印尼布敦天然岩沥青改性沥青及混合料性能研究报告.docx
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印尼布敦天然岩沥青改性沥青及混合料性能研究报告
印尼布敦天然岩沥青改性沥青
及混合料性能研究报告
1总体说明…………………………………………………………………………1
1.1试验说明…………………………………………………………………1
1.2试验用原材料说明………………………………………………………1
1.3试验流程说明………………………………………………………2
2原材料性能检验………………………………………………………………3
2.1基质沥青性能试验………………………………………………………3
2.2布敦岩沥青性能试验……………………………………………………3
2.3粗、细集料性能试验……………………………………………………4
2.4填料性能试验……………………………………………………………4
3布敦岩沥青改性沥青掺配比例优化研究…………………………5
3.1布敦岩沥青改性沥青制备方法………………………………………5
3.2布敦岩沥青改性沥青室内制备工艺…………………………………5
3.3不同掺配比例下岩沥青改性沥青性能试验………………………6
3.4研究小结…………………………………………………………………7
4布敦岩沥青改性沥青混合料配合比优化设计…………………………7
4.1中面层AC-20型沥青混合料配合比设计…………………………7
4.2表面层AC-13型沥青混合料配合比设计…………………………14
4.3研究小结…………………………………………………………………20
5布敦岩沥青改性沥青混合料性能试验研究……………………………21
5.1高温抗车辙性能试验…………………………………………………21
5.2水稳定性试验……………………………………………………………23
5.3低温抗裂性能试验……………………………………………………25
5.4研究小结…………………………………………………………………27
6结论及建议……………………………………………………………………27
印尼布敦天然岩沥青改性沥青及混合料性能研究报告
1总体说明
1.1试验说明
（1）本次试验由上海华隆矿产品股份有限公司委托我院进行，主要对印尼布敦天然岩沥青改性沥青及其混合料的性能进行试验研究。
（2）本次试验根据委托方提供的《布敦天然岩沥青BMA改性沥青路面应用技术规程》对布敦天然岩沥青的性能进行检测及评定，严格按照交通运输部颁发的《公路工程集料试验规程》（JTGE42-2005）、《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）、《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）及《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）相关规定对试验用其他原材料进行全项检测及评定。
（3）本次试验结果仅对试验样品负责，印尼布敦天然岩沥青由委托方提供；基质沥青、石料及填料由我院提供。
（4）布敦天然岩沥青改性沥青混合料配合比设计采用马歇尔方法确定其最佳沥青用量，混合料最大理论密度采用沥青浸渍法实测得到，混合料毛体积密度均采用表干法进行测定。
（5）本研究报告采取“湿法”进行布敦天然岩沥青改性沥青及其混合料的试验研究，试验温度控制条件为：
矿料加热温度为190℃，拌和温度为170℃，成型温度为155℃～165℃。
（6）布敦天然岩沥青改性沥青混合料性能验证试验严格按照交通运输部颁发的《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）相关规定进行检验和评定；相应的试验方法严格执行交通运输部颁发的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）相关规定。
1.2试验用原材料说明
本次试验用印尼布敦天然岩沥青由上海华隆矿产品股份有限公司提供；其他试验材料均由天津市市政工程研究院提供。
研究采用的原材料为：
张家口产玄武岩粗集料；张家口怀来县东八里产石灰岩粗、细集料、矿粉及消石灰；沥青为滨州70号A级道路石油沥青。
试验用原材料基本情况详见表1-1。
表1-1试验用原材料基本情况表
材料种类
