采用天然岩沥青改性的沥青混合料路用性能
陆兆峰1, 2，何兆益2，秦旻3
(1. 重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆，400074；
2. 重庆交通大学 山区道路建设与维护技术重点实验室，重庆，400074；
3. 重庆交通大学 管理学院，重庆，400074)
摘 要：
摘 要：以SK 70#沥青作为基质沥青，选用青川天然岩沥青作为外掺剂制备改性沥青混合料，通过车辙试验、动态蠕变试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和低温小梁弯曲试验等室内试验，测试和评价改性沥青混凝土的路用性能，并分析岩沥青改性剂对混合料路用性能的影响。研究结果表明：掺入岩沥青改性剂后，岩沥青改性沥青混合料的高温性能、力学性能、抗疲劳性能和抗水损害能力有所提高，低温性能有所降低；但随着岩沥青掺量的增加，其对混合料路用性能的影响逐渐减弱，实际工程中，建议岩沥青的适宜掺量为8%。
关键词：
中图分类号：U416.217 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2010)06-2407-05
Pavement performance of asphalt mixture modified by rock asphalt
LU Zhao-feng1, 2, HE Zhao-yi2, QIN Min3
(1. School of Mechatronics and Automotive Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;
2. Hi-tech Laboratory for Mountain Road Construction & Maintenance, Chongqing Jiaotong University,
Chongqing 400074, China;
3. School of Management, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)
Abstract: Taking SK-70# as base asphalt，the modified asphalt mixture was prepared by the NES rock asphalt made in Qingchuan of Sichuan Province. The pavement performance and its change were studied based on the rutting test, the dynamic creep test, the immersion Marshall test, the freeze-thaw splitting test and the bending test of small beam. The results show that the high temperature performance, the mechanical performance, the anti-fatigue performance and the water stability modified mixture are enhanced, and the low temperature performance is declined slightly; there is not evident effect when the mixing amount is larger than 8%, so the optimum mixing amount is 8%.
Key words: pavement performance; rock asphalt; modifier; mixing amount
公路交通量的迅猛增长和荷载特点的变化对沥青混凝土路面提出了更高的要求，改性沥青混合料得到了越来越广泛的应用[1]。在各种物理、化学改性剂中，天然岩沥青以其与基质沥青良好的配伍性和生产便利性日益受到人们的关注[2-3]。天然岩沥青是石油类物质在长期地质环境变化条件下，经过复杂物理化学变化后形成的产物，由于常年与自然环境共存，其性能特别稳定，以其作为改性剂的改性沥青混凝土具有优越的路用性能。世界上较著名的北美岩沥青在美国、澳大利亚、挪威、日本等国家被广泛使用于高温、高应力、桥面铺装、弯坡路段等环境中[4]。在我国，针对岩沥青改性沥青混合料的研究才刚刚起步，对岩沥青改性沥青混凝土的材料组成及路用性能还不了解[5]。为此，本文作者选用青川天然岩沥青作为外掺剂制备改性沥青混凝土，通过室内试验测试评价混合料的路用性能，研究岩沥青改性沥青混凝土的材料组成和外掺剂对沥青混合料路用性能的影响，并据此选择适宜的岩沥青掺量，以便为岩沥青改性沥青混凝土在我国的推广应用积累经验。
1 实验原料
