基于BRA與木質(zhì)素復配技術寬溫域瀝青混合料耐久性試驗研究

張 穎, 董國強, 劉 璐, 門玉明

(1.兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所， 陜西 西安 710065； 2.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院， 陜西 西安 710018)

?

基于BRA與木質(zhì)素復配技術寬溫域瀝青混合料耐久性試驗研究

張 穎1, 董國強1, 劉 璐2, 門玉明2

(1.兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所， 陜西 西安 710065； 2.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院， 陜西 西安 710018)

為了綜合解決瀝青混凝土面層存在的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性等問題，本文將布頓巖瀝青(BRA)和木質(zhì)素纖維按照不同比例摻入瀝青混合料配制寬溫域瀝青混合料，利用木質(zhì)素與BRA各自的路用性能改善效果側(cè)重點來對瀝青混合料起到綜合改性的作用。試驗結(jié)果表明，干法工藝摻加BRA與木質(zhì)素改性劑后，瀝青混合料兼具優(yōu)良的高低溫性能，4‰木質(zhì)素+8%BRA和5‰木質(zhì)素+10%BRA兩種復合改性方案下的抗疲勞性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，為寬溫域瀝青混合料設計理念在國內(nèi)的推廣應用提供借鑒。

路面工程； 寬溫域瀝青混合料； 布頓巖瀝青； 木質(zhì)素纖維

0 前言

瀝青材料作為一種典型的彈、粘、塑性綜合體，在低溫小變形范圍內(nèi)接近線彈性體，在高溫大變形范圍內(nèi)表現(xiàn)為塑性體，而在通常溫度的過渡范圍內(nèi)則表現(xiàn)為一般粘彈性體，對溫度的敏感性較強，高溫時變軟發(fā)粘，低溫時又變脆易裂，而且耐疲勞性能較差，這在一定程度上制約了瀝青及其混合料的發(fā)展，在高溫持續(xù)作用下，瀝青混合料由彈性體向塑性體轉(zhuǎn)變，勁度模量大幅度降低，抗永久變形能力急劇下降，加之冬季嚴寒、夏季炎熱地區(qū)的氣溫特點對瀝青路面的使用品質(zhì)提出了更高的要求，為適應這樣的氣溫特點,防止瀝青路面高溫車轍和低溫開裂的發(fā)生，同時提高瀝青混合料的抗疲勞耐久性，對瀝青進行改性就成為一種行之有效的方法[1-4]。瀝青混合料高、低溫性能和水穩(wěn)定性、疲勞性能的改善措施一直是國內(nèi)外學者研究的熱點[5]，目前大多數(shù)瀝青改性劑及其相關的生產(chǎn)工藝各有優(yōu)點和不足之處，通常不能兼顧改善高溫性能和低溫抗裂性能，這也是大多數(shù)添加劑所面臨的一個問題，而有的外摻材料在改善普通瀝青混合料單一方面性能的同時甚至會對其他性能帶來一定的負面影響。目前國內(nèi)外關于巖瀝青和纖維改性劑方面的研究多局限于單一改性[2-7]，或采用復合纖維改性方案[8-11]，鮮見巖瀝青與木質(zhì)素纖維復合改性方面的研究報道，且較少涉及寬溫域瀝青混合料復配技術方案，不能充分發(fā)揮巖瀝青與木質(zhì)素纖維各自的技術性能優(yōu)勢，為了綜合解決瀝青混凝土面層存在的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性等問題，本文將布頓巖瀝青(BRA)和木質(zhì)素纖維按照不同比例進行復配，并同時摻入瀝青混合料配制寬溫域瀝青混合料，利用木質(zhì)素與BRA各自的路用性能改善效果側(cè)重點來對瀝青混合料起到綜合改性的作用，為寬溫域瀝青混合料設計理念在國內(nèi)的推廣應用提供借鑒。

1 原材料

1.1 瀝青

試驗研究過程中選用實體工程中采用的SK90號重交通道路石油瀝青，SBS改性瀝青采用(I — B類)，這兩種瀝青的性能試驗檢測均符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40 — 2004)中的技術指標要求。

