

6 结语

1)通过BRA 岩沥青沥青混合料和SBS 改性沥青混合料性能对比，可知两者水稳定性相当，SBS 改性沥青混合料低温抗裂性比BRA 岩沥青混合料稍高，高温稳定性SBS 改性沥青混合料优势较明显。

2)掺少量BRA 岩沥青便可显著改变基质沥青高温稳定性和水稳定性，且能满足规范要求，说明BRA 岩沥青适用于重载交通、高温多雨地区的路面工程。

3)BRA 岩沥青与SBS 改性沥青的成本对比具有一定优势，同时BRA 岩沥青生产时具有明显优势:操作与施工工艺简便，可以有效降低生产费用、减少环境污染。

［1］王 玮.BRA 改性沥青及其混合料性能研究［D］.长沙:长沙理工大学，2008.

［2］刘树堂，杨永顺，等.布敦岩沥青改性沥青混合料试验研究［J］.同济大学学报(自然科学版)，2007，35(3):351－355.

［3］钟 科.岩沥青路用性能研究［D］.北京:交通部公路科学研究院(道路与铁道工程)，2006.

［4］杜群乐，王庆凯，王国清.布敦岩改性沥青路用性能评价的研究［J］.公路，2005(8):133－135.

［5］邓鹏飞.布敦岩沥青性能研究［D］.北京:北京交通大学，2008.

［6］郝培文，张肖宁，沥青与沥青混合料［M］.北京:人民交通出版社，2013.

［7］刘 岩，黄琴龙.布敦岩沥青改性沥青混合料的路用性能研究［J］.西部交通科技，2012(10).

［8］邹桂莲，周 伟，等.布敦岩沥青高温性能研究［J］.公路，2010(3):126－129.

［9］李瑞霞，郝培文，等.布敦岩沥青混合料路用性能研究［J］.武汉理工大学学报，2011(9):50－54.

［10］JTG F40－2004，公路沥青路面施工技术规范［S］.

［11］JTG E20－2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.