试验采用韩国SK 70#道路石油沥青作为基质沥青，采用青川天然岩沥青(呈黑褐色，粉末状)作为改性剂。基质沥青及岩沥青改性剂的性能指标如表1和表2所示。
表1 SK 70#沥青性能指标
Table 1 Performance indexes of SK-70# asphalt
表2 青川天然岩沥青性能指标
Table 2 Performance indexes of NES rock asphalt
岩沥青采用内掺法加入，可配制得到不同掺量(质量分数)的岩沥青改性沥青。试验混合料级配为AC-16C型，集料为石灰岩，级配曲线选用图1所示的“优选级配”；基质沥青和岩沥青改性沥青混合料的最佳油石比分别为4.5%和4.6%。
2 混合料路用性能
2.1 高温稳定性能
2.1.1 车辙试验
车辙试验常用来评价混合料的高温性能[6]。不同岩沥青掺量的混合料的车辙试验结果如表3所示。
表3 混合料车辙试验动稳定度
Table 3 Rutting test results of mixture 次/mm
从表3可知：随着岩沥青掺量的增加，混合料的动稳定度逐渐增加；当掺量为5%时，岩沥青改性沥青混合料的动稳定度比基质沥青混合料(即岩沥青掺入量为0)提高了2倍多；当掺量从5%提高到8%时，混合料的动稳定度继续增大，为基质沥青混合料动稳定度的3倍，动稳定度＞4 000次/mm，改性效果显著；但当掺量超过8%时，岩沥青改性沥青混合料动稳定度提高不明显。
当岩沥青掺量为5%时，动稳定度大于2 800次，已经满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》夏炎热区的技术要求。因此，从性价比考虑，建议岩沥青改性剂的掺量为5%~8%。
图1 AC-16高模量改性沥青混合料矿料级配曲线
Fig.1 Mineral aggregate gradation curves of modified asphalt mixture AC-16
2.1.2 动态蠕变试验
动态蠕变试验的仪器为沥青混合料气动伺服试验系统，试验按照PrEN12697-25测试程序的操作进行。试验温度分别为15，40和60 ℃，荷载水平分别为0.50，0.30和0.10 MPa。试验结果如表4所示。
表4 动态蠕变试验结果
Table 4 Dynamic creep test results
从表4可知：在相同温度和测试应力下，蠕变模量增加明显；在温度较低时(15 ℃)，改性沥青混合料蠕变模量达到194.55 MPa，远高于基质沥青混合料的蠕变模量；虽然随着温度逐渐升高，混合料蠕变模量逐渐降低，但改性沥青混合料蠕变模量均高于基质沥青混合料的蠕变模量；在60 ℃时，改性沥青混合料蠕变模量仍比基质沥青混合料提高了61%，改性沥青混合料高温稳定性显著。
基质沥青混合料和岩沥青改性混合料的蠕变模量与温度的相关方程为：
M1=0.048 1t 2-5.205 4t+147.327 (R2=0.99)
M2=0.128 4t 2-13.653 3t+370.46 (R2=0.99)
式中：t为试验温度，℃；M1为AC-16基质沥青混合料蠕变模量，MPa；M2为AC-16岩沥青改性沥青混合料蠕变模量，MPa。
2.2 力学性能
采用抗压回弹模量试验、劈裂试验和间接拉伸模量试验对天然岩沥青改性沥青混合料的力学性能进行研究[7]。抗压回弹模量试验和劈裂试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052—2000)要求执行。间接拉伸模量试验的试验温度为15 ℃，调整横向临界微应变为5 μm。力学性能试验结果如表5所示。
从表5可知：天然岩沥青改性沥青混合料的抗压强度为13.16 MPa，比基质沥青混合料提高了59%；抗压回弹模量为4 715 MPa，比基质沥青混合料提高了1.85倍；天然岩沥青改性沥青混合料极限劈裂强度比基质沥青混合料的极限劈裂强度提高33%，其劈裂破坏模量是基质沥青混合料劈裂模量的1.7倍。采用岩沥青改性沥青对混合料抗压回弹模量、劈裂强度和劈裂模量的提高作用显著。
在试验温度15 ℃时，天然岩沥青改性沥青混合料间接拉伸模量比基质沥青混合料提高近1倍，混合料抵抗拉应力的性能大幅度提高，这有助于提高沥青混合料耐疲劳的能力和高温稳定性。
2.3 水稳定性能
目前，常用的检验沥青混合料水稳定性的试验方法为浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验[8]。表6所示为浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果。
表5 沥青混合料的力学性能
Table 5 Mechanical property of asphalt mixture MPa
表6 水稳定性能试验结果
Table 6 Test results of water stability
由浸水马歇尔试验结果可知：天然岩沥青改性沥青混合料残留稳定度比未掺入岩沥青的混合料的残留稳定度略高，远大于规范要求，说明天然岩沥青改性剂对沥青混合料的水稳定性具有改善作用。