1.2 木質(zhì)素纖維

木質(zhì)素纖維是一種質(zhì)輕、高強、耐久的柔韌材料，其具有強度高、易分散的特點，研究表明[9]，木質(zhì)素纖維可以很好地吸持瀝青，減少瀝青路面的析漏和泛油現(xiàn)象，可顯著地改善瀝青混合料的低溫性能，延長瀝青路面的使用壽命。參考《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40 — 2004)以及《瀝青路面用木質(zhì)素纖維國家標準》(JT — T533 — 2004)等，對纖維的技術性能試驗，結(jié)果如表1所示。

表1 木質(zhì)素纖維技術性能測試結(jié)果Table1 Ligninfibertechnologytestingresults檢測項目纖維長度/mm灰分含量/%吸油率/%pH值含水率/%試驗結(jié)果3.720.56.97.21.7技術要求≤618±5≥5倍纖維質(zhì)量7.5±1.0≤5

1.3 布頓巖瀝青

加入青川巖瀝青可提高瀝青混合料模量，顯著改善瀝青混合料的疲勞性能和高溫穩(wěn)定性，布頓巖瀝青試驗技術性能檢測結(jié)果見表2。

表2 布頓巖瀝青試驗檢測結(jié)果Table2 Butonrockasphalttestresults類別瀝青含量/%加熱損失/%密度/(g·cm-3)含水量/%閃電/℃檢測結(jié)果 21.3 1.31.81 0.6 308印尼國家標準≥18 ≤2 1.70～1.90≤2.0≥230

1.4 集料

在試驗研究過程中所選用的粗集料選用玄武巖碎石，細集料采用石灰?guī)r機制砂，集料各項技術指標均滿足規(guī)范要求。

2 混合料配合比設計

2.1 寬溫瀝青混合料復配方案

參考已有研究成果，初選的木質(zhì)素纖維摻量為3‰、4‰、5‰，每組纖維摻量下變化6%、8%、10%、12%四種BRA摻量，利用BRA和木質(zhì)素各自的路用性能改善效果側(cè)重點來對瀝青混合料起到綜合改性的作用。

2.2 確定混合料級配及最佳油石比

根據(jù)現(xiàn)行施工規(guī)范JTG F40 — 2004推薦的瀝青混凝土混合料的級配范圍并參考實體工程中選用的AC — 13C礦料級配，已知礦粉的通過百分率根據(jù)富勒級配曲線設計細集料級配，對2.36、0.075 mm篩孔通過率加以控制，選用的級配曲線走向由下往上穿越級配中值的S型曲線，試驗級配見圖1。

圖1 復合改性瀝青混合料合成級配Figure1 Synthesis gradation of composite modified asphalt mixture

按照馬歇爾法試驗流程確定高模量瀝青混合料的最佳油石比，試驗時變化木質(zhì)素纖維摻量為0%、1%、2%、3%、4%，試驗中木質(zhì)素與布頓巖瀝青(BRA)的摻加方式均采用“干法”工藝，即先將預定質(zhì)量纖維、BR巖瀝青和集料一起干拌120 s，使其在礦料中分散均勻，再加入溫拌合高模量瀝青，拌合90 s，最后加入礦粉，拌合90 s，總拌合時間為5 min，控制拌合完成后瀝青混合料溫度為165～175 ℃，試件擊實溫度為170 ℃，馬歇爾試驗結(jié)果見表3。

表3 不同復配方案馬歇爾試驗結(jié)果Table3 DifferentcompositemodifiedmethodMarshalltestresults木質(zhì)素纖維摻量/‰BRA摻量/%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改性瀝青4%SBS摻量4.7514.764.072.9013.09

3 寬溫域瀝青混合料路用性能

3.1 高溫穩(wěn)定性

良好的高溫穩(wěn)定性是瀝青混凝土路面抵抗惡劣氣候環(huán)境 — 荷載條件下的基本路用性能要求，對于我國高速公路這樣的渠化交通來說，路面高溫穩(wěn)定性不足表現(xiàn)出來的主要問題是車轍。根據(jù)JTG E20—2011中的要求，分別對不同復合改性方案SBS改性瀝青混合料進行車轍試驗，試件尺寸300 mm×300 mm×50 mm，車轍試驗的溫度為60 ℃，輪壓為0.7±0.05 MPa，行走速度為42±1次/min，試驗時試驗輪的行走方向要與成型車轍板時的碾壓方向一致，車轍試驗結(jié)果見圖2。

