BRA与SBR复合改性沥青及其混合料技术性能研究

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第39卷，第6期公路工程Vo1．39，No．62014年12月HighwayEngineeringDec．，2014BRA与SBR复合改性沥青及其混合料技术性能研究周丽峰(乌海市公路管理局，内蒙古乌海016000)[摘要]为了弥补BRA改性沥青低温抗裂性能方面的技术缺陷，提出采用SBR与BRA复配方案对其进行改善。通过对不同BRA掺量下的BRA与SBR复合改性沥青流变特性，以及复合改性沥青混合料路用性能研究，结果表明，BRA掺量在10％～15％时，复合改性沥青混合料综合路用性能最佳，BRA与SBR复合改性沥青混合料的各项路用性能可达到甚至超过了SBS改性沥青混合料。【关键词]路面工程；复合改性沥青混合料；路用性能[中图分类号】U414．1[文献标识码】A[文章编号】1674-0610(2014)06-0277-06StudyonTechnicalCharacteristicoftheBRAandSBRCompositeModifiedAsphaltandAsphaltMixtureZHOULifeng(WuhaiHighwayAdministrationBureau，Wuhai，InnerMongolia016000，China)[Abstract]InordertocompensatefortechnicaldeficienciesBRAmodifiedasphaltlowtemperaturecrackingperformance，thispaperproposestheuseofSBRBRAcomplexwithitsimprovementplan．ThroughtheBRAandtherheologicalpropertiesofthecompositeSBRmodifiedasphaltunderdifferentBRAcontent，aswellascompositemodifiedasphaltpavementperformancestudies，resultsshowedthat，BRAcontentinthe10％～15％compoundmodifiedasphaltmixturecomprehensiveroadperformancebest，BRAandSBRmodifiedasphaltcompositevariousroadperformancecanbeachievedevenmorethantheSBSmodifiedasphaltmixture．[Keywords]pavementengineering；compositemodifiedasphaltmixture；roadperformance已将天然岩沥青作为一种特殊的改性沥青纳入规0前言范，但仍缺乏相应的技术标准以及改性效果评价，亦随着我国经济社会的高速发展、交通量的急剧未形成统一的标准与方法，这在一定程度上也影响增长以及不断增加的车辆荷载，都对高速公路沥青了BRA改性沥青混合料的推广。本文主要针对路面的使用性能提出了越来越高的要求，而新建的BRA改性沥青存在低温抗裂性能不足这一技术缺沥青路面远远不能满足使用要求，在初期就出现推陷，通过将BRA改性沥青与SBR改性剂复配的方移、拥包、坑槽、车辙、裂缝、泛油、松散等病害，这不案，以期提升BRA改性沥青混合料的综合路用性仅造成了巨大的经济损失，而且给行车安全留下了能，并为其混合料的组成设计和推广应用提供参考。隐患。为适应这种需要，各种路用性能优越的改性1原材料性能沥青应运而生。在诸多物理、化学改性剂中，布敦岩沥青以使用寿命长、高稳定性好、抗水损害能力强、1．1基质沥青施工简便等技术优势而备受关注’，但由于BRA试验选用壳牌70号基质沥青，对沥青的主要技对沥青混合料低温性能的改善作用仍存在争术指标进行检测，结果见表1。议，进而影响了其大面积推广应用。目前，我国【收稿日期]20l4—05—2l【作者简介】周丽峰(1963一)，女，内蒙古乌海人，高级工程师，主要从事高速公路建设与管理工作。 278公路工程39卷表1技术指标及要求度级别的动态剪切流变试验，以评价不同BRA掺量Table1Asphaltspecificationsandrequirements对高温性能的影响(见图1)。