布敦岩沥青在京开高速的应用研究讲解.docx
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布敦岩沥青在京开高速的应用研究讲解
布敦岩沥青混合料应用技术研究
【项目背景】
岩沥青是石油在岩石夹缝经过长达亿万年的沉积、变化，在热、压力、氧化、触媒、细菌的综合作用下生成的沥青类物质。
岩沥青是天然沥青中的一种。
我国现行«公路沥青路面施工技术规范»（JTGF40—2008）关于改性沥青的技术标准只是针对聚合物改性沥青提出的，而对于布敦岩沥青这样的天然沥青改性沥青却缺乏相应的技术规定，使得工程中使用布敦岩沥青缺乏技术依据，缺少质量保证与管理控制手段。
BRA岩沥青常年与自然环境共存，性能非常稳定，国外研究认为其路面性能主要有以下几个特点；⑴BRA岩沥青软化点高，一般在160℃以上，用其改性可显著提高沥青路面的高温稳定性；⑵BRA天然沥青氮原子含量高，且氮原子以官能团形式存在，可显著提高沥青路面的抗水损坏能力；⑶BRA天然沥青抗老化能力强，抗微生物侵蚀作用很强，耐候性好，沥青路面更耐久；⑷BRA天然沥青是固体颗粒状材料，改性工艺简单，施工方便；⑸BRA天然沥青是一种天然条件下生成的高分子化合物，与基质沥青相容性好，稳定无离析。
BRA天然沥青在国外路面工程有较多应用，长期的工程实践表明天然沥青通常就有较好的抗车辙性能、抗水损坏能力、抗老化性能和较高的强度。
同时，由于岩沥青价格较低，取代了部分石油沥青，可以有效降低成本，节约资源。
为了降低资源消耗和和成本，同时又不影响沥青混合料性能，国内外公路行业展开了布顿岩沥青混合料的研究。
【基本情况】
本项目2010年8月由集团公司立项，依托京开高速公路（辛力村-市界段）工程，项目经费来源于该工程研究试验费，总费用20万元。
本项目BRA沥青混合料的性能，通过大量室内试验与对比，确定了BRA沥青混合料的设计参数，并对相关路用性能进行了检验与比较；通过对现场碾压跟踪监测，确定了科学碾压工艺；项目结合北京地区材料特性、环境状况及工程实际，对BRA沥青混合料生产与施工的各环节，如沥青混合料生产要求，拌和流程，混合料运输、摊铺及碾压，生产施工温度及检测方法等方面提出了科学可行的方法、手段和检测指标。
本项目2010年10月在京开高速公路（辛力村-市界）工程中的K5+180-5+830出京方向、K5+350-5+830出京方向和G匝道中面层作为BRA沥青混合料试验段，施工总面积1.96万平米。
试验段检测中面层的压实度为99.0%，平整度σ为0.841，满足技术指标要求，项目成果得到成功应用。
【项目简介】
本项目针对目前BRA的使用方法进行了深入调研和技术分析，在此基础上，选择对设备及材料适应性较好的干法工艺，从工作机理、原材料的选择与配合比设计、拌和工艺参数、路用性能试验、生产施工工艺等方面进行了试验和分析，得出以下结论：
（1）BRA沥青改性混合料与其他类型混合料配合比设计基本相同，包括目标配合比设计、生产配合比设计以及生产配合比验证三个阶段。
与现行技术规范采用马歇尔试验方法进行配合比设计相适应。
（2）本项目试验表明，采用BRA沥青混合料的各项技术指标及其路用性能，均满足同类型热拌SBS改性沥青混合料的规范要求，且与同类型常规热拌SBS改性混合料的路用性能相差很小。
（3）与SBS改性沥青混合料相比，用干法生产BRA沥青混合料，可节省能耗高的SBS改性沥青加工费用，每吨BRA混合料可降低沥青成本10.54元以上。
（4）建议钢＋胶队列碾压工艺如下：
压路机类型
初压遍数
（形式）
复压遍数
（形式）
终压遍数（形式）
钢＋胶轮
压路机
2遍（钢轮）
（第1遍去静回振＋第2遍振压）
2遍（胶轮）＋
2遍（钢轮振压）
2遍（静压）
（碾压终了的表面温度不低于90℃）
推荐采用钢＋胶的碾压组合。
【推广使用情况】
BRA沥青混合料陆续在京开高速公路（辛力村-市界段）、阜石路路面工程等多项工程上得到应用。
【效益分析】
BRA沥青混合料完全可以达到SBS改性沥青混合料的性能，且由于其较低的成本，简便的工艺，社会经济效益突出。
与SBS改性沥青混合料相比，每吨BRA沥青混合料可降低成本10.54元。
BRA沥青混合料技术符合建设低碳型、节约型行业的目标，其成功应用对于公路行业的可持续发展和和谐发展，具有有益意义。