圖2 不同復配方案車轍試驗結(jié)果Figure 2 Different composite modified method rutting test results

車轍試驗結(jié)果表明: ①相同木質(zhì)素纖維摻量條件下，車轍試驗動穩(wěn)定度隨BRA摻量的增大呈二次函數(shù)關系增大，3‰、4‰、5‰纖維摻量，BRA摻量由6%增加到12%，車轍試驗動穩(wěn)定度分別增大了56.7%、52.1%、47.4%，相比木質(zhì)素纖維改性瀝青混合料，6%BRA摻量可使復合改性瀝青混合料的DS提高35.8%，12%BRA摻量可使DS提高106.5%，BRA顯著改善了復合改性瀝青混合料的高溫抗永久變形能力，以DS>3000次/mm為控制指標，確保復合改性瀝青混合料具有足夠的抗永久變形能力，BRA摻量不宜小于8%； ②相同BRA摻量下，車轍試驗動穩(wěn)定度隨木質(zhì)素纖維摻量的增大呈線性關系增大，木質(zhì)素纖維超過4‰后車轍試驗動穩(wěn)定度增長區(qū)域平緩，相比普通瀝青混合料，摻加聚酯纖維雖然對復合改性瀝青混合料車轍試驗動穩(wěn)定度有一定影響，但其對混合料高溫性能改善效果有限； ③采用復合改性方案，可以使瀝青混合料的車轍試驗動穩(wěn)定度提高到3000次/mm以上，10% BRA與4‰木質(zhì)素復合改性方案下的車轍試驗結(jié)果可與4%SBS改性瀝青混合料相媲美。

3.2 低溫抗裂性

低溫開裂是瀝青混凝土路面主要的破壞形式之一，嚴重影響了道路的使用壽命和質(zhì)量。采用小梁低溫彎曲試驗來不同復配方案瀝青混合料的低溫抗裂性能，測定混合料的破壞強度、破壞應變和破壞勁度模量，同時計算混合料的單位體積低溫破壞能(計算公式見式(1)和式(2))，從多方面來評價瀝青混合料的低溫性能，探討木質(zhì)素纖維和BRA摻量對瀝青混合料低溫抗裂性能的影響。試驗時按照JTG E20 — 2011中的要求成型車轍板，切割為30 mm×35 mm×250 mm的梁型試件，試驗時采用單點加載方式，支點間距200 mm，加載速率為50 mm/min，試驗溫度為-10 ℃，試驗結(jié)果見表4。

(1)

(2)

表4 不同復合改性方案小梁低溫彎曲試驗結(jié)果Table4 Differentcompositemodifiedmethodlowtempera-turetrabecularbendtestresults木質(zhì)素纖維摻量/‰BRA摻量/%抗彎拉強度/MPa最大彎拉應變/με彎曲勁度模量/MPa單位破壞應變能/(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

低溫彎曲試驗結(jié)果表明: ①相同BRA摻量，隨著木質(zhì)素纖維摻量的增大，復合改性瀝青混合料抗彎拉強度增大，各BRA摻量下，彎拉伸應變隨木質(zhì)素摻量的增大呈線性關系增大，對于單位體積破壞應變能也有類似變化趨勢，彎曲勁度模量隨木質(zhì)素摻量的增大呈線性關系減小，可見增大木質(zhì)素摻量可提高復合改性瀝青混合料的柔性，木質(zhì)素摻量大于3‰后復合改性瀝青混合料最大彎拉應變均大于3300 με，可見木質(zhì)素纖維對復合改性瀝青混合料低溫抗裂性貢獻較為顯著，值得注意的是，隨著木質(zhì)素摻量進一步增大，復合改性瀝青混合料的抗彎拉強度和彎拉應變雖有增大趨勢，但增幅不明顯，以此確定復合改性瀝青混合料適宜的木質(zhì)素摻量為4‰； ②相同木質(zhì)素摻量，隨著BRA摻量的增大，復合改性瀝青混合料彎拉應變呈先增大后減小的變化趨勢，各纖維摻量下最大彎拉應變(單位體積破壞應變能)與BRA之間的二次函數(shù)關系擬合良好，以峰值彎拉應變確定3‰、4‰、5‰木質(zhì)素摻量下的最佳BRA摻量依次為8.7%、9.6%、10%，可見低溫抗裂性是制約BRA摻量增大的主要因素，工程實踐中可通過小梁彎曲試驗確定最佳BRA摻量； ③相比4%SBS改性瀝青混合料，采用BRA與木質(zhì)素纖維復合改性方案可達到甚至超過SBS改性瀝青3435.87 με，復合改性方案顯著降低了瀝青混合料的勁度模量，提高了混合料柔性。

