BRA改性沥青混合料AC－13C适宜掺量的研究

查旭东，钱光耀，张云帆

（长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004）

印尼布敦岩沥青（Buton rock asphalt，简称为BRA）是一种产于印度尼西亚布敦岛的天然岩沥青，由古生代石油渗透到石灰岩层中，经过长期的海底沉积、高温高压及地质变动等作用而形成。经加工研磨后，成品BRA外观呈深褐色细颗粒状，最大粒径小于2.36mm，稍有煤油味，其中沥青含量多在18%～40%之间，含少量柴油成分，其余为石灰岩矿物质［1－2］。BRA中的天然沥青为不含蜡的硬质沥青，软化点可达90℃以上，抗老化能力及与石料的粘附性强，且与石油沥青具有极好的相容性，加之，其中多孔的石灰岩矿物质对沥青具有优良的吸附稳定作用［3－5］，因此，BRA是一种优良的石油沥青改性剂，将其掺到沥青混合料中，可显著提高沥青路面的抗车辙、抗水损、抗老化及抗疲劳等路用性能［6－9］。同时，BRA改性沥青路面施工工艺简单，性价比优良，使得BRA在中国得到了越来越多的关注和应用，其中上海市为此制订了地方建筑产品推荐性应用标准［10］。本研究依托湖南凤大（凤凰至贵州大兴）高速公路BRA改性沥青路面试验段，通过大量室内试验，研究不同BRA掺量的表面层改性沥青混合料AC－13C的配合比和路用性能，拟提出合理的BRA掺量［11－12］。

1 配合比设计

1.1 原材料性能检验

根据凤大高速公路沥青路面所用的筑路材料，基质沥青采用湖北国创A－70＃道路石油沥青，粗、细集料分别为当地辉绿岩和石灰岩生产的集料，填料采用工地自制石灰岩矿粉。所用原材料通过性能检验，各性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40－2004）的技术要求。

所选用的成品BRA外观呈深褐色细颗粒状，经烘干后，采用燃烧法测得其中纯天然沥青含量为22.5%，其他性能检测结果见表1。其中，技术要求参考了印尼国家标准。由此可知，BRA各项性能指标满足技术要求。

表1 BRA性能检验结果Table 1 Test results of pavement performances of BRA

1.2 矿料合成级配设计

在BRA改性沥青混合料中，除BRA中的天然沥青可替代部分基质沥青以外，BRA中含有的石灰岩矿物质由于其颗粒最大粒径小于2.36mm，且呈多孔状，与沥青具有极好的吸附性，故其可替代部分细集料和矿粉。因此，在矿料合成级配设计中，必须考虑矿物质对级配的作用和贡献。为了确定BRA改性沥青混合料AC－13C（简称为BAC－13C）合理的BRA掺量（BRA掺量为BRA质量与混合料总质量之比），在其推荐掺量2%～5%的范围内，采用内掺法，分别选取0%，2%，3%，4%和5%等5种掺量进行配合比设计。根据表1组分检验结果，初拟最佳油石比为5.0%，可计算得到各掺量下BRA中天然沥青和矿物质的含量，见表2。

考虑到湖南高温多雨的气候环境及成功经验，目标级配中适当增加了粗骨料比例，以提高BAC－13C的高温性能。为了指导试验段施工，直接从工地沥青拌和楼热料仓取料，进行生产配合比设计。根据各档热料及BRA燃烧后矿物质的筛分结果，确定了各BRA掺量下的合成级配和矿料配合比，分别见表3，4。从表3，4中可以看出，各掺量下的设计合成级配与目标级配一致，满足级配设计要求，且掺配BRA后，其中的部分细集料和矿粉由BRA矿物质替代。

表2 各掺量下BRA中天然沥青和矿物质含量Table 2 Contents of natural asphalt and mineral at each BRA mixing amount%

1.3 最佳油石比的确定

采用马歇尔试验对各掺量下的BAC－13C进行生产配合比设计。试验时，为了配料方便，以基质沥青油石比（基质沥青与含BRA矿物质在内的所有矿料之比）选取油石比范围，其中，0%掺量基质沥青混合料取4.4%～5.6%，其他掺量BRA改性沥青混合料取3.8%～5.0%，并分别按0.3%的间隔各选定5种油石比。最佳油石比试验结果见表5，表5中的总最佳油石比为BRA中纯天然沥青与基质沥青之和再与所有矿料之比。

表3 各掺量下BAC－13C矿料合成级配Table 3 Compiste gradation of mineral aggrehates for BAC－13Cat each mixing amount

表4 各掺量下BAC－13C矿料配合比Table 4 Mixing ratio of mineral aggrehates for BAC－13Cat each mixing amount

从表5中可以看出：

1）在最佳油石比下，各掺量BAC－13C的配合比设计指标均满足技术要求。随着BRA掺量的增加，马歇尔稳定度呈线性增加，而流值呈线性减小。这表明BRA中硬质天然沥青可有效提高BAC－13C的强度和承载能力。

