CN102276187A - 布敦岩沥青改性沥青混合料二阶段设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种布敦岩沥青改性沥青混合料二阶段设计方法，具体为第一阶段不添加BRA，在155℃～165℃拌和温度条件下获得基质沥青混合料的最佳油石比；第二阶段在第一阶段获得基质沥青混合料的最佳油石比基础上添加BRA，在165℃～175℃拌和温度条件下获得BRA改性沥青混合料的最佳油石比。与普通非改性热拌沥青混合料相比，它提高了热拌沥青混合料的路用性能，与SBS等改性热拌沥青混合料相比，其路用性能基本相当，但可以降低成本20%以上。本设计方法可以使得设计布敦岩沥青改性沥青混合料更加简便和准确，在这种设计方法下的布敦岩沥青改性沥青混合料比普通基质沥青及部分改性沥青混合料有着更好的路用性能，是一种高性价比的沥青混合料设计方法，可应用于城市道路、各等级公路等铺面工程的铺筑。
Description
技术领域
本发明属于公路与城市道路领域，具体涉及一种布敦岩沥青改性沥青涂料二阶段设计方法。
背景技术
近些年来，天然沥青作为改性剂在道路建设中的应用渐渐进入专家的研究视野。作为沥青的一种，天然沥青具有得天独厚的性质：与沥青相容性好，性质稳定，价格低廉。天然岩沥青改性研究结果表明，其具有抗剥离、耐久、高温抗车辙、抗老化的特点，这决定了岩沥青将具有广阔的研发空间和市场潜力。
作为天然岩沥青一种的布敦岩沥青（Buton Rock Asphalt，以下简称BRA），产于南太平洋印度尼西亚苏拉威西岛东南部布敦岛，其形成是由于石油不断地从地壳中冒出存在于山体、岩石裂隙中，经长期蒸发凝固而形成的天然沥青。BRA经过挖掘粉碎后形成微细颗粒，呈浅褐色，一般沥青含量在20%～30%之间，其余为石灰岩类矿物质。BRA中的矿物质很细，具有很好的吸收沥青的能力，能够加强沥青与矿料的粘附作用，在印尼称为活性剂。
目前天然沥青已广泛应用于欧美许多国家。由于具有良好的路用性能，故在许多高速公路、机场道路、钢桥面铺装及隧道等工程中得到广泛应用。
本世纪中，西印度群岛特立尼达湖底的天然沥青岩石，经处理及净化后，制成特立尼达天然沥青，简称TLA。自八十年代起，TLA应用于世界上一些重要工程项目，如英国一些高级公路；法国、丹麦一些机场；日本钢桥；香港海底隧道等工程采用，使用效果良好。实体工程有美国乔治华盛顿大桥、林肯隧道、肯尼迪机场等。这些路段经过十几年的使用没有出现明显病害。美国西北部的西雅图港口，移动集装箱的重型吊车行驶的路面极易损坏，近年来于使用了岩沥青改性沥青，路况得到了很大改善。英国伦敦许多道路使用TLA寿命已超过30年。德国几百公里路面使用TLA在极寒冷的气候条件下，表现出很强的低温度敏感性和粘接韧性。日本本州－四国联络桥在高温及特别繁重交通条件下，动稳定度明显提高。
近几年来在南太平洋的布敦岛的海底亦发现类似的天然沥青岩石，简称BRA，其性能和TLA相当，可以和传统的石油沥青混合使用，以提高沥青路面抗车辙能力、防滑性能，延长道路使用寿命，改善沥青路面使用性能。由于BRA是从海底开采，无杂质亦无异味，价格和运费也比较低，是一种新型的沥青路面材料，同时可以为国家道路建设节省投资，具有较强的竞争能力。沥青材料的性能是影响道路使用性能的重要原因之一。一般来说，感温性弱、高温性能和低温性能好、抗老化性和稳定性强的沥青材料能使明显提高道路的使用性能。而我国现有国产沥青的性能不能满足现代交通轴载重、交通量大和轮胎内压高的实际需要，因此，开发出具备更高性能的沥青材料是解决我国道路问题的关键，而沥青改性技术的发展，使沥青性能的改善成为可能。
发明内容
为了使沥青混合料以相对较为低廉的材料成本获得较好的路用性能，本发明的目的在于提供一种布敦岩沥青改性沥青混合料二阶段设计方法，本发明需在沥青混合料中掺入BRA，掺量约为沥青总用量（总用量即总质量，其由BRA+基质沥青的总质量组成）的约20%～50%；并通过两个阶段的配合比设计过程完成最终的混合料设计；第一阶段不添加BRA，在155℃～165℃拌和温度条件下获得基质沥青混合料的最佳油石比；第二阶段在第一阶段获得基质沥青混合料的最佳油石比基础上添加BRA，在165℃～175℃拌和温度条件下获得BRA改性沥青混合料的最佳油石比。