【参加人员】
建设单位：
梁乃斌、李巍、何志敏、刘启鹏
设计单位：
孙建林
监理单位：
陈继振、王承学
施工单位：
【影像资料】
图1布敦岩沥青
图2拌合站岩沥青投放设备
图3BRA混合料摊铺测温
图4BRA沥青混合料碾压作业
图5BRA沥青混合料碾压作业
图6BRA沥青混合料碾压温度检测
图7BRA沥青混合料压实度检测
【总结】
印尼布敦岩沥青在京开高速公路的应用
摘要：
布敦岩天然沥青在沥青混合料中起到改性作用，能够有效提高沥青混合料的抗高温车辙、水损坏、老化等性能，同时，具有节省造价的优点。
结合京开高速公路路面施工中，我们应用布敦岩沥青混合料铺筑了试验路段，确定了合理的施工工艺，为布顿岩沥青的推广应用积累了经验。
关键词：
印尼；布敦岩；沥青；应用
1概述
南太平洋印度尼西亚的布敦岛是世界上最大的天然沥青矿产区域之一，拥有约5亿吨的天然沥青储量。
布顿岩沥青用以对普通石油沥青改性，能够大幅度改善沥青混合料的高温稳定性、水稳定性等关键路用性能，是全面提升沥青路面品质的优良材料，同时，由于取代了部分沥青，可以有效降低成本。
我们通过在京开高速公路中面层成功的应用了布敦岩沥青改性SUP-20进行了试验段施工，取得了经验，总结归纳出来，供进一步深化应用参考。
2布敦岩沥青SUP-20的配合比
2.1原材料
2.1.1印尼布敦岩沥青（以下简称BRA）常年与自然环境共存，性能非常稳定，国外研究认为其路面性能主要有以下几个特点；⑴BRA岩沥青软化点高，一般在160℃以上，用其改性可显著提高沥青路面的高温稳定性；⑵BRA天然沥青氮原子含量高，且氮原子以官能团形式存在，可显著提高沥青路面的抗水损坏能力；⑶BRA天然沥青抗老化能力强，抗微生物侵蚀作用很强，耐候性好，沥青路面更耐久；⑷BRA天然沥青是固体颗粒状材料，改性工艺简单，施工方便；⑸BRA天然沥青是一种天然条件下生成的高分子化合物，与基质沥青相容性好，稳定无离析。
本工程采用的BRA为褐色粉状固体颗粒，主要指标情况如下：
表1BRA技术指标检测结果
指标
试验结果
印尼国家标准
min
max
沥青含量（%）
27
18
--
三氯乙烯含量（%）
27.0
18
密度（g/cm3）
1.78
1.7
1.9
闪点（COC）（°C）
305
230
--
加热损失（%）
0.61
--
2.0
含水量（%）
0.3
--
2.0
矿物质最大颗粒尺寸（mm）
1.18
--
2.0
颗粒尺寸筛分结果（mm）
2.36100
1.1893.7
0.684.3
0.366.2
0.1545.3
0.07524.1
各指标满足印尼的国家标准。
由于布敦岩沥青中含有73%的矿物质，需要根据岩沥青中的矿物质筛分情况调整矿料的掺配比例。
2.1.2沥青
根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）中沥青路面使用气候分区指标，结合当地气候环境数据和交通量，采用70#A级道路石油沥青。
技术指标如下：
表2沥青胶结料技术指标
项目
单位
技术要求
试验结果
试验方法
针入度（25ºC）
0.1MM
60-80
68.0
T0604
针入度指数
-
-1.5+1.0
-1.44
T0604
延度（15ºC）
cm
≥100
>100
T0605
延度（10ºC）
cm
≥20
24
T0605
软化点（R&B）
ºC
≥46
46.1
T0606
闪点（COC）
ºC
≥260
267
T0611
沥青旋转薄膜烘箱试验RTFOT
质量变化
%
≤±0.8
-0.27
T0610
残留针入度比
%
≥61
69.8
T0604
残留延度（10ºC）
cm
≥6
9.1
T0605
2.1.3集料与填料选择
SUP-20混合料由10-25mm、10-20mm、5-10mm石灰岩碎石、机制砂和矿粉配制而成。
本次SUP-20所用材料的认同特性和料源特性的具体数据如下：
表3矿料筛分及相对密度
筛孔尺寸（mm）
10-25mm
10-20mm
5-10mm
机制砂
矿粉
26.5
100
100
100
100
100
19
85.1
97
100
100
100
16
40
76.2
100
100
100
13.2
6.5
43.9
100
100
100
9.5