2）随着BRA掺量的增加，基质沥青的最佳油石比呈线性减小。BRA掺量每增加1%，基质沥青的最佳油石比就减小0.1%～0.2%，平均约为0.16%。这表明BRA中的天然沥青可有效替代部分基质沥青。然而，当BRA掺量越大时，总最佳油石比的增加幅度越大。其原因是BRA矿物质为多孔石灰岩细颗粒，其比表面积远大于替代的同质量细集料和矿粉的比表面积，从而增强了对沥青的吸附性，使得BRA掺量越高，矿物质含量就越大，相应吸附的沥青就越多，随之沥青的饱和度增加。

表5 各掺量下BAC－13C的最佳油石比试验结果Table 5 Test results of optimum asphalt－aggregate ratio for BAC－13Cat each mixing amount

3）当BRA掺量超过4%以后，由于其中的矿物质含量较高，加之多孔石灰岩矿物质强度、刚度和密度较低，易被击碎，从而形成较多的BRA改性沥青砂浆，将粗集料形成的骨架撑开，使得BRA改性沥青混合料由骨架密实结构向悬浮密实结构转化。相应地，随着BRA掺量的增加，矿料间隙率逐步增加，而毛体积密度呈线性减小。因此，对于AC型BRA改性沥青混合料，BRA的掺量不宜超过4%。

2 路用性能检验

为了检验和对比分析BRA掺量对BAC－13C路用性能的影响，根据生产配合比设计结果，在最佳油石比下，分别进行了车辙、浸水马歇尔、冻融劈裂、低温弯曲、渗水及铺砂等路用性能试验。试验结果见表6。

表6 各掺量下BAC－13C的路用性能试验结果Table 6 Test results of pavement performances for BAC－13Cat each mixing amount

从表6中可以看出：

1）与普通AC－13C相比，各掺量下BAC－13C的动稳定度提高了1.3～2.1倍，且均满足改性沥青混合料动稳定度的要求。在BRA掺量为2%～4%时，动稳定度呈线性增加；BRA掺量超过4%以后，因沥青含量增加，级配由骨架密实结构向悬浮密实结构转化，相应的动稳定度略有下降。同时，总变形量随着BRA掺量的增加逐渐降低，BRA掺量为3%时总变形量达到最低点，随后略有升高，但变化不大。这表明BRA的掺入可大幅提高沥青混合料的高温稳定性。

2）随着BRA掺量的增加，与普通AC－13C相比，BAC－13C的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比分别提高了5%～15%和4%～8%，且呈抛物线关系变化。在BRA掺量为4%时，其浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比均达到峰值，其浸水马歇尔残留稳定度超过了100%，其原因是BRA中的矿物质对沥青具有优良的吸附性，并在浸水的条件下具有一定的活性硬化作用。同时，各掺量下BAC－13C的水稳定性都达到了改性沥青混合料的技术要求，且浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比分别在95%和94%以上。这表明BRA可有效改善沥青混合料的水稳定性。

3）随着BRA掺量的增加，低温抗弯拉强度呈线性增加，而最大破坏弯拉应变逐渐降低；各掺量下BAC－13C的抗弯拉强度较普通AC－13C的提高10%～20%，最大弯拉应变约减小5%。这表明硬质BRA的掺入对沥青混合料具有良好的加劲作用，可提高其抗拉强度和刚度，但降低了其低温抗变形能力。

4）各BRA掺量下BAC－13C的渗水系数和构造深度均满足技术要求。这表明BRA改性沥青混合料具有优良的抗渗和抗滑性能。

根据试验结果，于2013年9月底到10月初在凤大高速公路上铺筑了两段BRA掺量分别为3%和4%的试验段各350m。经过1年多时间的运营，工后检测和跟踪观测结果表明：BRA改性沥青混合料的使用性能优良，取得了优良的应用效果。但其长期性能有待进一步跟踪观测。

3 结论

依托湖南凤大高速公路BRA改性沥青路面试验段工程，选取5种BRA掺量，分别进行了BRA改性沥青混合料BAC－13C的配合比设计和路用性能检验，得到的结论为：

1）考虑到BRA中含有60%以上的多孔石灰岩矿物质细颗粒，在其改性沥青混合料配合比设计时，应将其矿物质的含量和筛分结果纳入到合成级配组成中，从而替代部分细集料和矿粉。

2）随着BRA掺量的增加，基质沥青最佳油石比逐渐减小，但其减小量小于BRA中天然沥青的增加量。这表明BRA中天然沥青可有效替代基质沥青，但因BRA中矿物质吸附性强，其改性沥青混合料的总最佳油石比略高于普通沥青混合料最佳油石比的0.1%～0.2%。同时，AC型沥青混合料中，BRA掺量不宜超过4%，以免影响混合料的骨架结构。

3）BRA的掺入可大幅提高BRA改性沥青混合料的动稳定度，增加浸水马歇尔残留稳定度、冻融劈裂强度比和低温抗弯拉强度，且不影响抗渗和抗滑性能，但其最大破坏弯拉应变有所减小。这表明BRA中硬质天然沥青和多孔石灰岩矿物质可显著提高沥青混合料的高温稳定性、水稳定性及抗拉强度，但对低温抗变形能力影响不大。

综上所述，BRA改性沥青混合料较适合于南方湿热地区使用，建议BRA的适宜掺量为2%～4%，最佳掺量为3%。

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