本发明所述的BRA是指一种天然沥青颗粒，在其加入沥青混合料的拌和过程中，与基质沥青胶结料进行融合，从而改善基质沥青的路用性能，进而提高沥青混合料的路用性能。它是由产于印度尼西亚苏拉威西岛（SULAWESI）东南部布敦岛（BUTON）的布敦天然岩沥青矿，经去除杂质、脱水及研磨等加工后形成的黑色颗粒状粉末。其所含的沥青质及胶质含量远高于基质沥青，杂原子含量也较高，所以加入其他沥青胶结料后可提高其路用性能。
本发明提出的一种布敦岩沥青改性沥青混合料二阶段设计方法，具体步骤如下：
1、布敦岩沥青改性沥青混合料的第一阶段目标配合比设计
1）对基质沥青、改性沥青、粗集料、细集料、矿粉和纤维稳定剂等原材料进行性能检测，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F 40-2004）的相关规定。
2）对BRA进行性能测试，要求符合表1对BRA质量标准的要求。
表1 BRA质量标准
| 项目 | 指标 | 试验方法 |
| 沥青含量(%) | 22～40 | T 0607 |
| 砂、泥土等杂质含量(%) | ≤2 | T 0310 |
| 加热损失(%) | ≤2 | T 0610或T 0609 |
| 含水量(%) | ≤1 | T 0612 |
| 灰分(%) | 实测 | T 0614 |
| 三氯乙烯溶解度(%) | ≥22 | T 0607 |
| 密度(g/cm3) | 1.70～1.90 | T 0603 |
| 闪点(℃) | ≥230 | T 0611 |
3）设计级配范围将根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）推荐的级配范围、原材料级配组成，通过室内马歇尔试验确定。对于采用基质沥青，控制混合料的拌和温度为155℃～165℃，对于改性沥青，控制混合料的拌和温度为165℃～175℃，石料加热温度比拌和温度高10℃～20℃。将拌和均匀的混合料成型标准马歇尔试件，测定其密度、空隙率、等物理指标，以及马歇尔稳定度、流值等力学指标，由此确定出石料的级配和基质沥青的最佳用量。根据需要，亦可在混合料加入纤维。
4）在沥青最佳用量的条件下成型车辙板进行车辙试验，测试在温度60℃、轮压0.7MPa条件下沥青混合料的动稳定度，以检验沥青混合料的高温稳定性，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）所对应的沥青混合料的相关规定。
5）进行冻融劈裂试验，验证沥青混合料的水稳定性，要求符合国家相关规范的规定，根据需要，亦可进行浸水车辙试验，以进一步验证沥青混合料的水稳定性。
2、布敦岩沥青改性沥青混合料的第二阶段目标配合比设计
1）在第一阶段目标配合比设计完成的基础上，采用第一阶段确定的集料目标配合比结果，选取第一阶段基质沥青的最佳沥青用量，以及最佳沥青用量+0.2%、+0.4%、-0.2%、-0.4%，进行第二阶段的目标配合比设计，其中沥青用量为基质沥青及岩沥青中的沥青总和（即先设计确定岩沥青与基质沥青的掺量比例，而后以添加的基质沥青及岩沥青中的沥青总和与混合料总质量的比例作为配合比的沥青用量）。
2）继续进行室内马歇尔试验，混合料的拌和温度为165℃～175℃，石料加热温度比拌和温度高10℃～20℃。将拌和均匀的混合料成型标准马歇尔试件，测定其密度、空隙率、等物理指标，以及马歇尔稳定度、流值等力学指标，由此确定掺入BRA后的沥青最佳用量，并按照掺配比例确定其对应的级配、岩沥青用量及原沥青胶结料用量。