样品名称
样品产地
品种/型号
粗集料
10mm～20mm
张家口怀来县
石灰岩
10mm～15mm
张家口
玄武岩
5mm～10mm
张家口怀来县
石灰岩
3mm～5mm
张家口怀来县
石灰岩
细集料
机制砂
张家口怀来县
石灰岩
填料
矿粉
张家口怀来县
石灰岩矿粉
消石灰
张家口
Ⅰ级消石灰
沥青
道路石油沥青
滨州
70号A级
岩沥青
印尼布敦天然岩沥青
--
1.3试验流程说明
2原材料性能检验
2.1基质沥青性能试验
对于70号A级道路石油沥青按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）表4.2.1－1要求进行了规定项目的试验检测，试验检测结果见表2-1。
检测结果表明，对该样品所检测项目均符合70号A级道路石油沥青技术要求。
表2-1试验用70号A级道路石油沥青检测结果
检测项目
单位
70号A级
沥青技术要求
试验结果
试验方法
针入度（25℃，100g，5s）
0.1mm
60～80
65
T0604—2000
软化点（环球法）
℃
不小于45
47.5
T0606—2000
延度（5cm/min，15℃）
cm
不小于100
＞100
T0605—1993
含蜡量（蒸馏法）
%
不大于2.2
1.0
T0615—2000
闪点
℃
不小于260
310
T0611—1993
溶解度（三氯乙烯）
%
不小于99.5
99.90
T0607—1993
密度（15℃）
g/cm3
实测记录
1.045
T0603—1993
TFOT后
残留物
（163℃，5h）
质量变化
%
不大于±0.8
-0.64
T0609—1993
针入度比
%
不小于61
72
T0604—2000
延度（10℃）
cm
不小于6
9
T0605—1993
2.2布敦岩沥青性能试验
对印尼布敦天然岩沥青按照委托方提供的《布敦天然岩沥青BMA改性沥青路面应用技术规程》3.0.1中表3.0.1和3.02中表3.0.2-1要求进行了规定项目的试验检测，试验检测结果见表2-2。
检测结果表明，除灰分外，对该样品所检测项目均符合印尼布敦天然岩沥青质量技术要求。
表2-2试验用印尼布敦天然岩沥青检测结果
检测项目
单位
岩沥青技术要求
试验结果
试验方法
沥青含量
%
22～40
23.5
T0607
含水量
%
≤1
1.0
T0612
加热损失
%
≤2
2.14
T0610或T0609
闪点（COC）
℃
≥230
286
T0611
灰分
%
实测记录
50
T0614
三氯乙烯溶解度
%
≥22
37.82
T0607
颗粒级配
（通过率）
筛孔尺寸
—
—
—
—
4.75mm
%
100
100
T0351
2.36mm
%
90～100
97.4
2.3粗、细集料性能试验
粗集料为10mm～15mm玄武岩，10mm～20mm、5mm～10mm和3mm～5mm石灰岩，试验检测项目及结果见表2-3。
检测结果表明，对各规格粗集料所检测项目均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）关于高速公路沥青混合料表面层及中面层用粗集料质量技术要求。
表2-3试验用粗集料检测结果
检测项目
单位
标准要求
试验结果
试验
方法
10mm～15mm
10mm～20mm
5mm～10mm
3mm～5mm
集料压碎值
%
不大于26
13.6
15.0
—
—
T0316
洛杉矶磨耗损失
%
不大于28
—
16.8
—
T0317
表观相对密度
---
不小于2.60
2.902
2.824
2.822
2.815
T0304
毛体积相对密度
---
实测记录
2.861
2.792
2.784
2.754
吸水率
%
不大于2.0
0.5
0.4
0.5
0.8
对沥青的粘附性
---
不小于4
4
4
—
—
T0616
针片状颗粒含量（混合料）
其中粒径大于9.5mm
其中粒径小于9.5mm
%
%
%
不大于18
不大于15
不大于20
—
8.2
7.9
9.9
—
T0312
—
—
—
—
软石含量
%
不小于3
0.0
0.0
0.0
—
T0320
磨光值PSV
---
不小于40
43
—
—
—
T0321
细集料为机制砂，试验检测项目及结果见表2-4。
检测结果表明，对该样品所检项目均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）关于高速公路沥青混合料用细集料质量技术要求。