试验项目规定值试验结果试验方法1．2集料及填料本文在试验研究过程中粗集料采用玄武岩，细图1复合改性沥青抗车辙因子与的关系曲线集料采用机制砂，填料由石灰岩磨制而成。经检测Figure1CompoundmodifiedasphaltruttingresistancefactorandTcurves其各项物理、力学指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》的各项技术要求。由试验结果可知：1．3BRA①在相同试验温度条件下，随着BRA掺量的增布敦岩沥青(BRA)因产自南太平洋印度尼西加，复合改性沥青的抗车辙因子增大。此外当BRA亚苏拉威西省布敦岛(BUTON)而得此名称。BRA掺量超过15％后，随着BRA，抗车辙因子虽逐渐提是石油在岩石夹缝中经过长达亿万年的沉积变化，高，但变化幅度趋于平缓，如64℃试验条件下，BRA在热、压力、氧化、融媒、细菌的综合作用下生成的沥掺量由5％增加到15％，车辙因子增加了125％，而青类物质。由于其常年与自然环境共存，性质特别BRA掺量由15％增加到25％，车辙因子仅增加了稳定，天然沥青不能直接作为一种沥青使用，一般作30．1％，这表明BRA掺量的增加与复合改性沥青混为石油沥青的改性剂使用，形成改性沥青，使之优良合料的抗车辙性能之间并不成正比关系。的技术性能达到最大的发挥。本文采用佛山市特路②掺加BRA后复合改性沥青抗车辙因子之所达工业发展有限公司生产的布敦岩沥青。以提高可作如下解释：I，掺加BRA岩沥青后复合改性沥青的弹性增加，使得改性沥青在较高温度时的2BRA与SBR复合改性沥青流变特性研弹性恢复的能力提高，因而降低了沥青胶浆的永久究变形“。II，BRA的加入对复合改性沥青胶浆具2．1试样的制备有稳定作用，使其弹性成分提高，显著改善了胶浆的BRA与SBR复合改性沥青的制备主要包括剪高温流变特性，从而使复合改性沥青车辙因子增大。切和发育2个阶段，首先取一定质量的90号基质沥综上所述，掺加布敦岩沥青后，BRA与SBR复合改青到定制容器中，加热基质沥青到150oC，按试验方性沥青胶浆的整体性、抗剪性以及抗车辙能力均得案要求的比例加人天然沥青，随后将温度提高到到了显著提高，从而有效地改善了沥青混合料的高180oC时加人掺量为3％的SBR改性剂，在此温度温稳定性，延缓了沥青路面车辙的产生。下搅拌均匀并充分溶胀15rain后，保持温度(185±2．3复合改性沥青胶浆BBR试验5)oC，剪切速率4500r／min，用高速剪切机剪切采用低温小梁试验评价复合改性沥青胶浆低温60min。最后在180℃下发育2．5h。流变特性。弯曲梁流变试验采用美国CANNON公2．2复合改性沥青胶浆DSR试验司生产的弯曲梁流变仪，试样试验方法为AASHTO本文采用动态剪切流变试验(DSR)评价BRA标准TP1。试验结果见表2。SHRP研究结果表明，蠕变劲度S反映材料的与SBR复合改性沥青胶浆高温流变特性。在SBR掺量3％的条件下，变化BRA掺量为5％，10％，低温性能，S值越大，表明胶浆弹性成分越大，低温柔性和弯曲变形能力越差，路面越容易开裂。蠕变15％，20％，20％(占沥青质量的百分比)，制备复合速率m反映材料的松弛能力，m值越大，松弛能力改性沥青胶浆，对其进行52、58、64、72、78oC5个温 第6期周丽峰：BRA与SBR复合改性沥青及其混合料技术性能研究279越强，m值大的材料当遇到温度急剧下降时，往往不3％SBR复合改性方案，车辙深度为3mm，DS为易开裂，具有较好的低温性能。由表2可以看出：2746次／mm，不满足规范1—3、1—4气候分期内DS①随着温度的降低，各BRA掺量下的复合改≥2800次／mm的要求。相比10％BRA+3％SBR性沥青S值均明显增大，m值明显减小，表明随着温复合改性方案，混合料车辙深度减小到2．238mill，度的降低，BRA与SBR复合改性沥青的低温性能也减小了25．5％，DS增加到3795次／mm，增加了在降低。38．2％。②在相同试验温度下，随着BRA掺量的增加②3％SBR掺量下，当BRA掺量超过15％后车劲度模量5增加，m值减小，在一l8℃条件下，当辙试验动稳定度随着BRA掺量的增加仍呈增加趋BRA掺量超过20％后，．s值不满足≤300MPa的要势，但增加幅度不明显，如BRA掺量由15％增加到25％，车辙试验动稳定度仅增加了9．2％。