基于BRA与木质素复配技术宽温域沥青混合料耐久性试验研究

张 颖, 董国强, 刘 璐, 门玉明

(1.兵器工业卫生研究所， 陕西 西安 710065； 2.长安大学 地质工程与测绘学院， 陕西 西安 710018)



基于BRA与木质素复配技术宽温域沥青混合料耐久性试验研究

张 颖1, 董国强1, 刘 璐2, 门玉明2

(1.兵器工业卫生研究所， 陕西 西安 710065； 2.长安大学 地质工程与测绘学院， 陕西 西安 710018)

为了综合解决沥青混凝土面层存在的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性等问题，本文将布顿岩沥青(BRA)和木质素纤维按照不同比例掺入沥青混合料配制宽温域沥青混合料，利用木质素与BRA各自的路用性能改善效果侧重点来对沥青混合料起到综合改性的作用。试验结果表明，干法工艺掺加BRA与木质素改性剂后，沥青混合料兼具优良的高低温性能，4‰木质素+8%BRA和5‰木质素+10%BRA两种复合改性方案下的抗疲劳性能优于SBS改性沥青混合料，为宽温域沥青混合料设计理念在国内的推广应用提供借鉴。

路面工程； 宽温域沥青混合料； 布顿岩沥青； 木质素纤维

0 前言

沥青材料作为一种典型的弹、粘、塑性综合体，在低温小变形范围内接近线弹性体，在高温大变形范围内表现为塑性体，而在通常温度的过渡范围内则表现为一般粘弹性体，对温度的敏感性较强，高温时变软发粘，低温时又变脆易裂，而且耐疲劳性能较差，这在一定程度上制约了沥青及其混合料的发展，在高温持续作用下，沥青混合料由弹性体向塑性体转变，劲度模量大幅度降低，抗永久变形能力急剧下降，加之冬季严寒、夏季炎热地区的气温特点对沥青路面的使用品质提出了更高的要求，为适应这样的气温特点,防止沥青路面高温车辙和低温开裂的发生，同时提高沥青混合料的抗疲劳耐久性，对沥青进行改性就成为一种行之有效的方法[1-4]。沥青混合料高、低温性能和水稳定性、疲劳性能的改善措施一直是国内外学者研究的热点[5]，目前大多数沥青改性剂及其相关的生产工艺各有优点和不足之处，通常不能兼顾改善高温性能和低温抗裂性能，这也是大多数添加剂所面临的一个问题，而有的外掺材料在改善普通沥青混合料单一方面性能的同时甚至会对其他性能带来一定的负面影响。目前国内外关于岩沥青和纤维改性剂方面的研究多局限于单一改性[2-7]，或采用复合纤维改性方案[8-11]，鲜见岩沥青与木质素纤维复合改性方面的研究报道，且较少涉及宽温域沥青混合料复配技术方案，不能充分发挥岩沥青与木质素纤维各自的技术性能优势，为了综合解决沥青混凝土面层存在的高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性等问题，本文将布顿岩沥青(BRA)和木质素纤维按照不同比例进行复配，并同时掺入沥青混合料配制宽温域沥青混合料，利用木质素与BRA各自的路用性能改善效果侧重点来对沥青混合料起到综合改性的作用，为宽温域沥青混合料设计理念在国内的推广应用提供借鉴。

1 原材料

1.1 沥青

试验研究过程中选用实体工程中采用的SK90号重交通道路石油沥青，SBS改性沥青采用(I — B类)，这两种沥青的性能试验检测均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40 — 2004)中的技术指标要求。

1.2 木质素纤维

木质素纤维是一种质轻、高强、耐久的柔韧材料，其具有强度高、易分散的特点，研究表明[9]，木质素纤维可以很好地吸持沥青，减少沥青路面的析漏和泛油现象，可显著地改善沥青混合料的低温性能，延长沥青路面的使用寿命。参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40 — 2004)以及《沥青路面用木质素纤维国家标准》(JT — T533 — 2004)等，对纤维的技术性能试验，结果如表1所示。

表1 木质素纤维技术性能测试结果Table1 Ligninfibertechnologytestingresults检测项目纤维长度/mm灰分含量/%吸油率/%pH值含水率/%试验结果3.720.56.97.21.7技术要求≤618±5≥5倍纤维质量7.5±1.0≤5

1.3 布顿岩沥青

加入青川岩沥青可提高沥青混合料模量，显著改善沥青混合料的疲劳性能和高温稳定性，布顿岩沥青试验技术性能检测结果见表2。

表2 布顿岩沥青试验检测结果Table2 Butonrockasphalttestresults类别沥青含量/%加热损失/%密度/(g·cm-3)含水量/%闪电/℃检测结果 21.3 1.31.81 0.6 308印尼国家标准≥18 ≤2 1.70～1.90≤2.0≥230