表2-4试验用细集料检测结果
检测项目
单位
标准要求
试验结果
试验方法
表观相对密度
—
不小于2.50
2.813
T0328
毛体积相对密度
—
—
2.728
T0330
砂当量
%
不小于60
70
T0334
棱角性（流动时间）
s
不小于30
32
T0345
2.4填料性能试验
2.4.1矿粉为石灰岩矿粉，试验检测项目及结果见表2-5。
检测结果表明，对矿粉所检测项目均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）关于高速公路沥青混合料用矿粉质量技术要求。
表2-5试验用矿粉检测结果
检测项目
单位
标准要求
试验结果
试验方法
表观密度
t/m3
不小于2.50
2.751
T0352
粒度范围＜0.6mm
＜0.15mm
＜0.075mm
%
%
%
100
90～100
75～100
100.0
97.5
88.2
T0351
外观
—
无团粒结块
无团粒结块
--
亲水系数
—
＜1
0.8
T0353
2.4.2消石灰为Ⅰ级镁质消石灰，试验检测项目及结果见表2-6。
检测结果表明，对消石灰所检测项目均符合《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034-2000）要求。
表2-6试验用消石灰检测结果
项目
试验结果
等级
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
氧化镁含量（%）
7.2
＞4，为镁质消石灰
有效氧化钙含量（%）
61.5
----
有效氧化钙加氧化镁含量（%）
68.7
≥65
≥60
≥55
3布敦岩沥青改性沥青掺配比例优化研究
3.1布敦岩沥青改性沥青制备方法
由于印尼布敦天然岩沥青的特殊性质，其改性沥青的生产宜由有经验的工程技术人员现场操作，具体制备工艺为：
将基质沥青升温至150℃，按预定比例加入岩沥青，在温度145℃～155℃内进行搅拌，最高温度不得超过160℃，搅拌时间一般为25min～30min，使岩沥青均匀分散于基质沥青中。
在150℃温度下恒温静置15min～30min，沉淀去掉成品中大量的矿物质颗粒和粉末后，即得到布敦天然岩沥青改性沥青。
制备布敦岩沥青改性沥青时应严格控制好生产各阶段的温度，温度过高会导致基质沥青老化，而温度过低则会致使岩沥青熔融困难。
3.2布敦岩沥青改性沥青室内制备工艺
布敦天然岩沥青在沥青混合料中的应用方式分为两种：
即“干法”工艺和“湿法”工艺。
其中:
“干法”工艺是指，先将岩沥青和集料干拌60s，以使岩沥青均匀分散在矿料中；然后再将基质沥青按照预定用量加入，拌和90s；最后加入矿粉，再拌和60s，总拌和时间为3min。
“湿法”工艺是指，根据岩沥青改性沥青的制备方法先制备好岩沥青改性沥青；然后将岩沥青改性沥青加入到矿料中拌和90s；最后加入矿粉，再拌和90s，总拌和时间为3min。
本研究报告采取“湿法”工艺对布敦岩沥青改性沥青及混合料的性能进行试验研究。
3.3不同掺配比例下岩沥青改性沥青性能试验
为检验布敦天然岩沥青改性沥青的性能，实验室内对岩沥青和滨州70号A级道路石油沥青分别按照内掺20%、25%和30%的比例制备岩沥青改性沥青，制备方法参照节3.1所述。
实验室对上述三种岩沥青改性沥青进行了规定项目的试验检测，试验检测结果见表3-1。
表3-1不同掺配比例下的岩沥青改性沥青性能检测结果
检测项目
单位
不同掺量试验结果
试验方法
0%
20%
25%
30%
针入度（25℃,100g,5s）
0.1mm
65
48
46
42
T0604
软化点（环球法）
℃
47.5
50.0
50.5
51.0
T0606
延度（5cm/min，15℃）
cm
＞100
50.0
17.0
9.0
T0605
试验检测结果表明：
（1）内掺布敦天然岩沥青对普通沥青具有明显的改性效果，普通沥青在掺加布敦天然岩沥青之后，其针入度下降、软化点上升，高温性能得到一定程度的改善。
而且，在试验范围内，随着布敦天然岩沥青内掺比例的增加，普通沥青高温性能的改善程度更加明显。
（2）在试验范围内，普通沥青在掺加布敦天然岩沥青之后，延度指标明显下降，而且随着其掺量的增加，下降程度更加明显。