因此，从求，同时BRA掺量达到20％后，复合改性沥青BBR工程的经济性以及复合改性沥青混合料的抗变形能试验结果不满足60s的蠕变劲度．s≤300MPa和m力考虑，最佳BRA掺量不宜超过15％。>10．3的要求。由此可见，BRA掺量并不是越多越③相比基质沥青和SBR改性沥青，BRA与好，从低温性能考虑，复合改性沥青中的BRA掺量SBR复合改性沥青可显著增加沥青混合料的抗永久不宜超过20％。变形能力，且15％BRA+3％SBR复合改性沥青混3BRA与SBR复合改性沥青混合料路用合的抗车辙能力与SBS改性沥青相差不大，随着性能研究BRA掺量的进一步增大，复合改性沥青混合料的抗永久变形能力甚至超过了SBS改性沥青混合料。3．1高温稳定性3．2低温抗裂性能试验采用车辙试验来评价沥青混合料高温稳定相关研究结果表明，沥青混合料中储存的弹性性。车辙试验是沥青混合料试件在规定温度(常应变能越多，其低温抗裂性能就越好。由于沥青混取60℃)及荷载(常取0．7MPa)下，测定试验轮往合料都具有一定的能量储存能办，这种储存容量可返行走所形成车辙变形的速率，以每产生1mm变直接用试验的方法确定，简称破坏能。简单的说如形的行走次数即动稳定度来表示。不同复配方案车果沥青混合料试件破坏时消耗的能量越大，那么其辙试验结果见表3。．低温抗裂性能就越好。根据沥青混合料的破坏表3BRA与SBR复合改性沥青车辙试验结果根据沥青混合料的破坏能的定义，可以将其单位体Table3BRAwithSBRcompoundmodifiedasphaltruttingtestresults积的破坏能表示为式(1)：dW，rJ08(eij)deij(1)dW，式中：为破坏时应变能；6(6ij)、8分别为应力、应变的分量；s为最大应力所对应的应变值(临界应变值)通过对低温弯曲试验结果曲线分析发现，三次车辙试验结果表明：多项式可以较好地模拟低温弯曲试验上升阶段的应①在3％SBR掺量下，随着BRA掺量增加车辙力一应变关系。即：变形量减小，车辙试验动稳定度增加。5％BRA+6=A+BIX+2+口3(2) 280公路工程39卷式中：A、B。、B和B，表示回归后的材料参数。试验和冻融劈裂试验。将式(2)代入式(1)中，就可以计算出沥青混合①浸水马歇尔试验。料的破坏应变能。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—20l1)的要求用击实法成型标准马歇尔：A+鲁2。+冬83+934。(3)试件(正反75次／面)，分成两组，一组放置在60℃式(3)中的r为单位体积破坏能，MPa；为应力峰水浴中保温48h测其稳定度，另外一组放置在值时的应变。60℃水浴中保温30min测其稳定度，以两组马歇本文采用低温弯曲试验加载方式为三分点加载尔试件稳定度平均值的比值，也就是残留稳定度作(即中点加载方式)，试验温度为一lO℃，试验试件为评价指标，试验结果见表6。是采用轮碾法成型，之后采用切割方式成型固定尺表6浸水马歇尔试验结果寸，试验试件尺寸为4cm×4cmx25ca，采用控制Table6Immersionmarshalltestresults加载速率的方式进行加载，加载速率为50mm／min，试验有效跨径为20cln。试验结果汇总见表4。表4低温弯曲试验结果Table4Coldbendingtestresults②冻融劈裂试验。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)的要求用击实法成型马歇尔试件(正反50次／面)，分成两组：一组放置在25℃水浴根据表4中的试验结果计算不同沥青混合料的中保温至少2h测其劈裂强度，另一组先在25℃水单位体积破坏能，结果见表5。中0．09MPa真空压力下饱水15min，常压下浸泡表5—10℃沥青混合料单位体积低温破坏能Table5—10℃Lowtemperatureasphaltbreakingenergy30min，之后放入(一184-2)℃的冰箱中冷冻16-I-perunitvolume1h，再放人60℃恒温水浴中保温24h，最后放入混合料类型单位体积破坏能／MPa25℃水浴中浸泡至少2h后测其劈裂强度，以两组基质沥青O．0o387试件劈裂强度平均值的比值，也就是冻融劈裂试验5％BRA+3％SBR0．02345l0％BRA+3％SBRO．Ol774强度比作为评价指标，试验结果见表7。l5％BRA+3％SBR0．Ol636表7冻融劈裂试验结果2O％BRA+3％SBRO．