3）在二阶段沥青最佳用量的条件下成型车辙板进行车辙试验，测试在温度60℃、轮压0.7MPa条件下沥青混合料的动稳定度，以检验沥青混合料的高温稳定性，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）所对应的沥青混合料的相关规定。
4）进行冻融劈裂试验，验证沥青混合料的水稳定性，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）所对应的沥青混合料的相关规定，根据需要，亦可进行浸水车辙试验，以进一步验证沥青混合料的水稳定性。
3、布敦岩沥青改性沥青混合料的生产配合比设计
首先确定各个热料仓材料比例，并对冷料仓材料比例进行反复调整，使供料平衡，达到第二阶段目标配合比的要求，并取第二阶段目标配合比的沥青最佳用量、最佳沥青用量加0.3%、最佳沥青用量减0.3%等三个沥青用量进行马歇尔试验，确定生产配合比的最佳沥青用量。
4、布敦岩沥青改性沥青混合料的生产
1）布敦岩沥青改性沥青混合料要求用拌和机械拌制。
2）先将骨料与矿粉投入拌和机后，再将称量好的BRA投入拌和机中，三者先进行搅拌，搅拌均匀后再喷洒沥青进行拌和，拌和温度为165℃～175℃。混合料应拌和均匀，所有矿料颗粒应全部裹覆沥青结合料，无花白料。当布敦岩沥青改性沥青混合料中添加纤维时，纤维应在混合料中充分均匀分散。
5、布敦岩沥青改性沥青混合料的运输
布敦岩沥青改性沥青混合料运输到场温度必须大于160℃，其它要求同热拌沥青混合料。
6、布敦岩沥青改性沥青混合料的铺筑与碾压
1）低碳沥青混合料要求使用机械铺筑与待摊铺物体的表面，铺筑温度应不小于155℃。
2）用摊铺机将布敦岩沥青改性沥青混合料均匀摊铺于道路表面，根据混合料的级配类型，选择合理的压路机组合方式及碾压步骤。布敦岩沥青改性沥青混合料压实宜采用钢筒式静态压路机与轮胎压路机或震动压路机组合的方式，如果在低温条件下施工，需要对碾压方式及遍数进行调整。碾压温度一般为150℃～90℃（初压～终压），压实度和平整度须符合国家有关规范要求。在布敦岩沥青改性沥青混合料压实后5小时即可开放交通。
本发明中，步骤(4)中当布敦岩沥青改性沥青混合料中可添加纤维稳定剂，纤维稳定剂的加入量为布敦岩沥青混合料质量的0.3%~0.4%。
本发明提出该BRA设计方法应分为两个阶段：第一阶段不添加BRA，在155℃～165℃拌和温度条件下获得基质沥青混合料的最佳油石比；第二阶段在第一阶段获得基质沥青混合料的最佳油石比基础上添加BRA，在165℃～175℃拌和温度条件下获得BRA改性沥青混合料的最佳油石比。与普通非改性热拌沥青混合料相比，它提高了热拌沥青混合料的路用性能，与SBS等改性热拌沥青混合料相比，其路用性能基本相当，但可以降低成本约20%以上，并可通过与SBS等改性沥青进行复合改性以获得更佳的路用性能。
具体实施方式
实施例1：由于布敦岩沥青改性沥青混合料生产配合比设计与普通热拌沥青混合料相同，这里只列举布敦岩沥青改性沥青混合料目标配合比二阶段设计过程。
1、原材料性能检测
1）配合比设计中基质沥青采用70号A级道路石油沥青，该沥青符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中对该沥青技术要求的规定。改性剂为天然布敦岩沥青（BRA）。
2）进行BRA原材料性能检验，得沥青含量为24%，其他指标符合表1对BRA质量标准的要求。
3）AC-20C粗粒式粗型密级配沥青混合料所用的集料石灰岩，分别有：10～20mm碎石、10～19mm碎石、10～15mm碎石、5～10mm碎石、0～5mm石屑。所用集料符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对一级道路沥青混合料用集料要求。矿粉符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对一级道路沥青混合料用填料质量的要求。
2、一阶段目标配合比设计