通常来说，沥青常温下延度指标的下降意味着其塑性变形或延展能力的降低，但通过深入分析布敦岩沥青对普通沥青的改性机理，仔细观察布敦岩沥青改性沥青和普通沥青拉伸破坏后的断面形式，并结合布敦岩沥青改性沥青工程应用实践，认为延度试验结果是一种假象，并不能仅仅依据延度试验结果来说明内掺布敦岩沥青对普通沥青的塑性变形或延展能力有负面影响。
出现这种假象的主要原因是：
布敦天然岩沥青中含有少量的矿物质颗粒和粉末，这些矿物质颗粒和粉末与普通沥青的变形模量差别较大，使得布敦岩沥青改性沥青在拉伸试验过程中会出现明显的应力集中现象，而岩沥青掺量越大，矿物质颗粒及粉末随着越多，应力集中现象随之更明显，从而使结果受到影响。
由此看出，采用常规的延度指标并不适用于评价布敦岩沥青改性沥青的塑性变形能力，布敦天然岩沥青对普通沥青塑性变形及低温变形能力的改性效果需要用更加合理先进的试验方法来进行研究。
3.4研究小结
通过布敦天然岩沥青改性沥青掺配试验，可以得出以下结论：
（1）在制备布敦天然岩沥青改性沥青时，应特别注意加热温度和搅拌时间，防止沥青的老化和混融不均匀，同时应采取多次沉淀分离，降低天然岩沥青中矿物质颗粒及粉末的混入。
为防止布敦岩沥青改性沥青离析分层而影响试验结果及应用效果，在试验前应充分搅拌使其混合均匀。
（2）内掺布敦天然岩沥青对普通沥青进行改性，能够显著提高普通沥青的高温稳定性，而且，随着其内掺比例的增加，高温性能的提高程度更加明显。
（3）仅从试验结果来看，普通沥青在掺加布敦天然岩沥青之后，延度指标明显下降，而且随着其掺量的增加，下降程度更加明显。
但经过分析，不能认为内掺布敦岩沥青对普通沥青塑性变形或延展能力有负面影响，只是说明采用常规的延度指标并不适用于评价布敦岩沥青改性沥青的塑性变形能力，需要用更加合理先进的试验方法来进行研究布敦天然岩沥青对普通沥青塑性变形及低温变形能力的改性效果。
（4）布敦天然岩沥青由于含有较多的矿物质颗粒和粉末，影响其改性沥青试验结果的准确性和稳定性。
因此，布敦岩沥青对普通沥青的改性效果不宜全用常规指标来定量评价，应考虑其它方法和沥青混合料路用性能来综合评价。
4布敦岩沥青改性沥青混合料配合比优化设计
4.1中面层AC-20型沥青混合料配合比设计
4.1.1AC-20型矿料级配组成设计
依据《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）关于AC-20型沥青混合料合成矿料级配范围要求及我院对于AC-20型沥青混合料合成级配的优化设计研究成果（规范级配范围及我院优化级配范围见表4-1），确定矿料级配组成见表4-2，矿料级配曲线见图4-2。
配合比设计结果为：
10mm～20mm：
5mm～10mm：
3mm～5mm：
机制砂：
矿粉=49.0：
10.0：
9.0：
27.0：
5.0。
在配合比设计第二阶段，为增加矿料与布敦岩沥青改性沥青之间的粘附力，采用内掺法加入1%的消石灰，以1:
1的方式等比例替代矿粉，即5个矿粉比例=4个矿粉比例+1个消石灰比例。
表4-1AC-20型沥青混合料规范级配范围及天津市市政工程研究院优化设计级配范围
筛孔（mm）
通过下列筛孔（mm）的质量百分率（%）
26.5
19.0
16.0
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
规范
级配范围
100
90～100
78～92
62～80
50～72
26～56
16～44
12～33
8～24
5～17
4～13
3～7
研究院
级配范围
100
95～100
80～92
65～79
53～63
35～45
22～32
15～22
10～15
7～11
5～9
4～7
图4-2AC-20型矿料级配曲线图
表4-2AC-20型矿料筛分及级配组成计算结果
筛孔
尺寸
（mm）
矿料规格（mm）种类
矿料规格（mm）种类
合成
级配
（%）
建议
级配
控制
范围
（%）
10～20
5～10
3～5
机制砂
矿粉
10～20
5～10
3～5
机制砂
矿粉
矿料配合比例（%）
49.0
10.0
9.0
27.0
5.0
各规格种类矿料通过百分率（配合前）（%）
各规格种类矿料通过百分率（配合后）（%）
26.5
100.0
100.0
100.0
100.0
100.0
49.0
10.0
9.0
27.0
5.0
100.0
100
19.0
96.4
100.0
100.0
100.0
100.0
47.2
10.0
9.0
27.0
5.0
98.2
95～100
16.0
73.2
100.0