Oll45Table7Thawsplittingtestresults25％BRA+3％SBR0．Oll0oSBR改性沥青0．02937低温弯曲试验结果表明，最大弯拉应变和单位体积破坏能均随着BRA掺量的增加而减小，这可能与随着BRA掺量增大，混合料中沥青含量减小、复合改性沥青胶浆粘度增大有关。当BRA掺量超过15％后，最大弯拉应变不满足规范气候分区I一2、2—2或3—2冬寒区大于28008的要求，因此从低温水稳定性试验结果表明，随着BRA掺量的增性能考虑，复合改性沥青中BRA掺量不应超过加，复合改性沥青混合料的冻融劈裂强度比均呈先15％。增加后减小的变化趋势。相比基质沥青混合料，5％3．3水稳定性实验BRA+3％SBR改性方案下，冻融劈裂强度和残留稳通常评价水损害的实验手段有以下几种：沥青定度略有减小，随后增加BRA掺量，复合改性沥青与集料的粘附性实验、浸水实验、冻融劈裂试混合料的水稳定性增强，分析其原因主要是，在5％验‘。本文采用试验室常用的浸水残留稳定度BRA掺量下，BRA改善沥青混合料内部矿料界面的 第6期周丽峰：BRA与SBR复合改性沥青及其混合料技术性能研究281能力有限，随着BRA掺量的增加，集料与胶浆内部Weibul1分布的概率密度函数f(儿)、累积分布的界面粘附性提高，界面得到显著改善，混合料水稳函数以及P，(n)表达式如下：定性增加，但随着BRA掺量的进一步增大，沥青用量减少、胶浆粘度增大降低了胶浆与集料之间的粘P，(n-exp[一(附性，抵消了因界面粘附性提高而增加的那一部分为了计算和分析方便，最小的寿命设为0，有利作用，导致混合料水稳定性下降。所以失效概率P，(n)表达式变成下式：此外还可以发现，冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验结果的变化趋势不一致，与冻融劈裂试验结果㈩=-exp[一(詈)不同，随着BRA掺量增加马歇尔残留稳定度增大，首先应该验证疲劳试验的疲劳寿命是否满足双分析其原因主要是，60℃浸水条件下的浸水马歇参数Weibul1分布。可对上式两边取两次对数得：尔试验结果与随着BRA掺量增加，复合改性沥青混合料的动稳定度增加有一定的相似性，增加BRA掺h1hi_h1(忍)一J】()。量将有利于复合改性沥青混合料马歇尔稳定度的提采用上式即可以验证疲劳寿命是否满足双参数高。冻融劈裂试验是通过真空饱水，有效的提高了Weibul1分布假定。为了计算方便，通常令Y=复合改性沥青混合料中水分的饱和度，在真空吸力和冻融循环的作用下，会对复合改性沥青混合料马n“，=n(n)，卢n(u)，上式就简化歇尔试件的界面粘附力产生不利影响。成：Y=一。3．4疲劳性能试验验证是否满足Weibul1分布的条件就是X与Y小梁疲劳试验是采用3点加载的方式进行疲劳之间具有良好的线形关系，即关系系数R比较高试验。试验采用按照《公路工程沥青及沥青混合料(见表8)。试验规程》中规定轮碾法成型并切制成4cm×4cm表8不同失效概率下疲劳方程回归系数×25cm试件。Table8Fatigueequationregressioncoefficientsunderdiferentfailureprobability加载波形和频率：10Hz连续式正弦波；加载方式：中点加载，有效间距20cnl，应力控制方式；试验环境：l5℃保温箱；应力水平：O．2、0．3、0．4、0．5应力比。疲劳试验数据按照已有方法进行处理。对不同应力水平对应的疲劳寿命分别取对数进行回归，进而得到回归方程，得出回归方程参数k和r／,。参考已有文献，n值越大说明材料的疲劳寿命随着应力水平的增加衰减的越快；k值越大说明材料的疲劳性能越好。所以，可以采用回归方程中k和n来评价材料的疲劳性能。试验数据处理公式如下：=K(1／O'o)“式中：Ⅳr为达到破坏是的重复荷载作用次数；。为初始的弯拉应力，MPa；K、n为由试验确定的参数；将上式两边取对数值得到：lgN，=lgK—nlgo"。由于沥青混合料本身是不均匀材料，同时试验过程中各个试验条件又有差异，因此一般试验所得的疲劳寿命离散型很大，那么采用科学的数学手段确定混合料的疲劳寿命就成为关键。本文采用从试验结果可以得出以下结论：Weibull理论对小梁疲劳试验结果进行了回归分析。①对于BRA与SBR复合改性沥青混合料，随 282公路工程39卷着BRA掺量的增加，疲劳曲线k值增大，k增大说著改善沥青混合料的高温稳定性、水稳定性和抗疲明随着BRA掺量增加，沥青混合料抗疲劳性能均提劳性能。