1）为使本次实例具有代表性，本此例证采用沥青路面道路设计经常采用的AC-20C级配作为例证级配，AC-20C沥青混合料矿料级配组成要求如表2：
| 筛孔尺寸(mm) 质量百分率(%) | 26.5 | 19 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 合成级配 | 100 | 94.4 | 84.9 | 72.6 | 60.2 | 33.5 | 24.7 | 19.4 | 14.0 | 9.8 | 6.6 | 5.0 |
表2 矿料级配组成指标
2）基质沥青的马歇尔试验
根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004），AC-20C沥青混合料选取沥青用量4.1%作为马歇尔试件的初试沥青用量，按±0.5的间隔成型5组（每组5个）马歇尔试件。试验结果见表3。
表3 AC-20C马歇尔试验结果
3）确定一阶段基质沥青混合料最佳沥青含量
根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）要求的最佳沥青用量计算方法，决定最佳沥青含油量为：OAC=4.1%。在此用油量条件下，混合料的各项指标符合《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》JTJ 052-2000要求。
3、二阶段目标配合比设计
1）在室内试验中，按基质沥青与岩沥青掺配比例为3:1掺量掺加岩沥青，根据岩沥青中天然沥青和矿物质的含量，计算替代部分的基质沥青。根据基质沥青的马歇尔试验结果，选取4.1%作为马歇尔试件的初试沥青用量，按±0.2，±0.4的间隔计算BRA与基质沥青用量，并成型5组马歇尔试件。检验结果见表4。
表4 二阶段AC-20C马歇尔试验结果
2）确定布敦岩沥青改性沥青混合料最佳沥青含量
根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）要求的计算方法，决定最佳沥青含油量为：OAC=4.2%，即采用最佳沥青用量为4.2%，最佳油石比为4.38%，其中基质沥青用量为3.9%（与布敦岩沥青改性沥青混合料总质量比），BRA的用量为1.3%（与布敦岩沥青改性沥青混合料总质量比）；基质沥青与石料质量比为4.08%，布敦岩沥青与石料质量比1.36%。最佳沥青用量的各项指标与《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004中规定值的比较）。检验结果见表5。
表5 最佳沥青用量的各项指标与规范规定值的比较
经检验，以上各项指标结果均符合规范要求。
3）水稳定性检验
采用最佳沥青含量4.2%制备马歇尔试件，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052-2000）规程中的T0709-2000测试方法进行AC-20C沥青混合料浸水48h马歇尔试验。其残留稳定度为96.8%，满足JTG F40-2004对该地区改性沥青混合料马歇尔残留稳定度不小于85%要求。
4）高温稳定性检验
制备车辙试件，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052-2000）规程中的T0719-1993测试方法进行AC-20C岩沥青混合料车辙试验。其动稳定DS为220次/mm，满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中改性沥青混合料车辙不小于2800次/mm的技术要求。
4、二阶段配合比设计结论
试验结果表明本次AC-20C中粒式粗型密级配沥青混合料的目标配合比设计能满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中的技术要求。即采用最佳沥青用量为4.2%，最佳油石比为4.38%，其中基质沥青用量为3.9%，布敦岩沥青的用量为1.3%；基质沥青与石料质量比为4.08%，布敦岩沥青与石料质量比1.36%。