100.0
100.0
100.0
35.9
10.0
9.0
27.0
5.0
86.9
80～92
13.2
45.3
100.0
100.0
100.0
100.0
22.2
10.0
9.0
27.0
5.0
73.2
65～79
9.5
13.4
99.3
100.0
100.0
100.0
6.6
9.9
9.0
27.0
5.0
57.5
53～63
4.75
0.0
4.4
93.8
99.7
100.0
0.0
0.4
8.4
26.9
5.0
40.8
35～45
2.36
0.0
0.1
3.6
82.7
100.0
0.0
0.0
0.3
22.3
5.0
27.7
22～32
1.18
0.0
0.1
0.5
46.5
100.0
0.0
0.0
0.0
12.5
5.0
17.6
15～22
0.6
0.0
0.1
0.1
26.0
100.0
0.0
0.0
0.0
7.0
5.0
12.0
10～15
0.3
0.0
0.1
0.1
13.5
99.8
0.0
0.0
0.0
3.6
5.0
8.6
7～11
0.15
0.0
0.1
0.1
6.1
97.5
0.0
0.0
0.0
1.6
4.9
6.5
5～9
0.075
0.0
0.1
0.1
2.2
88.2
0.0
0.0
0.0
0.6
4.4
5.0
4～7
4.1.2不同掺量下AC-20型布敦岩沥青改性沥青混合料最佳油石比的确定
按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）马歇尔配合比设计方法要求及委托方提供的《布敦天然岩沥青BMA改性沥青路面应用技术规程》中4.3的要求，对25%掺量下的布敦岩沥青改性沥青混合料配合比进行两阶段设计法，即：
第一阶段，按照常规马歇尔试验方法进行基质沥青混合料的配合比设计；第二阶段，在确定的普通沥青混合料最佳油石比的基础上提高0.2%、0.4%和原最佳油石比三组沥青用量进行配合比设计。
试验所用沥青分别为滨海70号A级道路石油沥青及内掺25%的布敦岩沥青改性沥青，其中布敦岩沥青改性沥青混合料试验温度控制参照委托方提供的《布敦天然岩沥青BMA改性沥青路面应用技术规程》中4.4.3的要求进行，见表4-3。
表4-3热拌沥青混合料室内试验温度控制
控温项目
基质沥青控制温度（℃）
布敦岩改性沥青控制温度（℃）
矿料加热温度
170～180
185～195
沥青加热温度
155～165
155～165
沥青混合料拌和温度
160～170
165～175
沥青混合料出料温度
155～165
160～170
试件成型温度
140～145
155～165
分别采用五个不同油石比进行试验，采用马歇尔击实仪双面击实75次成型马歇尔试件，然后进行毛体积密度试验和马歇尔稳定度及流值试验，建立油石比与相应体积参数的曲线图，由曲线图可求得相应的密度最大值、稳定度最大值、目标空隙率（或中值）、沥青饱和度范围的中值所对应的油石比a1、a2、a3和a4。
按下式计算OAC1：
以各项指标均符合技术标准（不含VMA）的油石比范围OACmin～OACmax的中值作为OAC2。
最佳油石比OAC的计算式为：
（1）AC-20型基质沥青混合料最佳油石比
根据经验预估，选择油石比3.3%、3.8%、4.3%、4.8%、5.3%，按表4-3的相关温度要求成型马歇尔试件，按T0705—2000（表干法）测定试件毛体积相对密度，根据沥青浸渍法实测合成级配矿料混合料的有效相对密度见表4-4，并以此计算沥青混合料最大理论相对密度。
马歇尔试件体积参数及马歇尔稳定度结果见表4-5，其中沥青混合料试件的矿料间隙率VMA依据JTGF40—2004《公路沥青路面施工技术规范》,采用矿料混合料的合成毛体积相对密度计算。
表4-4AC-20型沥青混合料合成矿料有效相对密度
项目
盆勺
重
（g）
盆勺
水中重
（g）
盆勺
料重
（g）
盆勺
油料重
（g）
盆勺油
料水中重
（g）
有效
相对
密度
平均
有效相
对密度
合成集料
95.0
71.3
595.2
929.0
405.0
2.7747
2.774
101.5
77.8
601.7
915.1
410.6
2.7738
沥青
80.8
57.4
----
490.8
74.6
1.0438
1.043
83.4
62.7
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