基质沥青与天然岩沥青改性沥青混合料的冻融劈裂试验强度比均大于75%，且天然岩沥青改性沥青混合料的冻融劈裂试验强度比达到85%，相对于基质沥青混合料提高了10%，说明天然岩沥青改性剂的掺入提高了沥青混合料的水稳定性。
与浸水马歇尔试验结果相比，冻融劈裂试验的残留强度比更小，表明冻融劈裂试验对抗水侵蚀的要求更严格。冻融劈裂试验经过真空饱水后，可以有效地提高水分在空隙中的填充程度，经过冻融，能模拟野外冻融条件，使集料表面的沥青膜在反复温度胀缩的作用下逐渐乳化，有利于反映水分对沥青膜侵害的最不利情况，能较好地模拟野外现场温度变化对沥青混合料强度的影响。因此，推荐采用冻融劈裂试验评价岩沥青改性沥青混合料的水稳定性。
2.4 低温抗裂性能
采用-10 ℃时的小梁弯曲试验来评价高模量沥青混合料的低温抗裂性能[9]。以标准马歇尔法确定的最佳沥青用量分别成型2种混合料小梁。试验在MTS810材料试验系统下进行，其结果如表7所示。
图7 -10 ℃时的小梁弯曲试验结果
Table 7 Bending test results of small beam at -10 ℃
从表7可知：掺入岩沥青改性剂后，混合料低温破坏应变较小，而在破坏强度指标上，低温弯曲劲度模量较大，说明采用低温弯曲小梁试验评价时，岩沥青改性混合料低温性能有所降低。但低温破坏应变仍大于2 500 με，因此，岩沥青改性混合料用于中、下面层，其低温性能完全能满足要求。天然岩沥青改性混合料在美国、欧洲北部寒冷地区均被使用。采用低温弯曲小梁试验评价岩沥青改性沥青混合料低温性能是否合适还有待进一步研究。
2.5 疲劳试验
间接拉伸疲劳测试(ITFT)采用气动沥青混合料伺服试验系统UN-14，以基质沥青混合料作参照，研究天然岩沥青改性沥青混合料的疲劳性能[10]。在间接拉伸疲劳试验中，采用控制应变方式和半矢波加载方式，卸载时间为加载时间的4倍，当加卸载循环至试件竖向变形达到临界值(6 mm)时视为疲劳破坏。试验温度为15 ℃，水平拉应力为0.70 MPa，试验结果见表8。
表8 间接拉伸疲劳试验结果
Table 8 Indirect tensile fatigue test results
从表8可知：在相同的试验条件下，天然岩沥青改性沥青混合料的疲劳寿命是基质沥青混合料的18倍，远远高于基质沥青混合料的疲劳寿命，表明天然岩沥青改性剂的掺入，对提高混合料的抗疲劳性能具有显著的贡献。
为进一步研究天然岩沥青改性沥青混合料的疲劳性能，在相同的试验温度(15 ℃)下，采用不同的应力水平，确定天然岩沥青改性沥青混合料的疲劳曲线与疲劳方程。由于AC-16天然岩沥青改性沥青混合料的劈裂强度为1.13 MPa(表5)，疲劳试验采用0.70，0.85，1.00 MPa 3个水平方向拉应力，即应力比分别为0.619，0.752和0.885。实验结果表明：当应力比为0.619，即水平拉应力为0.70 MPa时，疲劳寿命达到 32 113次，改性沥青混合料疲劳性能很好，说明天然岩沥青对改善沥青混合料的抗疲劳性能贡献很大；随着应力水平的增加，混合料的疲劳性能降低；当应力比增加到0.885，即水平拉应力为1.00 MPa时，疲劳寿命降低到4 850次，降低很明显，说明当应力水平较小时，改性沥青混合料的疲劳性能较为突出，相对于基质沥青混合料，疲劳性能明显提高。
通过曲线回归，可建立应力比-疲劳寿命疲劳方程：
ln N=14.749 7-7.106 3x (R2=0.995)
式中：x为应力比；N为疲劳寿命。
3 结论
(1) 天然岩沥青改性沥青混合料高温性能优良，随着岩沥青掺量的增加，混合料的动稳定度和蠕变模量增加，耐高温能力增强。
(2) 天然岩沥青改性沥青混合料的抗压回弹模量、劈裂模量和间接拉伸模量等与基质沥青混合料的相比均提高了1~2倍，表明采用岩沥青改性剂对混合料力学性能的提高作用显著。
(3) 掺入岩沥青改性剂后，混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度与普通沥青混合料的相比均有明显提高，使得沥青混合料的水稳性提高。但冻融劈裂试验对抗水侵蚀的要求更为严格，能较好地模拟野外现场温度变化对混合料强度的影响；因此，推荐采用冻融劈裂试验评价岩沥青改性沥青混合料的水稳定性。
(4) 掺入岩沥青改性剂后，岩沥青改性混合料低温性能有所降低；但低温破坏应变仍大于2 500 με，因此，当其用于中、下面层，低温性能仍能满足使用要求。
(5) 掺入岩沥青改性剂后，天然岩沥青改性沥青混合料的疲劳寿命远高于基质沥青混合料的疲劳寿命，抗疲劳性能显著提高，且建立的应力比-疲劳寿命方程能较好地预估天然岩沥青改性沥青混合料的疲劳寿命。
(6) 岩沥青作为改性剂掺入沥青混合料可以提高沥青混合料的路用性能，增强路面的耐久性。建议适宜的岩沥青掺量为8%。
参考文献：
[1] 周富强, 周必功, 李保国, 等. 岩沥青改性沥青应用研究[J]. 公路, 2006(12): 140-142.
