布敦岩沥青掺配工艺研究

杨 凯，董 刚，李洪亮

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

0 引言

近年来，布敦岩沥青(Buton Rock Asphalt，简称BRA)凭借优良的路用性能、低廉的价格优势已应用于我国的道路建设中。BRA产于印度尼西亚布敦岛，是地表原油在高温、高压、微生物及水分的综合作用下经过长时间的氧化聚合而形成的沥青类物质，具有热稳定性好，抗老化能力强，水稳定性强等优点。BRA中约有20%～25%地沥青，73%～75%灰分。由于地沥青含量较低，BRA本身不能作为结合料，必须与基质沥青配合使用。但BRA的灰分主要成分是碳酸钙，密度较纯沥青大，且非常细小。因此，BRA掺加到基质沥青中可能会产生离析，影响改性效果。

针对这一问题，本文对BRA改性工艺进行研究，根据BRA的特点采用改进的沉降试验从灰分含量、软化点等不同方面研究BRA改性沥青的贮存状态，进而确定一种科学、合理的BRA改性工艺。

1 测定BRA灰分含量

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）和《中华人民共和国石油化工行业标准》（SH/T 0422-2000）都对沥青灰分含量的测定方法进行了规定。但BRA的灰分含量要比普通道路石油沥青的灰分含量大很多。因此，要综合考虑天然沥青的特殊性及施工单位实际情况，选择一种科学、合理的测试方法。

本研究选择目前常用的三氯乙烯抽提法和燃烧法这两种方法进行天然沥青灰分含量试验，以确定一种快捷、有效的灰分含量测试方法。试验步骤如下：

（1）三氯乙烯抽提法

a.将BRA试样浸于三氯乙烯中30 min，用玻璃棒搅动试样，使地沥青充分溶解。

b.将试样及溶液倒入离心式抽提仪，用溶剂将烧杯及玻璃棒上的粘附物洗入抽提仪。称取圆环滤纸质量，垫在抽提仪边缘，紧固盖子，在抽提仪出口放置回收瓶。

c.开动抽提仪，转速逐渐增至3 000 r/min，地沥青溶液流入回收瓶。重新加入溶剂，重复上述操作，如此数次直至流出的清澈溶液为止。

d.打开抽提仪，待灰分和滤纸干燥后称其质量。

（2）燃烧法

a.将洁净的金属盘放在600℃左右的燃烧炉里煅烧20 min后将放入干燥器冷却至室温，称取质重，准确至 0.01 g，记为 m1。

b.将2～5 g干燥的BRA样品放入金属盘，称取质量，准确至0.01 g，记作m2。

c.将盛有试样的金属盘放入燃烧炉中600℃煅烧40 min。取出冷至室温称取质量，准确至0.01 g，记作 m3。

灰分含量W按式2.1计算，取两个测定结果的算术平均值作为最终测定结果，灰分质量百分数取至0.01%。

由图1可见三氯乙烯抽提法抽提出的BRA沥青灰分呈棕黄色，表明BRA中还存在残余的地沥青，而采用燃烧法得到的BRA灰分呈灰白色，见图2，地沥青已经完全燃烧。试验中发现三氯乙烯抽提法需要大量BRA和三氯乙烯溶剂，成本较高，而且抽提过程中，灰分飞散严重，质量损失很大，严重影响试验结果的准确性。与之相比，燃烧法快速、高效，计量精确。因此，推荐采用燃烧法确定BRA灰分含量。试验结果见表1。

图1 BRA灰分（抽提法）

图2 BRA灰分（燃烧法）

表1 天然沥青灰分含量

2 沉降试验

《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ 052-2000）中聚合物改性沥青离析试验规定使用直径25 mm，长约140 mm的铝管，或是直径25 mm，长200 mm的玻璃管。这两种管型容量小、长径比大，与实际工程中沥青贮存容器长径比相差较远，影响改性剂在沥青中的对流运动，不能有效反映工程中改性剂的离析效果。经过多次试验尝试，本试验决定采用1 000 mL量筒作为试验容器以有效模拟BRA改性沥青在生产、运输、储存过程中发生的离析现象。