1.4 集料

在试验研究过程中所选用的粗集料选用玄武岩碎石，细集料采用石灰岩机制砂，集料各项技术指标均满足规范要求。

2 混合料配合比设计

2.1 宽温沥青混合料复配方案

参考已有研究成果，初选的木质素纤维掺量为3‰、4‰、5‰，每组纤维掺量下变化6%、8%、10%、12%四种BRA掺量，利用BRA和木质素各自的路用性能改善效果侧重点来对沥青混合料起到综合改性的作用。

2.2 确定混合料级配及最佳油石比

根据现行施工规范JTG F40 — 2004推荐的沥青混凝土混合料的级配范围并参考实体工程中选用的AC — 13C矿料级配，已知矿粉的通过百分率根据富勒级配曲线设计细集料级配，对2.36、0.075 mm筛孔通过率加以控制，选用的级配曲线走向由下往上穿越级配中值的S型曲线，试验级配见图1。

图1 复合改性沥青混合料合成级配Figure1 Synthesis gradation of composite modified asphalt mixture

按照马歇尔法试验流程确定高模量沥青混合料的最佳油石比，试验时变化木质素纤维掺量为0%、1%、2%、3%、4%，试验中木质素与布顿岩沥青(BRA)的掺加方式均采用“干法”工艺，即先将预定质量纤维、BR岩沥青和集料一起干拌120 s，使其在矿料中分散均匀，再加入温拌合高模量沥青，拌合90 s，最后加入矿粉，拌合90 s，总拌合时间为5 min，控制拌合完成后沥青混合料温度为165～175 ℃，试件击实温度为170 ℃，马歇尔试验结果见表3。

表3 不同复配方案马歇尔试验结果Table3 DifferentcompositemodifiedmethodMarshalltestresults木质素纤维掺量/‰BRA掺量/%油石比/%VMA/%VV/%VFA/%MS/kN64.8215.064.073.4411.25384.8915.104.073.5111.84104.9215.124.073.5412.12124.9515.134.073.5612.3565.0115.154.073.6011.50485.0715.174.073.6311.84105.1115.194.073.6712.43125.1315.224.073.7212.8165.1915.314.073.8711.82585.2115.394.074.0112.35105.2315.664.074.4613.12125.2615.694.074.5113.40SBS改性沥青4%SBS掺量4.7514.764.072.9013.09

3 宽温域沥青混合料路用性能

3.1 高温稳定性

良好的高温稳定性是沥青混凝土路面抵抗恶劣气候环境 — 荷载条件下的基本路用性能要求，对于我国高速公路这样的渠化交通来说，路面高温稳定性不足表现出来的主要问题是车辙。根据JTG E20—2011中的要求，分别对不同复合改性方案SBS改性沥青混合料进行车辙试验，试件尺寸300 mm×300 mm×50 mm，车辙试验的温度为60 ℃，轮压为0.7±0.05 MPa，行走速度为42±1次/min，试验时试验轮的行走方向要与成型车辙板时的碾压方向一致，车辙试验结果见图2。

图2 不同复配方案车辙试验结果Figure 2 Different composite modified method rutting test results

车辙试验结果表明: ①相同木质素纤维掺量条件下，车辙试验动稳定度随BRA掺量的增大呈二次函数关系增大，3‰、4‰、5‰纤维掺量，BRA掺量由6%增加到12%，车辙试验动稳定度分别增大了56.7%、52.1%、47.4%，相比木质素纤维改性沥青混合料，6%BRA掺量可使复合改性沥青混合料的DS提高35.8%，12%BRA掺量可使DS提高106.5%，BRA显著改善了复合改性沥青混合料的高温抗永久变形能力，以DS>3000次/mm为控制指标，确保复合改性沥青混合料具有足够的抗永久变形能力，BRA掺量不宜小于8%； ②相同BRA掺量下，车辙试验动稳定度随木质素纤维掺量的增大呈线性关系增大，木质素纤维超过4‰后车辙试验动稳定度增长区域平缓，相比普通沥青混合料，掺加聚酯纤维虽然对复合改性沥青混合料车辙试验动稳定度有一定影响，但其对混合料高温性能改善效果有限； ③采用复合改性方案，可以使沥青混合料的车辙试验动稳定度提高到3000次/mm以上，10% BRA与4‰木质素复合改性方案下的车辙试验结果可与4%SBS改性沥青混合料相媲美。