3.3 水穩(wěn)定性

水損害是高溫多雨地區(qū)瀝青混凝土路面主要的病害之一，瀝青混凝土路面在水存在的條件下，經(jīng)受交通荷載和溫度變化的反復作用，水分會滲入混合料內(nèi)部，在軸載作用下不斷地削弱瀝青膠漿，破壞瀝青、瀝青膠漿與集料之間的粘結(jié)力，最終造成路面破壞。通常以浸水馬歇爾試驗評價高溫多雨地區(qū)瀝青混合料的抗水損害能力，以凍融劈裂強度比評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，筆者采用這2種試驗探討了木質(zhì)素和BRA摻量對復合改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，試驗方法嚴格參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20 — 2011)的要求進行，試驗結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 浸水馬歇爾試驗結(jié)果Figure 3 Immersion marshall test results

圖4 凍融劈裂試驗結(jié)果Figure 4 Freeze-thaw splitting test results

浸水馬歇爾、凍融劈裂試驗結(jié)果表明，隨著BRA摻量增大凍融劈裂強度比(TSR)和馬歇爾殘留穩(wěn)定度(MS0)均呈先增大后減小的變化趨勢，在10%BRA摻量下TSR出現(xiàn)峰值。此外，隨著木質(zhì)素摻量的增大復合改性瀝青混合料TSR、MS0呈線性關系增大，總體而言，復合改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性滿足規(guī)范大于85%的要求，水穩(wěn)定性不是制約BRA和木質(zhì)素纖維摻量的主要因素。

3.4 抗疲勞耐久性

瀝青混凝土路面在移動輪載的作用下，其內(nèi)部的各點處于不同的應力狀態(tài)之下，路面內(nèi)各點就在輪載作用下不斷承受這種拉壓循環(huán)并且伴隨著剪切作用，當混合料內(nèi)部損壞達到一定程度后，無法承受外來荷載而導致破壞，這就是疲勞破壞的過程。筆者采用現(xiàn)象學法小梁疲勞試驗探討不同BRA與木質(zhì)素復配方案下復合改性瀝青混合料的抗疲勞開裂性能。試驗按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中規(guī)定輪碾法成型并切割4 cm×4 cm×25 cm標準試件，加載波形和頻率為10 Hz 連續(xù)式正弦波，加載方式為中點加載，有效間距20 cm，試驗溫度為15 ℃，試驗選擇：0.2、0.3、0.4、0.5共4個應力水平。對不同應力水平對應的疲勞壽命分別取對數(shù)進行回歸，進而得到回歸方程，得出回歸方程參數(shù)k和n，參考已有文獻，n值越大說明材料的疲勞壽命隨著應力水平的增加衰減的越快；k值越大說明材料的疲勞性能越好。所以，可以采用回歸方程中k和n來評價材料的疲勞性能。試驗數(shù)據(jù)處理公式(見式(3))，擬合試驗結(jié)果見表5。

(3)

式中：Nf為達到破壞是的重復荷載作用次數(shù)；σ0為初始彎拉應力，MPa。

表5 不同復合改性方案疲勞試驗擬合結(jié)果Table5 Differentcompositemodifiedmethodfatiguetestfitingresults木質(zhì)素纖維摻量/‰BRA摻量/%擬合曲線斜率n擬合曲線截距K相關系數(shù)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

試驗結(jié)果表明: 相同木質(zhì)素摻量下，隨著BRA摻量的增大，復合改性瀝青混合料疲勞曲線雙對數(shù)擬合斜率n呈先減小后增大的變化趨勢，K值呈先增大后減小的趨勢；相同BRA摻量下，增大木質(zhì)素摻量，復合改性瀝青混合料疲勞試驗n呈減小趨勢，K值呈增大趨勢，綜合考慮K、n值的變化規(guī)律，4‰木質(zhì)素+8%BRA和5‰木質(zhì)素+10%BRA兩種復合改性方案下的抗疲勞性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。