3
9.6
99.5
100
100
4.75
1.3
1
24.6
99.6
100
2.36
1
1
2.8
76.6
100
1.18
0.9
0.9
1.7
43.2
100
0.6
0.8
0.9
1.4
27.7
100
0.3
0.8
0.9
1.3
17
99.4
0.15
0.8
0.9
1.1
12.7
97
0.075
0.7
0.8
1
9.8
88.3
毛体积相对密度
2.803
2.795
2.721
2.694
-
表观相对密度
2.841
2.837
2.768
2.754
2.794
表4粗集料棱角性指标
粗集料
1个破碎面
标准
2个破碎面
标准
10-25mm
100
≥95
100
≥90
10-20mm
100
100
5-10mm
100
100
混合料中粗集料全部采用轧制碎石，破碎面丰富。
表5细集料的棱角性指标
细集料
松装空隙率（%）
标准
试验方法
机制砂
45.1
≥45
T0344
表6粗集料针片状颗粒含量
粗集料
针片状颗粒含量（%）
标准（%）
10-25mm
7.3
≤10
10-20mm
9.0
5-10mm
14.3
表7细集料砂当量
细集料
砂当量
标准
试验方法
机制砂
83
≥60
T0344
粗集料的料源特性是指与其材料产地有关的一些性能，Superpave规定了三个指标：
磨耗值、坚固性、软弱颗粒含量，为了保证集料本身的强度和集料的洁净程度，加入压碎值和小于0.075mm颗粒含量指标，充分保证工程中所用粗集料的质量。
测试结果如下：
表8粗集料料源特性指标
指标
压碎值
洛杉矶磨耗值
小雨0.075mm颗粒
软弱颗粒含量
标准
≤28%
≤30%
≤1%
≤5%
10-25mm
16.5
26.1
0.7
2.8
10-20mm
0.8
2.8
5-10mm
1.0
2.8
由表中数据可知，粗集料料源特性满足要求。
2.1.4填料
填料采用石灰石磨制矿粉，测试数据如下：
表9矿粉的技术要求
项目
单位
技术要求
试验结果
试验方法
表观密度
g/cm3
≥2.50
2.794
T0352
含水量
%
≤1
0.5
T0332
粒度范围<0.6mm
%
100
100
T0351
<0.15mm
%
90-100
97.0
<0.075mm
%
75-100
88.3
外观
-
无团粒结块
无团粒结块
-
亲水系数
-
<1
0.8
T0353
塑性指数
-
<4
2.4
T0354
加热安定性
-
实测记录
无颜色变化
T0355
2.2设计集料结构选择
检验合格的原材料通过数学的方法进行及配的合成，对合成级配进行控制，以四种控制筛孔为基础，为使设计的混合料既能抵抗车辙又能减少渗水，根据本地气候特点，结合实际工程经验，得到本次采用的SUP-20级配范围如下：
表10SUP-20混合料级配控制范围
筛孔（mm）
26.5
19
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
通过率（%）
100
90-100
75-89
63-79
50-64
33-43
20-30
12-21
7-15
4-10
3-8
2-6
根据规范要求，在选定的工程级配内，配置3个合成级配，一个相对较粗的合成级配、一个相对较细的合成级配和一个中等的合成级配。
计算三种合成级配的混合料特性，满足要求后，通过试验进行验证，确定出最佳设计集料结构。
2.3设计沥青胶结料含量选择
2.3.1初步确定布敦岩天然沥青掺量
BRA天然沥青掺量的初步选择考虑以下几个因素：
①BRA岩沥青的品种、矿物质含量和四组分组成；②已有工程使用技术经验，特别是本地区应用BRA岩沥青效果较好的工程典型案例；③根据工程项目的气候和交通设计条件进行适当的调整；④使用层位、费用成本等因素。
一般按下表推荐使用，并结合项目情况、BRA岩沥青材料测试情况进行适当调整。
表11推荐BRA天然沥青改性掺加量
岩沥青种类
掺加量范围
典型掺加量
备注
BRA
3～5％
4％
以沥青混合料为基数
2.3.2根据相关施工经验，SUP-20混合料（BRA）掺加岩沥青的掺配比例为80%基质沥青+20%纯布敦岩沥青，由于布敦岩沥青中含有73%的矿物质，需要根据岩沥青中矿物质的筛分调整矿料的掺配比例，调整结果见下表：