ZHOU Fu-qiang, ZHOU Bi-gong, LI Bao-guo, et al. Application research of rock asphalt modified bitumen[J]. Highway, 2006(12): 140-142.
[2] 樊亮, 申全军, 张燕燕. 天然岩沥青改性对沥青路面性能的影响[J]. 建筑材料学报, 2007, 10(6): 740-744.
FAN Liang, SHEN Quan-jun, ZHANG Yan-yan. Influence of performance of modified asphalt by native rock-asphalt[J]. Journal of Building Materials, 2007, 10(6): 740-744.
[3] Gonzalez O, Munoz M E, Santamaria A, et al. Rheology and stability of bitument/EVA blends[J]. Eur Poly J, 2004, 40(10): 2365-2372.
[4] 詹百万, 张肖宁, 杨永红. 基于界面改性的岩沥青添加剂路用性能的试验[J]. 石油沥青, 2007, 21(4): 36-39.
ZHAN Bai-wang, ZHANG Xiao-ning, YANG Yong-hong. Research on road performances of gilsonite additive based on interfacial modification[J]. Petroleum Asphalt, 2007, 21(4): 36-39.
[5] 周庆华, 沙爱民, 杨琴. 高模量沥青混凝土力学性能试验研究[J]. 郑州大学学报: 工学版, 2008, 29(1): 128-131.
ZHOU Qing-hua, SHA Ai-min, YANG Qin. Experimental study for mechanical property of high modulus asphalt concrete[J]. Journal of Zhengzhou University: Engineering Science, 2008, 29(1): 128-131.
[6] 孟书涛, 黄晓明, 范要武, 等. 沥青混合料动稳定度试验的分析[J]. 公路交通科技, 2005, 22(11): 14-17.
MENG Shu-tao, HUANG Xiao-ming, FAN Yao-wu, et al. Analysis of dynamic stability test for HMA high temperature performance[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2005, 22(11): 14-17.
[7] prEN 12697-26. Bituminous mixtures–Test methods for hot mix asphalt–Part 26: Stiffness[S].
[8] 黄云涌, 刘朝晖, 李宇峙. 沥青混合料水稳定性试验方法[J]. 交通运输工程学报, 2002, 2(2): 19-22.
HUANG Yun-yong, LIU Chao-hui, LI Yu-zhi. Method of asphalt mixture immersion stability test[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2002, 2(2): 19-22.
[9] Sebaaly P E, Lake A, Epps J. Evaluation of low-temperature properties of HMA mixtures[J]. Journal of Transportation Engineering, 2002, 128(6): 578-586.
[10] Kim Y R, Little D N, Lytton R L. Fatigue and healing characterization of asphalt mixtures[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2003, 15(1): 75-83.
收稿日期：2009-10-24；修回日期：2009-12-30
基金项目：重庆市科技攻关项目(CSTS 2006AB6014)
通信作者：陆兆峰(1981-)，男，安徽利辛人，博士研究生，从事路基路面结构与材料研究；电话：15023086960；E-mail: qinmin_1981@163.com