Claims (2)
1.一种布敦岩沥青改性沥青混合料二阶段设计方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)、布敦岩沥青改性沥青混合料的第一阶段目标配合比设计
①对基质沥青、改性沥青、粗集料、细集料、矿粉和纤维稳定剂原材料进行性能检测，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F 40-2004）的相关规定；
②对布敦岩沥青进行性能测试，要求符合表1对布敦岩沥青质量标准的要求；
表1 布敦岩沥青质量标准
③根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）推荐的级配范围、原材料级配组成，通过室内马歇尔试验确定级配范围；对于采用基质沥青，控制混合料的拌和温度为155℃～165℃，对于改性沥青，控制混合料的拌和温度为165℃～175℃，石料加热温度比拌和温度高10℃～20℃；将拌和均匀的混合料成型标准马歇尔试件，测定其密度、空隙率、等物理指标，以及马歇尔稳定度、流值力学指标，由此确定出石料的级配和基质沥青的最佳用量；
④在沥青最佳用量的条件下成型车辙板进行车辙试验，测试在温度60℃、轮压0.7MPa条件下沥青混合料的动稳定度，以检验沥青混合料的高温稳定性，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）所对应的沥青混合料的相关规定；
⑤进行冻融劈裂试验，验证沥青混合料的水稳定性，要求符合国家相关规范的规定；
(2)、布敦岩沥青改性沥青混合料的第二阶段目标配合比设计
①在第一阶段目标配合比设计完成的基础上，采用第一阶段确定的集料目标配合比结果，选取第一阶段基质沥青的最佳沥青用量，以及最佳沥青用量+0.2%、+0.4%、-0.2%、-0.4%，进行第二阶段的目标配合比设计，其中沥青用量为基质沥青及岩沥青中的沥青总和；
②继续进行室内马歇尔试验，混合料的拌和温度为165℃～175℃，石料加热温度比拌和温度高10℃～20℃；
将拌和均匀的混合料成型标准马歇尔试件，测定其密度、空隙率，以及马歇尔稳定度、流值力学指标，由此确定掺入BRA后的沥青最佳用量，并按照掺配比例确定其对应的级配、岩沥青用量及原沥青胶结料用量；
③在二阶段沥青最佳用量的条件下成型车辙板进行车辙试验，以检验沥青混合料的高温稳定性，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）所对应的沥青混合料的相关规定；
④进行冻融劈裂试验，验证沥青混合料的水稳定性，要求符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）所对应的沥青混合料的相关规定；
(3)、布敦岩沥青改性沥青混合料的生产配合比设计
首先确定各个热料仓材料比例，并对冷料仓材料比例进行反复调整，使供料平衡，达到第二阶段目标配合比的要求，并取第二阶段目标配合比的沥青最佳用量、最佳沥青用量加0.3%、最佳沥青用量减0.3%等三个沥青用量进行马歇尔试验，确定生产配合比的最佳沥青用量；
(4)、布敦岩沥青改性沥青混合料的生产
先将骨料与矿粉投入拌和机后，再将称量好的BRA投入拌和机中，三者先进行搅拌，搅拌均匀后再喷洒沥青进行拌和，拌和温度为165℃～175℃；混合料应拌和均匀，所有矿料颗粒应全部裹覆沥青结合料，无花白料；
(5)、将布敦岩沥青改性沥青混合料的运输，铺筑与碾压。
2.根据权利要求1所述的布敦岩沥青改性沥青涂料二阶段设计方法，其特征在于步骤(4)中所述布敦岩沥青改性沥青混合料中添加纤维稳定剂，纤维稳定剂的加入量为布敦岩沥青混合料质量的0.3%~0.4%。
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