另外，从混合料各项路用性能的改善效果高了。主要原因是加入BRA后负荷改性沥青胶浆来看，BRA掺量在10％～15％时，复合改性沥青混的粘度增大，BRA的模量介于基质沥青与矿料之合料综合路用性能最佳。因此，综合考虑性能变化间，当沥青混合料收到外界重复荷载时，在矿料与基规律以及经济因素，建议在实际工程中可以采用质沥青之间就存在着一个应力缓冲层，因此复合改SBR与BBR复配的改性方案来提升BRA改性沥青性沥青混合料抵御重复荷载的能力。在一定范围混合料的综合路用性能。内，随着BRA掺量的增加，疲劳性能会有所增加，但是当超过了一定范围之后，疲劳性能会急剧下降。[参考文献]另外，混合料的劲度对其疲劳性能影响很大，有研究[1]敖盛．天然沥青改性沥青混合料路用性能研究[J]．公路工程，2010(3)表明，温度在一定限度内下降时，沥青混合料的劲度[2]王刚，刘黎萍，孙立军．国产天然岩沥青及其混合料相关性能增加，试件在承受一定压力的条件下所产生的应变试验研究[J]．公路工程，2010(4)．就小，因而在控制应力加载模式的试验中导致疲劳[3]李瑞霞，郝培文．布敦岩沥青混合料路用性能研究[J]．武汉理寿命增加。工大学学报，2011(9)．②随着RAP掺量的增加／7,值也是出现了先减[4]樊亮，申全军，张燕燕．天然岩沥青改性对沥青路面性能的影小后增大的趋势，表明随着BRA掺量大的增大，复响[J]．建筑材料学报，2007，10(6)：740—744．[5]王联芳．布敦岩沥青混合料路用性能研究[J]．石油沥青，合改性沥青沥青混合料对应力变化的敏感性先减小2006，20(1)：34—36．后增大。主要原因是BRA虽然起着缓冲荷载作用，[6]刘树堂，杨永顺，房建果，等．布敦岩沥青改性沥青混合料试验但是这部分沥青的粘弹性很大，脆性很大。当荷载研究[J]．同济大学学报(自然科学版)，2007，35(3)：351—变化时，其受到的影响要比基质沥青大，内部的微裂355．缝也相应的会多一些，故当BRA掺量的进一步增[7]王恒斌，葛折圣．布敦岩沥青改性沥青胶浆高温动态流变性能的试验研究[J]．公路交通科技，2008，25(9)：63—66．大，复合改性沥青混合料的脆性就更加明显一些。[8]钟科．岩沥青路用性能研究【D]．jt京：交通部公路科学研究③采用Weibul1分布进行相关分析得出，疲劳院，2006．参数K和n的变化与失效概率有一定的关系，在相[9]陆兆峰，何兆益，黄刚，等．天然岩沥青改性沥青路面抗车辙性同的失效概率下，n值随着BRA掺量先减小后增能分析[J]．公路交通科技，2010，27(5)：17—2I．大，表明复合改性沥青混合料疲劳寿命对于应力变[10]尹应梅，张肖宁．布敦岩沥青对沥青胶浆高温流变特性的影响【J]．武汉理工大学学报，2010，32(7)：8．化越敏感，当失效概率变大时，n值也相应的变大，[11]靳进钊．印尼布敦岩沥青的路用性能研究[J]．交通标准化，说明其敏感性更加强烈。1009(196)：167—169．④总结疲劳试验回归曲线值、n值的变化规[I2]查旭东，白璐，王玮．BRA改性沥青混合料路用性能研究[J1．律可知，在工程应用中应寻求一个合理的BRA掺交通科学与工程，2009，25(1)：10—13．量，使其既能满足沥青路面的使用要求，又具有较好[13]JTGF40—2OO4，公路沥青路面施工技术规范[S]．[14]张美坤，黄晓明，任永刚．采用弯曲应变能评价沥青混合料的的经济性。合理的BRA掺量可以使得复合改性沥低温性能[J]．石油沥青，2008，22(5)：20—23．青混合料的抗疲劳性能可与SBS改性沥青混合料[15]邓学钧．路基路面工程[M]．北京：人民交通出版社，2001：相媲美。380—385．[16]李廷刚，李金钟，李伟．橡胶沥青微观机理研究及其公路工程4结论应用[J]．公路交通科技，2011(1)通过对不同BRA掺量下的BRA与SBR复合改[17]邱欣．基于基质吸力的粘性路基土动回弹模量预估模型研究[J]．水文地质工程地质，20l1(3)．性沥青及其混合料进行DSR试验、BBR试验，以及[18]孙立军．沥青路面结构行为理论[M]．上海：同济大学出版车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、小梁低社．2003．温弯曲试验和小梁疲劳试验，本文认为BRA可以显