湿法岩沥青混合料配合比设计相关问题研究

潘艳珠，王振忠，曾卫平，王端宜

(1.广东交通职业技术学院，广州 510600；2.华南理工大学，广州 510640)

0 概述

岩沥青属于天然沥青，可以部分替代石油沥青或作为石油沥青的改性剂直接用于沥青混合料(本文称为：岩沥青混合料)修筑沥青路面[1]。由于不需要石油沥青的炼制环节，岩沥青也被认为是一种节能环保产品。随着我国“双碳”目标的制定，以及碳交易市场的逐渐成熟，岩沥青的应用得到道路行业的进一步关注。

在已有岩沥青混合料“干法”施工有效提高沥青混合料和路面性能的基础上，近年来道路行业又在尝试“湿法”工艺的研究和工程实践：将磨细的岩沥青粉经高速剪切或胶体磨均匀加入热的基质沥青中，经进一步融合和发育作为改性的沥青胶结料用于生产岩沥青混合料。田苗苗[2]等人的研究认为，经高温“活化”的岩沥青可以使其与基质沥青的融合更充分和均匀，性能更好，但岩沥青掺量过高会损害沥青胶结料的抗裂和低温性能。李亚非[3]等人开展了活化“湿法”加工布敦岩沥青及沥青混合料路用性能的研究，研究结果显示：“湿法”生产的岩沥青混合料高温抗车辙性能、抗水稳定性能和抗老化性能显著提升。岩沥青掺量超过40%时，岩沥青改性沥青离析较为严重，影响成品沥青胶结料的储存稳定性。钮英才[4]等人开展的湿法加工布敦岩沥青的工程应用研究指出，湿法工艺制备布敦岩沥青改性沥青混合料施工和易性更好，适合于规模化生产。黄卫东[5-6]等人开展的基于拉拔实验的多种改性剂对沥青粘附性与自愈合性能的影响认为，湿法制备的岩沥青胶结料可提高沥青的粘附性和自愈合能力，甚至好于SBS等聚合物改性沥青，从一个全新的视角审视了应用岩沥青的技术优势。

尽管道路行业已经认识到湿法岩沥青工艺的技术优势，并成功应用于实际工程，但在配合比设计方面还有两个关键问题没有得到很好的解决。首先是确定岩沥青掺配比例的依据问题。目前的常规做法是，根据经验选择几个掺配比例，配制改性沥青胶结料，制作岩沥青混合料试件，进行高温稳定性(车辙试验)、水稳定性(浸水马歇尔和冻融劈裂试验)和低温抗裂性(极限弯拉应变试验)等路用性能评价，在不大幅度影响低温抗裂性和水稳定性满足要求的基础上，选择高温稳定性(动稳定度)更好的掺配比例。由于沥青混合料的性能受多种因素的影响，如矿料级配等，这种根据沥青混合料的性能选择的岩沥青掺配比例可能不是最佳的比例。其次是确定岩沥青混合料最佳油石比方法的问题。岩沥青在我国道路行业应用已近20年，早期应用主要以“干法”工艺为主。期间，许多省(自治区、直辖市)颁布了各自的地方标准，来规范岩沥青使用的工艺方法。关于确定岩沥青混合料最佳油石比的方法，这些标准中绝大多数都推荐采用“等量替换”的方法，确定岩沥青混合料的最佳油石比。即先用马歇尔试验方法确定基质沥青混合料的最佳油石比，再根据岩沥青中有效沥青和灰分的含量，按比例“等量替换”沥青混合料中基质沥青和矿粉的用量，保持油石比不变。沥青混合料的马歇尔试验和设计方法是在土壤击实试验的基础上发展起来的，其基本原理是：在特定的击实功和一定的预留空隙条件下，寻求沥青混合料达到最密实状态(最大密度)时的沥青含量，并定义为最佳沥青含量或最佳油石比。由于基质沥青中加入岩沥青后，改变了其流变学的性质，同时由于岩沥青中灰分的影响，混合料达到最密实状态(最大密度)时对应的改性前后的最佳沥青胶结料含量应该是不同的。因此，沿用“等量替换”的模式确定岩沥青混合料的最佳油石比或判断最佳油石比的合理范围可能是不科学的，直接用掺配好的改性沥青胶结料确定最佳油石比可能是比较合理的方法。

长期以来，道路行业主要依靠经验来选择合适的沥青胶结料等级，直至美国SHRP的沥青PG分级规范问世，使得人们可以针对所用沥青胶结料的性能要求(温度环境、交通量和车速)选择合适的沥青胶结料[7]。因此，本研究试图在岩沥青掺量和PG分级指标间建立联系，为确定适宜的岩沥青掺量寻找合理的依据；同时，通过室内试验和铺筑试验路工程，考察直接用“湿法”掺配好的改性沥青胶结料确定马歇尔最佳油石比的技术效果。相关成果可以为正确和高效使用岩沥青奠定良好的基础，对于编制广东省公路路面岩沥青应用的地方标准，具有一定的参考价值。