表12试验级配
筛孔尺寸（mm）
10-25mm
10-20mm
5-10mm
机制砂
矿物质
矿粉
合成
26.5
100
100
100
100
100
100
100
19
85.1
97
100
100
100
100
97.0
16
40
76.2
100
100
100
100
84.0
13.2
6.5
43.9
100
100
100
100
69.0
9.5
3
9.6
99.5
100
100
100
57.4
4.75
1.3
1
24.6
99.6
100
100
37.0
2.36
1
1
2.8
76.6
100
100
25.6
1.18
0.9
0.9
1.7
43.2
93.7
100
16.0
0.6
0.8
0.9
1.4
27.7
84.3
100
11.4
0.3
0.8
0.9
1.3
17
66.2
99.4
8.0
0.15
0.8
0.9
1.1
12.7
45.3
97
6.2
0.075
0.7
0.8
1
9.8
24.1
88.3
4.8
B级配
14
32
23
27.6
2.4
1
表13压实特性指标
油石比AC（%）
岩沥青掺量（%）
%Gmm@N=8
%Gmm@N=100
3.1（3.9）
2.89
83.5
94.4
3.5（4.5）
3.26
84.9
96.0
3.9（4.9）
3.63
85.8
97.0
4.3（5.4）
4.00
86.3
97.4
表14设计旋转压实次数下沥青混合料的体积特性指标
油石比AC（%）
岩沥青（%）
空隙率Va（%）
VMA（%）
VFA（%）
粉胶比D.P
3.1（3.9）
2.89
5.60
13.5
58.5
1.4
3.5（4.5）
3.26
4.0
13.1
69.7
1.2
3.9（4.9）
3.63
3.0
13.3
77.9
1.1
4.3（5.4）
4.00
2.6
13.9
81.2
1.0
根据表中各种体积指标数据，通过曲线关系，在4.0%空隙率基础上，对照Superpave沥青混合料体积设计标准，优化得到该级配对应下的最佳油石比为3.6%（综合油石比为4.4%），岩沥青掺量为矿料的3.34%，该沥青用量下混合料的体积指标见下表：
表15最佳沥青用量条件下沥青混合料的体积特性指标
混合料特性
Va（%）
VMA（%）
VFA（%）
粉胶比D.P
%Gmm@N=8
结果
4.0
13.1
69.7
1.2
84.9
标准
4.0
≥13
65-75
0.6-1.2
<89
经验证，最大压实次数下相对于最大理论密度的密实度%Gmm@Nmax为97.4%，符合Superpave提及设计标准的98%。
2.4水敏感性评估
将试件压实到空隙率6-8%范围内，一组四个试件作为对比试样，另一组四个试件作为条件试样。
条件试样进行真空饱水，然后进行可选择的冻融循环，然后是60ºC水浴24小时融化期，之后试样进行劈裂试验。
水敏感性是用条件组试件的间接抗拉强度和对比组试件的间接抗拉强度比值TSR来表征。
表16水敏感性数据
试件编号
对比试件强度（Mpa
条件试件强度（Mpa）
强度比TSR
1
0.83
0.75
83.7%
2
0.87
0.70
3
0.92
0.71
4
0.82
0.73
平均
0.86
0.72
由上数据可知，该配比冻融劈裂试验强度比TSR满足Superpave混合料体积设计标准80%的要求，水敏感性合格。
2.5高温性能指标检验
随着交通量的增大和车辆荷载的加重，路面结构高温稳定性一直倍受关注。
Sup-20沥青混合料的抗高温车辙性能的评价采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0719-1993"沥青混合料车辙试验方法，在60ºC的温度、0.7Mpa的压力下进行试验，其中车辙动稳定度指标来表征，混合料抗车辙能力的大小，按照规范进行了浸水马歇尔试验、渗水系数试验，结果见下表：
表17沥青混合料目标配比检验试验数据表
检验项目
单位
SUP-20
技术要求
试验方法
车辙试验（60ºC）动稳定度
次/mm
5869
≥2800
T0719
残留马歇尔稳定度
%
89.7
>85
T0709
低温弯曲试验（-10ºC）破环应变
µε
2067
>2000
T0715
渗水系数