3.2 低温抗裂性

低温开裂是沥青混凝土路面主要的破坏形式之一，严重影响了道路的使用寿命和质量。采用小梁低温弯曲试验来不同复配方案沥青混合料的低温抗裂性能，测定混合料的破坏强度、破坏应变和破坏劲度模量，同时计算混合料的单位体积低温破坏能(计算公式见式(1)和式(2))，从多方面来评价沥青混合料的低温性能，探讨木质素纤维和BRA掺量对沥青混合料低温抗裂性能的影响。试验时按照JTG E20 — 2011中的要求成型车辙板，切割为30 mm×35 mm×250 mm的梁型试件，试验时采用单点加载方式，支点间距200 mm，加载速率为50 mm/min，试验温度为-10 ℃，试验结果见表4。

(1)

(2)

表4 不同复合改性方案小梁低温弯曲试验结果Table4 Differentcompositemodifiedmethodlowtempera-turetrabecularbendtestresults木质素纤维掺量/‰BRA掺量/%抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa单位破坏应变能/(kJ·m-3)610.772724.253953.3825.453811.342843.743987.7127.681011.612851.574071.4428.141210.332743.253765.6126.46611.173324.573359.8331.144812.033438.233498.8932.341012.123513.453449.6033.151211.023407.163234.3731.97611.613443.733186.3032.415811.973512.423224.3133.231012.323653.683282.1134.421211.233456.253157.8232.14SBS改性4%SBS12.063435.873504.4432.30

低温弯曲试验结果表明: ①相同BRA掺量，随着木质素纤维掺量的增大，复合改性沥青混合料抗弯拉强度增大，各BRA掺量下，弯拉伸应变随木质素掺量的增大呈线性关系增大，对于单位体积破坏应变能也有类似变化趋势，弯曲劲度模量随木质素掺量的增大呈线性关系减小，可见增大木质素掺量可提高复合改性沥青混合料的柔性，木质素掺量大于3‰后复合改性沥青混合料最大弯拉应变均大于3300 με，可见木质素纤维对复合改性沥青混合料低温抗裂性贡献较为显著，值得注意的是，随着木质素掺量进一步增大，复合改性沥青混合料的抗弯拉强度和弯拉应变虽有增大趋势，但增幅不明显，以此确定复合改性沥青混合料适宜的木质素掺量为4‰； ②相同木质素掺量，随着BRA掺量的增大，复合改性沥青混合料弯拉应变呈先增大后减小的变化趋势，各纤维掺量下最大弯拉应变(单位体积破坏应变能)与BRA之间的二次函数关系拟合良好，以峰值弯拉应变确定3‰、4‰、5‰木质素掺量下的最佳BRA掺量依次为8.7%、9.6%、10%，可见低温抗裂性是制约BRA掺量增大的主要因素，工程实践中可通过小梁弯曲试验确定最佳BRA掺量； ③相比4%SBS改性沥青混合料，采用BRA与木质素纤维复合改性方案可达到甚至超过SBS改性沥青3435.87 με，复合改性方案显著降低了沥青混合料的劲度模量，提高了混合料柔性。

3.3 水稳定性

水损害是高温多雨地区沥青混凝土路面主要的病害之一，沥青混凝土路面在水存在的条件下，经受交通荷载和温度变化的反复作用，水分会渗入混合料内部，在轴载作用下不断地削弱沥青胶浆，破坏沥青、沥青胶浆与集料之间的粘结力，最终造成路面破坏。通常以浸水马歇尔试验评价高温多雨地区沥青混合料的抗水损害能力，以冻融劈裂强度比评价沥青混合料的水稳定性，笔者采用这2种试验探讨了木质素和BRA掺量对复合改性沥青混合料水稳定性的影响，试验方法严格参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20 — 2011)的要求进行，试验结果见图3和图4。

图3 浸水马歇尔试验结果Figure 3 Immersion marshall test results

图4 冻融劈裂试验结果Figure 4 Freeze-thaw splitting test results

浸水马歇尔、冻融劈裂试验结果表明，随着BRA掺量增大冻融劈裂强度比(TSR)和马歇尔残留稳定度(MS0)均呈先增大后减小的变化趋势，在10%BRA掺量下TSR出现峰值。此外，随着木质素掺量的增大复合改性沥青混合料TSR、MS0呈线性关系增大，总体而言，复合改性沥青混合料的水稳定性满足规范大于85%的要求，水稳定性不是制约BRA和木质素纤维掺量的主要因素。