1 原材料与试验方法

1.1 试验用原材料

本研究试验用的基质沥青为茂名石化70#沥青，相关技术指标满足规范要求[8]。岩沥青为产自印度尼西亚的布敦岩沥青(Buton Rock Asphalt，BRA)，技术指标见表1。粗集料(粒径10～15mm和5～10mm)和细集料(3～5mm)为广东清远产的花岗岩，细集料(0～3mm)为广西产的辉绿岩，矿粉为广东省地产石灰岩矿粉。粗、细集料和矿粉的相关技术指标均满足规范要求。

1.2 试验方法

1.2.1 试验样品的准备

鉴于岩沥青中含有大量灰分，不适合进行针入度和软化点等常规沥青胶结料的试验检测和PG分级规范指标的试验检测，也无法与基质沥青的性能进行比对。本研究采用以下方法制备岩沥青改性沥青胶结料样品：

(1)采用离心分离法(T0722-1993)对岩沥青溶液进行抽提，再采用阿布森法(T0726-2011)将溶剂和沥青分离(整个操作过程不改变沥青的性质)，获取提纯的岩沥青。

(2)按预设的比例将提纯的岩沥青加入到 135℃的基质沥青中，手动搅拌至均匀，再在 170℃左右温度下高速剪切 20min，最后放入 170℃～180℃烘箱中融合发育 30min，制备成不同掺配比例的岩沥青改性沥青胶结料样品。

1.2.2 试验内容与方法

(1)检测不同掺配比例改性沥青老化前后的针入度、软化点等常规指标和PG分级规范指定的高温性能(车辙因子G*/sinδ，T 0628-2011)、低温性能(蠕变模量S和m值，T 0627-2011)、疲劳性能(疲劳因子试验G*sinδ，T 0628-2011)，为基于性能的岩沥青掺配比例的确定提供有效依据。

(2)尽管PG分级的相关试验指标可以为岩沥青的掺量提供基于性能的依据，但对于大多数工地试验室来说，开展相关的试验不管是设备还是试验操作人员的能力都是相当困难的。从这个意义上讲，这样的技术路线基本上是难以在实际工程中大面积实现，必须要寻找一种易于工地试验室操作的方法。实际上，Van der Poel在1954年就根据沥青的线粘弹特性建立了针入度、软化点与劲度模量间的关系，并开发出著名的Van der Poel诺莫图[9]，后来壳牌沥青又据此开发了软件BANDS。Nattaporn CHAROENTHAM等人比对了大量沥青老化前后的复数剪切模量(G*，由DSR测定)和由Van der Poel诺莫图确定的沥青劲度(Sb)，认为它们之间存在很好的对数线性相关关系，并据此开发出泰国的基于针入度和软化点的沥青PG分级系统[10]。应用相同的原理和方法，N. Khalil和Alaa H. Abed分别开发了黎巴嫩和伊拉克的沥青PG分级规范[11-12]。因为岩沥青改性沥青没有改变沥青的线粘弹性性质，采用相同的原理和方法可以实现工地试验室用针入度和软化点推算PG分级指标(车辙因子G*/sinδ、疲劳因子试验G*sinδ、蠕变模量S和m值)，并进一步实现基于胶结料性能的适宜岩沥青掺配比例的确定。

(3)按AC-13型沥青混合料级配曲线，分别制备不同岩沥青掺量(提纯岩沥青25%、30%和35%)的改性沥青和SBS改性沥青混合料马歇尔试件，考察最佳油石比和体积指标的变化，评价路用性能的差异。虽然本研究在岩沥青掺量和油石比等计算时均采用提纯岩沥青，但在实际施工时采用提纯岩沥青是不现实的，因此拌制沥青混合料时采用的是原状岩沥青和基质沥青“湿法”制备的沥青胶结料，此时，在添加沥青胶结料时需要考虑其中的灰分含量。

2 试验结果与讨论

2.1 提纯岩沥青的路用性质

对提纯岩沥青分别进行老化前后三大指标的检测，检测结果见表2。

表2 提纯岩沥青三大指标检测结果

2.2 岩沥青掺配比例与PG分级

表3和图1给出了提纯岩沥青掺配比例与PG分级高温等级间的关系，由于篇幅所限以及广东地区对沥青路面的主要关注点，本文只给出了70#沥青老化前的PG分级的高温等级，老化后和低温等级可以同理计算。从表3可见，由针入度和软化点推算的PG高温等级与DSR实测的PG高温等级基本是一致的。从图1可以看出，提纯岩沥青的掺量与PG分级高温等级呈相关性非常好的线性关系(R2=0.99)，这可能与沥青胶结料的线粘弹性有关，同时也说明岩沥青的添加没有改变基质沥青的线粘弹性。

