岩沥青SBS复合改性沥青混合料的性能与机理
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岩沥青SBS复合改性沥青混合料的性能与机理
杜少文
【摘 要】通过室内试验评价了布敦岩沥青(BRA)改性剂以及BRA-SBS复合改性措施对沥青混合料路用性能的影响；采用X射线衍射仪对岩沥青进行测试,结合相关理论分析了岩沥青对沥青混合料的改性机理.结果表明:BRA改性沥青混合料能达到与SBS改性沥青混合料相近的高温稳定性、水稳定性和抗疲劳性能；BRA改性沥青混合料的低温抗裂性较低,难以满足冬寒区路面表面层的低温抗裂性要求,采用BRA与低剂量SBS复合改性的沥青混合料可以用于各种温度分区的路面表面层；由于BRA中的矿物成分主要是方解石,因此BRA与沥青之间的反应是一个物理共混过程,BRA中沥青固有的高黏度和耐久性是改善沥青混合料性能的主要原因.%Effect of Buton rock asphalt (BRA) and BRA-SBS polymer modifier on
the performance of asphalt mixture was evaluated by laboratory test.
Based on X-ray diffraction test and relevant theoretical analysis, the
mechanism of modification of BRA on asphalt mixture was explained. The
test results show that the high temperature stability, moisture resistance
and fatigue resistance of BRA asphalt mixture can reach corresponding
performance of SBS modified asphalt mixture. However, the low
temperature resistance a-bility of BRA asphalt mixture is low and can not
meet the special requirement of cold region asphalt pavement surface
mixture. The performance of low content SBS and BRA composite modified
asphalt mixture can meet the special requirements of all temperature
region pavement surface mixture. The test results by X-ray diffraction
indicate the main mineral composition of BRA is calcite. The reaction between BRA and asphalt is a physically mixing process. It is due to higher
viscosity and durability of asphalt in BRA that improves the performance of
asphalt mixture.
【期刊名称】《建筑材料学报》
【年(卷),期】2012(015)006
【总页数】4页(P871-874)
【关键词】布敦岩沥青;SBS改性沥青;低温性能;抗疲劳性能;改性机理
【作 者】杜少文
【作者单位】长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西西安710064;长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室,陕西西安710064
【正文语种】中 文
【中图分类】TU416.2
近年来，重载交通量的日益增长以及持续高温时间的增加对沥青面层混合料的高温稳定性提出了更高的要求.为了防止车辙，高速公路的面层混合料广泛采用改性沥青.岩沥青是一种产生在岩石结构中的天然沥青，研究表明［1－2］岩沥青作为改性剂可以提高沥青混合料的高温稳定性和耐久性，因此其在沥青混合料中得到了广泛的应用.
布敦岩沥青（BRA）是原产于印度尼西亚布敦岛海底的一种特殊岩沥青，其在常温下呈固体粉末状，可以作为改性剂提高沥青混合料的高温稳定性和耐久性.但是，目前的研究大都关注BRA改性沥青混合料的高温稳定性［2－4］，对于沥青混合料路用性能的系统研究较为缺乏，且没有形成一致结论.例如，有的研究［2］认为BRA会降低沥青混合料的低温抗裂性，不宜用于冬季温度较低的地区；有的研究［3］认为BRA能提高沥青混合料的低温性能，可以用于冬季寒冷的地区.而且，关于布敦岩沥青改性剂与沥青反应机理的相关研究很少.针对这些问题，本文采用室内试验系统评价了布敦岩沥青混合料的性能，然后采用X射线衍射仪对布敦岩沥青结构进行了测试，结合相关研究分析了其改性机理，这些研究可以为布敦岩沥青的研究和应用提供参考.
1 原材料与试验方案
1.1 原材料
BRA改性剂中沥青含量（质量分数，本文所涉及的含量、掺量除特别说明外均为质量分数）25%，密度1.796g／cm3，灰分含量75%，颗粒最大粒径2.36mm，抽提沥青后筛分矿物质得到筛分结果见表1.试验所用沥青的25℃针入度为69（0.1mm），软化点为45.5℃，15℃延度大于100cm，薄膜烘箱老化后的质量增加0.3%，残留针入度比为67%.粗细集料均采用石灰岩，沥青混合料所选级配为AC－13中值.SBS改性沥青采用高速剪切机将SBS加入到沥青中制备而成.