3.4 抗疲劳耐久性

沥青混凝土路面在移动轮载的作用下，其内部的各点处于不同的应力状态之下，路面内各点就在轮载作用下不断承受这种拉压循环并且伴随着剪切作用，当混合料内部损坏达到一定程度后，无法承受外来荷载而导致破坏，这就是疲劳破坏的过程。笔者采用现象学法小梁疲劳试验探讨不同BRA与木质素复配方案下复合改性沥青混合料的抗疲劳开裂性能。试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定轮碾法成型并切割4 cm×4 cm×25 cm标准试件，加载波形和频率为10 Hz 连续式正弦波，加载方式为中点加载，有效间距20 cm，试验温度为15 ℃，试验选择：0.2、0.3、0.4、0.5共4个应力水平。对不同应力水平对应的疲劳寿命分别取对数进行回归，进而得到回归方程，得出回归方程参数k和n，参考已有文献，n值越大说明材料的疲劳寿命随着应力水平的增加衰减的越快；k值越大说明材料的疲劳性能越好。所以，可以采用回归方程中k和n来评价材料的疲劳性能。试验数据处理公式(见式(3))，拟合试验结果见表5。

(3)

式中：Nf为达到破坏是的重复荷载作用次数；σ0为初始弯拉应力，MPa。

表5 不同复合改性方案疲劳试验拟合结果Table5 Differentcompositemodifiedmethodfatiguetestfitingresults木质素纤维掺量/‰BRA掺量/%拟合曲线斜率n拟合曲线截距K相关系数R262.077151450.968381.974172640.971101.961172720.994122.013161640.96162.017157450.983481.933168590.989101.924179340.960121.945178280.95761.977168640.970581.916170330.967101.895180740.991121.903168770.984SBS改性4%SBS1.976178560.976

试验结果表明: 相同木质素掺量下，随着BRA掺量的增大，复合改性沥青混合料疲劳曲线双对数拟合斜率n呈先减小后增大的变化趋势，K值呈先增大后减小的趋势；相同BRA掺量下，增大木质素掺量，复合改性沥青混合料疲劳试验n呈减小趋势，K值呈增大趋势，综合考虑K、n值的变化规律，4‰木质素+8%BRA和5‰木质素+10%BRA两种复合改性方案下的抗疲劳性能优于SBS改性沥青混合料。

4 结论

① 相同木质素纤维掺量条件下，车辙试验动稳定度随BRA掺量的增大呈二次函数关系增大，采用木质素与BRA复合改性方案，可显著改善沥青混合料的高温稳定性，10% BRA与4‰木质素复合改性方案下的车辙试验结果可与4%SBS改性沥青混合料相媲美。

② 相同BRA掺量，随着木质素纤维掺量的增大，复合改性沥青混合料抗弯拉强度增大，木质素掺量大于3‰后复合改性沥青混合料最大弯拉应变均大于3300 με，木质素纤维对复合改性沥青混合料低温抗裂性贡献较为显著。采用BRA与木质素纤维复合改性方案可达到甚至超过SBS改性沥青的低温抗裂性。

③ 采用木质素与BRA复配方案可显著改善沥青混合料的抗疲劳耐久性，4‰木质素+8%BRA和5‰木质素+10%BRA共2种复合改性方案下的抗疲劳性能优于SBS改性沥青混合料。

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Study on Durability of Asphalt Mixture in Wide Temperature Range

ZHANG Ying1， DONG Guoqiang1， LIU Lu2， DOOR Yuming2

(1.Ordnance Institute of Industrial Hygiene, Xi’an, Shanxi 710065， China； 2. Geology Engineering and Geomatics, Chang’an University, Xi’an, Shanxi 710018, China)

to solve the comprehensive high temperature stability, low temperature cracking resistance and water stability of asphalt concrete， this article use Bouton rock asphalt (BRA) and lignin fibers in different proportions according to the incorporation of asphalt preparation asphalt mixture in wide temperature range， lignin and BRA use their road performance improvement effect to the material acts as an integrated focus on modified asphalt. The results showed that the dry process and lignin BRA adding modifier, the asphalt both excellent high temperature performance，4‰ lignin+8% BRA and 5‰ lignin+10% BRA two complexes change fatigue resistance properties under the program better than SBS modified asphalt mixture，finally

are provided for the popularization and application of asphalt mixture in wide temperature range.

pavement engineering； asphalt mixture in wide temperature range； bouton rock asphalt； lignin fiber

2015 — 04 — 10

国家自然基金项目，青年基金项目(51302088)

张 颖(1982 — )，女 ， 陕西西安人，工程师，主要从事安全技术工程方面工作。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0040 — 06