表3 提纯岩沥青掺配比例与PG分级高温等级间的关系

图1 提纯岩沥青掺量与PG分级高温等级的关系

2.3 岩沥青混合料设计与性能评价

2.3.1 岩沥青混合料配合比设计

2.3.1.1 基质沥青+25%岩沥青(提纯)混合料AC-13C

由表3和图1可以看出，70#基质沥青+25%岩沥青(提纯)的改性沥青胶结料对应的路面温度为80℃，PG高温等级指标为76℃，基本可以涵盖广东省沥青路面的极端高温。因此，可以认为是一个通用的掺配比例。根据AC-13型沥青混合料配比设计经验，选择5个油石比：4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%进行马歇尔试验，以确定所选择的级配对应的最佳沥青用量。马歇尔试验结果见表4。

表4 基质沥青+25%岩沥青混合料AC-13C马歇尔试验结果

由表4马歇尔试验结果绘制密度、空隙率、稳定度、流值、矿料间隙率、饱和度与油石比的关系图，如图2所示。根据关系图可以看出，对应于密度最大值的油石比a1=6.00；稳定度最大值对应的油石比a2=5.20；目标空隙率(4.5)对应的油石比a3=5.30；沥青饱和度中值对应的油石比a4=5.70。根据规范推荐最佳油石比计算公式[8]：OAC1=(a1+a2+a3+a4)/4=5.55；OAC2=(OACmin+OACmax)/2=5.48；最佳油石比：OAC=(OAC1+OAC2)/2=5.5。

图2 马歇尔试验关系

2.3.1.2 基质沥青+35%岩沥青(提纯)混合料AC-13C

由表3和图1可以看出，70#基质沥青+25%岩沥青(提纯)的改性沥青胶结料对应的路面温度为83℃，PG高温等级指标为82℃，可以作为适用于极端高温或特殊铺装的掺配比例。尽管由于灰分的影响，岩沥青的高比例掺配可能会给改性胶结料的湿法制备和输送带来一定的难度。同样选择5个油石比：4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%进行马歇尔试验，以确定所选择的级配对应的最佳沥青用量。马歇尔试验结果见表5。

表5 基质沥青+35%岩沥青混合料AC-13C马歇尔试验结果

按与基质沥青+25%岩沥青混合料AC-13C相同的方法，基质沥青+35%岩沥青混合料AC-13C的最佳油石比为5.6。

从表4和表5以及得到的最佳油石比可以看出，基于马歇尔试验的岩沥青改性沥青的最佳油石比显著大于基质沥青的最佳油石比，岩沥青“等量替换”基质沥青的最佳油石比确定方法不适用于“湿法”岩沥青混合料。

2.3.2 岩沥青混合料路用性能评价

2.3.2.1 水稳定性

本研究的水稳定性评价只进行了浸水马歇尔试验，试验结果见表6。作为对比，表6同时列出了SBS改性沥青混合料AC-13的试验结果。

表6 基质沥青+岩沥青混合料AC-13C浸水马歇尔试验结果

从表6可见，岩沥青混合料的水稳定性与SBS改性沥青混合料的水稳定性基本相当。

2.3.2.2 高温稳定性

本研究的高温稳定性评价采用车辙试验进行，试验结果见表7。作为对比，表7中同时列出了SBS改性沥青混合料AC-13的试验结果。

表7 基质沥青+岩沥青混合料AC-13C车辙试验结果

从表7可见，增加岩沥青掺量对混合料的高温稳定性影响显著，35%掺量的岩沥青混合料优于SBS改性沥青混合料的高温稳定性。

3 结论

鉴于岩沥青的诸多优点，以及在实际工程应用中存在的问题，开展了相关研究，主要结论：

(1)由于灰分的影响，测定含灰分的岩沥青胶结料性能指标(针入度、软化点等)是没有意义的。

(2)参照沥青PG分级规范，按沥青路面性能要求确定岩沥青(提纯)掺量，比基于沥青混合料的性能确定岩沥青掺量更合理。

(3)探究了基于针入度和软化点指标确定PG分级指标，进行岩沥青掺配，经与DSR实测结果对比，与针入度和软化点指标推算的PG分级结果一致。

(4)基于马歇尔试验的岩沥青改性沥青的最佳油石比显著大于基质沥青的最佳油石比，岩沥青“等量替换”基质沥青的最佳油石比确定方法不适用于湿法岩沥青混合料。

(5)湿法岩沥青混合料的水稳定性和高温稳定性与SBS改性沥青混合料相当，正确合理地使用岩沥青，具有显著的经济效益和环保效益。

课题组将进一步完善针入度和软化点指标推算的PG分级指标的相关算法，开发手机app，以最大限度地方便工地试验室开展岩沥青混合料设计。