ml/min
基本不透水
≤60
T0730
从上表数据可以看出，BRA沥青混合料SUP-20各项性能指标满足规范的要求，该混合料路用性能良好，可用于高速公路中面层使用。
2.6生产配合比
根据配合比设计程序，目标配合比完成后，按照目标配合比确定的比例，搅拌机进行上料、筛分，取各仓热料进行筛分，测试各仓热料级配，按照目标配比确定的范围，计算生产配合比况料比例，使级配曲线尽量接近目标配比设计曲线。
根据目标配比确定的最佳油石比3.5%（实际油石比4.4%）及最佳油石比±0.3%，岩沥青掺量分别为3.04%、3.26%、3.48%，成型试件进行马歇尔指标试验。
表18马歇尔试验数据汇总
油石比（%）
毛体积相对密度
理论相对密度
空隙率（%）
VMA（%）
VFA（%）
稳定度（KN）
流值（mm）
4.1（3.3）
2.457
2.596
5.3
13.8
61.2
10.01
2.2
4.4（3.5）
2.474
2.581
4.1
13.4
69.1
11.75
2.8
4.7（3.8）
2.478
2.568
3.5
13.5
74.2
9.97
3.5
2.7生产配合比检验
为了检验混合料的性能，根据规范要求，对最佳油石比下的沥青混合料进行了水稳定性、渗水系数等指标检验，结果如下：
表19沥青混合料目标配比检验试验数据表
检验项目
单位
SUP-20
技术要求
试验方法
残留马歇尔稳定度
%
88.4
>85
T0709
车辙试验（60ºC）
次/mm
5684
≥2800
T0719
冻融劈裂残留强度比
%
84.9
≥80
T0729
渗水系数
ml/min
基本不透水
≤60
T0730
从以上数据得出，各项路用性能指标满足要求，生产配合比合理。
岩沥青SUP-20混合料生产配合比设计结果如下：
表20生产配合比设计结果
级配类型
SUP-20（布敦岩沥青）
4#仓
29.7
3#仓
33.8
2#仓
13.3
1#仓
21.1
矿粉
2.1
最佳油石比（%）
3.6
毛体积相对密度
2.473
布敦岩沥青（%）
3.34（相对于除矿物质以外矿料）
3布敦岩沥青混合料的生产
3.1岩沥青的投放
本方法为干法生产岩沥青混合料。
在沥青混合料拌和锅进行矿料干拌时，将岩沥青作为添加剂投入拌合锅，适当延长拌合时间制备岩沥青改性混合料，称为“干法”工艺。
岩沥青的包装为50Kg一袋的编织袋包装，利用拌合机的废粉仓和外接粉料提升机进行岩沥青的机械计量投放。
在生产时，工人在粉提下部受料漏斗处打开编织袋，将岩沥青粉末倒入漏斗，提升到计量仓，逐盘称量，热集料添加之后，投放到沥青拌和锅，在喷入基质沥青前通过高温矿料的剪切作用将岩沥青熔融分散。
3.2搅拌时间
干拌时间延长3-5S,以保证矿料与岩沥青颗粒均匀混合。
干拌结束后，将基质沥青喷入进行“湿拌”，湿拌时间可延长5s，拌合后的混合料应均匀地裹覆沥青，无花白料、无结团成块或严重的粗细料分离现象。
3.3生产温度控制
BRA天然沥青改性混合料的温度控制与普通沥青混合料明显不同。
BRA天然沥青混合料的拌和温度比普通道路石油沥青要高10～20℃。
表21BRA天然沥青改性混合料生产温度控制（单位℃）
工艺环节
控制温度
备注
沥青加热温度
150～160
矿料加热温度
180～190
拌和好的混合料温度
165～175
超过190废弃
混合料运输到场温度
不低于160
4运输
运料车用篷布+棉被覆盖，用以保温、防雨、防污染，到达现场时混合料温度不宜低于160℃。
为防止沥青与车厢板粘结，车厢侧板和底板涂一层隔离剂（如植物油和水的
混合物），不得有余液聚在车厢底部。
自卸汽车运输能力比拌和能力和摊铺速度有所富余，使用20t以上大型自卸汽车运输。
开始摊铺时排在施工现场等候卸料的运料车不少于3辆。
5摊铺
根据作业面宽度，采用两台摊铺机成梯队作业进行全幅摊铺，两台摊铺机相隔间距2~4m，确保中间纵缝处混合料的热接。
粘层应提前撒布均匀后方可施工。
摊铺机熨平板加热温度在摊铺前应预热到100℃以上。
根据拌和机拌和能力、施工机械配套情况及摊铺层厚度、宽度，经计算确定摊铺速度，宜控制在2.0~3.5m/min，保证摊铺机缓慢、均
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