具体步骤：（1）将量筒洗净、干燥，放入160℃±5℃烘箱中保温，使其温度达到160℃±5℃。按预定掺量制备BRA改性沥青，取样测定初始灰分含量。为使试验效果更显著，试验中BRA掺量为44%。（2）量筒内壁均匀涂抹隔离剂，将BRA改性沥青注入量筒距开口2 cm处，放入160℃±5℃的烘箱中。放置时间达到规定的沉降时间后（0.5 h、1 h、2 h），将量筒放入冰柜冷冻 4 h。（3）打碎量筒，将沥青试样剪成相等的3段，取顶部和底部的各1/3加热后按规范要求进行软化点试验，并测试灰分含量。试验结果见表2、表3和图3～图5。

表2 沉降试验软化点测试结果

表3 沉降试验灰分含量测试结果

图3 沉降试验

图4 沉降试验软化点测试结果

图5 沉降试验灰分含量测试结果

图4、图5表明：沉降开始0.5 h内BRA改性沥青软化点和灰分含量变化剧烈，0.5 h之后，各个指标变化趋势趋于平缓。这说明成品BRA改性沥青存储0.5 h离析就已经完成。

表2所示为软化点试验结果，0.5 h、1 h、2 h上、下层软化点差分别为23.6℃、23.8℃、25.3℃，大于《规范》要求5℃的范围。0.5 h上层软化点为48.6℃，相比初始软化点降低26.6%，而下层软化点提高了9.1%，0.5 h内的变化率已经达到全部变化率的68.4%。上层软化点由于沥青对流、沥青老化和取样误差等因素影响，在之后的1.5 h中上层软化点提高了1℃左右，但与0.5 h相比，变化幅度已经很小。

由表3可知，BRA沉降主要在前0.5 h，上层灰分含量急剧减少，由33%减少到7.71%，减少了76.87%，占最终沉降变化率95.81%。下层灰分含量由33%增加到45.89%，增加了37.68%，占全部沉降变化的92.83%。由图4也可看出，0～0.5 h曲线斜率较大，0.5 h之后斜率很小，曲线接近水平，表明沉降以基本完全。BRA在后1.5 h继续缓慢沉降，1 h和2 h的上层灰分含量只比0.5 h时减少6.36%、14.53%，而下层灰分含量也仅仅变化了1.17%、2.11%。

综合以上分析，BRA的离析在0.5 h基本完成。不同层位沥青性能指标相差较大，说明BRA的离析会对改性沥青的路用性能产生严重影响。因此，为了避免离析产生的不利影响，推荐使用“干法”作为BRA的掺加工艺。

3 工程实例

本试验结合宝汉高速公路建设项目铺筑了BRA试验段。BRA沥青混凝土层位为中面层，级配为AC-20C型。采用“干法”工艺掺加BRA。具体材料指标见表4～表8。

表4 沥青技术指标

表5 布敦岩沥青（BRA）性能试验结果

表6 粗集料密度试验结果（网篮法）

表7 细集料试验结果

表8 矿粉技术指标

为保证试验级配的稳定性，采用逐档配料的方法合成级配。各种矿料和矿粉的筛分结果、级配结果及规范要求的矿料级配范围见表9。

根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）进行马歇尔击实试验，确定混合料最佳油石比3.7%。按此油石比制备试件，检验BRA沥青混合料的高温稳定性、水稳定性及低温抗裂性能。试验结果见表10～表13。

由路用性能试验结果可见，采用“干法”工艺制备的BRA沥青混合料，动稳定度、残留稳定度、劈裂强度和最大弯拉应变均高于规范要求值，表明“干法”工艺可以应用于BRA沥青路面施工。

表9 AC-20C型级配

表10 车辙试验结果

表11 沥青混合料浸水马歇尔试验结果

表12 沥青混合料冻融劈裂试验

表13 低温小梁试验结果

4 结论

（1）由于BRA中含有大量灰分，采用“湿法”工艺制备的BRA改性沥青极容易造成离析，影响改性沥青路用性能。推荐在工程中使用“干法”工艺。

（2）采用“干法”制备的BRA沥青混合料具有优良的高温稳定性、水稳定性和低温抗裂性能，可应用于我国公路沥青混凝土路面工程中。

[1]杨凯.布敦岩沥青混合料配合比设计方法及性能研究[D].长安大学硕士论文,2012.

[2]郝培文,柳和平.BRA改性沥青及其混合料性能研究[J].广东公路交通,2010(3).