表1 抽提后岩沥青矿物筛分结果Table 1 Results of BRA after extraction by
sieving testSieve size／mm 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15 0.075 Passing ratio（by
mass）／%100.00 99.80 99.50 98.00 73.00 52.00
1.2 试验方案
为了与实际施工一致，本文直接将岩沥青加入到混合料中.BRA中既包含沥青又包含矿物质，且部分矿物颗粒较粗，混合料配合比设计时按比例计算扣除集料中等量的细集料.试验中采用2%，3%和4%的岩沥青掺入混合料中，来评价岩沥青掺量对混合料的影响，并以常用的4%的SBS制作SBS改性沥青混合料作对比试件，同时将BRA直接加入到SBS改性沥青混合料中，制成BRA－SBS复合改性沥青混合料.
本试验采用马歇尔法进行沥青混合料配合比设计，采用60℃车辙试验评价混合料的高温稳定性，采用－10℃小梁弯曲试验评价混合料低温抗裂性，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价混合料的水稳定性，试验步骤参照JTG E20—2011《公路沥青及沥青混合料试验规程》中的相关规定进行.沥青混合料的抗疲劳能力采用应力控制的中心加载的小梁弯曲试验，试验温度为15℃，应力比选为0.3和0.5℃.
2 试验结果与分析
不同沥青混合料的路用性能测试结果见表2.
2.1 配合比试验结果
分析表2数据可知：随着BRA掺量增加，混合料的最佳沥青含量（油石比）有所增大，主要是因为BRA增加了基质沥青的黏度，导致混合料中结构沥青含量增大，因此提高了最佳沥青含量.但是相比而言，SBS改性沥青混合料的最佳沥青含量较大，这是因为SBS对沥青黏度的提高作用大于BRA.另外，从表2配合比设计结果可知，BRA掺量对混合料稳定度的影响较小.
表2 BRA沥青混合料的路用性能Table 2 Performance of BRA modified
asphalt mixture3%BRA＋4%SBS Asphalt content（by mass）／% 4.9 5.0 5.1
5.1 5.2 5.2 5.3 Marshall stability／kN 10 11 11 11.5 12.5 11.3 12.5 Dynamic
stability／（times·mm－1） 1 561 2 480 4 907 5 733 5 180 7 050 9 744 Low
temperature flexural tensile strength／MPa 8.5 8.8 9.1 9.2 9.0 9.9 9.6 Test
item Base asphalt with 2%BRA with 3%BRA with 4%BRA with 4%SBS with
3%BRA＋with 2%SBS Low temperature flexural tensile strain×106 2 103 2
253 2 657 2 521 3 295 3 850 4 106 Low temperature flexural tensile
modulus／MPa 4 042 3 906 3 425 3 649 2 731 2 571 2 338 Retained indirect tensile strength／% 91 98 101 99 103 103 112 Freeze－thaw
strength ratio／%74 81 85 92 97 101 104
2.2 高温稳定性
表2中的高温稳定性试验结果表明：掺入2%BRA后，沥青混合料的动稳定度增加59%，这说明掺入BRA能明显改善沥青混合料的高温稳定性；当BRA掺量达到3%～4%时，沥青混合料的动稳定度与SBS改性沥青混合料的动稳定度相当；综合采用BRA－SBS复合改性的沥青混合料的动稳定度更高，这是两种改性剂对沥青混合料高温性能改善的叠加作用所致.
2.3 低温抗裂性
混合料设计时扣除了岩沥青中的矿物质对混合料级配的影响，如果岩沥青中的沥青抗低温变形能力优于基质沥青，随着岩沥青掺量增大，混合料低温弯曲应变理论上会增大.表2中低温弯曲试验数据表明：增加BRA掺量，混合料的低温弯拉强度的变化较小，低温弯拉应变先增大后降低，但是最佳沥青用量增大，由此可以断定BRA沥青混合料低温抗裂性的提高得益于最佳沥青含量的增加，因此BRA掺量过大会对混合料低温抗裂性能不利.相比而言，SBS改性沥青混合料的低温抗裂性更好.另外从表2试验结果可知：单纯采用BRA改性的沥青混合料无法满足冬寒区路面表面层混合料的低温抗裂性要求［5］，但是采用BRA与低剂量SBS复合改性的沥青混合料的低温抗开裂性能甚至可以达到规范［5］中冬寒区表面层混合料的要求，这说明复合改性措施能扩大BRA改性剂的使用范围.
2.4 水稳定性
分析表2中的水稳定性试验结果可以发现，掺入BRA可以提高沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比，这说明BRA改性剂能提高混合料的水稳定性.但是，进一步对比水稳定性试验数据可以发现，掺4%BRA的沥青混合料的水稳定性仍然小于SBS改性沥青混合料的，而综合采用BRA与SBS改性剂的沥青混合料的水稳