4 結(jié)論

① 相同木質(zhì)素纖維摻量條件下，車轍試驗動穩(wěn)定度隨BRA摻量的增大呈二次函數(shù)關系增大，采用木質(zhì)素與BRA復合改性方案，可顯著改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，10% BRA與4‰木質(zhì)素復合改性方案下的車轍試驗結(jié)果可與4%SBS改性瀝青混合料相媲美。

② 相同BRA摻量，隨著木質(zhì)素纖維摻量的增大，復合改性瀝青混合料抗彎拉強度增大，木質(zhì)素摻量大于3‰后復合改性瀝青混合料最大彎拉應變均大于3300 με，木質(zhì)素纖維對復合改性瀝青混合料低溫抗裂性貢獻較為顯著。采用BRA與木質(zhì)素纖維復合改性方案可達到甚至超過SBS改性瀝青的低溫抗裂性。

③ 采用木質(zhì)素與BRA復配方案可顯著改善瀝青混合料的抗疲勞耐久性，4‰木質(zhì)素+8%BRA和5‰木質(zhì)素+10%BRA共2種復合改性方案下的抗疲勞性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。

[1] 王剛，劉黎萍，孫立軍. 國產(chǎn)天然巖瀝青及其混合料相關性能試驗研究[J].公路工程,2011，36(4)： 72-75.

[2] 靳進釗．印尼布敦巖瀝青的路用性能研究[J]．交通標準化，2009(196)：167-169.

[3] 劉樹堂，楊永順，房建果，等．布敦巖瀝青改性瀝青混合料試驗研究[J]．同濟大學學報：自然科學版，2007，35(3)：35l-355．

[4] 王培亮，冉東，王逸飛.改性水泥穩(wěn)定基層材料的力學性能及應用研究[J].森林工程，2015，31(1)：139-142.

[5] 王恒斌，葛折圣．布敦巖瀝青改性瀝青膠漿高溫動態(tài)流變性能的試驗研究[J]．公路交通科技，2008，25(9)：63-66．

[6] 倪富健，賴用滿，沈恒,等.TLA復合改性瀝青混合料路用性能研究[J].公路交通科技,2005，22(1)，13-16.

[7] 陳振超，何東坡，李洪峰.橡膠瀝青混合料在凍融作用下的性能研究[J].森林工程，2015，31(3)：117-120.

[8] 葉群山.纖維改性瀝青膠漿與混合料流變特性研究[D].武漢:武漢理工大學,2007.

[9] 韓偉華.復合改性纖維瀝青混合料路用性能研究[D].西安:長安大學,2007.

[10] 封基良.纖維瀝青混合料增強機理及其性能研究[D].南京:東南大學，2006.

[11] 孫立軍.纖維瀝青混凝土路用性能研究[D]西安:長安大學,2002.

[12] 李瑞霞，郝培文，王春，等.布敦巖瀝青改性機理[J].公路交通科技,2011，28(11).

[13] 尹應梅，張肖寧．布敦巖瀝青對瀝青膠漿高溫流變特性的影響[J]．武漢理工大學學報，2010，3(7)：85-89．

[14] 雛桂蓮，郭林泉，虞將苗．布敦巖瀝青混合料路用性能研究[J]．公路與汽運，2010(1)：78-80．

[15] 胡曉輝．特立尼達湖改性瀝青性熊與應用技術性能研究[D].天津：河北工業(yè)大學，2007．

[16] 高慧婷,張穎,張亮.混雜纖維瀝青混合料低溫抗裂性的研究[J].吉林建筑工程學院學報,2011,28(3):37-39.

[17] 張燕軍.公路工程瀝青混凝土路用纖維性能分析[D].濟南:山東大學,2006.

[18] 陳華鑫.纖維瀝青混凝土路面研究[D].西安:長安大學,2002.

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

國家自然基金項目，青年基金項目(51302088)

張 穎(1982 — )，女 ， 陜西西安人，工程師，主要從事安全技術工程方面工作。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0040 — 06