秦 旻 (重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

陸兆峰 (重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074；重慶交通大學(xué)機電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

天然巖瀝青改性瀝青性能研究

秦 旻 (重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

陸兆峰 (重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074；重慶交通大學(xué)機電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

利用青川天然巖瀝青作改性劑，通過對不同摻量的巖瀝青改性瀝青的性能試驗，探討了巖瀝青對瀝青流變性能的影響；根據(jù)各檢測性能指標(biāo)，從高溫、低溫和耐久性能方面，分析討論了巖瀝青作為改性劑對基質(zhì)瀝青的影響行為和程度。結(jié)果表明，經(jīng)巖瀝青改性后的瀝青，其高溫性能大為提高，感溫性得到改善，抗老化能力和穩(wěn)定性有所加強，低溫性能有所下降，但只要適當(dāng)控制巖瀝青摻量，不是在極端的低溫條件下，其低溫性能仍能滿足路用要求。

道路工程；巖瀝青；改性瀝青；高溫性能；耐久性能

公路交通量的迅猛增長和荷載特點的變化對瀝青混凝土路面提出了更高的要求, 改性瀝青得到了廣泛的應(yīng)用[1]。目前國內(nèi)對改性瀝青的研究，大多集中于SBS及PE等聚合物改性劑[2]。由于存在與瀝青難以相溶，導(dǎo)致生產(chǎn)聚合物改性瀝青必須使用特殊的設(shè)備以及較高的能量消耗；而且為了防止改性劑與瀝青的分層與離析，聚合物改性瀝青在運輸和存儲過程中還需加熱保溫和不間斷攪拌，從而造成價格較高, 限制了其使用[3]。

天然巖瀝青作為一種自然資源，是石油類物質(zhì)在長期地質(zhì)環(huán)境變化條件下，經(jīng)歷復(fù)雜物理化學(xué)變化后形成的產(chǎn)物，采用天然巖瀝青作為改性劑，就可避免通常改性瀝青存在的問題[4]。天然巖瀝青大多呈固體狀，加工成粉末后，本身極易與石油瀝青相溶，屬于瀝青基對瀝青基的摻配，與基質(zhì)瀝青具有優(yōu)良的配伍性。世界上比較著名的北美巖瀝青在美國、澳大利亞、挪威、日本等地均有廣泛使用，尤其是高溫、高應(yīng)力、橋面鋪裝、彎坡路段等，其特點是顯著提高瀝青的高溫穩(wěn)定性[5]。我國四川、新疆等地也有豐富的巖瀝青資源，但由于對巖瀝青路用性能與應(yīng)用技術(shù)研究的滯后，在我國公路建設(shè)中僅有嘗試[6～8]，其改性效果究竟如何，深入的研究目前尚不多見。為更好地理解巖瀝青對基質(zhì)瀝青的改性行為和效果，筆者以國產(chǎn)青川巖瀝青作為改性劑，通過對不同摻量的巖瀝青改性瀝青指標(biāo)的檢測，探討了巖瀝青對瀝青流變性能的影響；從高溫、低溫和耐久性能方面，分析討論了巖瀝青作為改性劑的影響行為和程度，以期為國產(chǎn)巖瀝青改性劑的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試 驗

試驗采用埃索AH-70#為基質(zhì)瀝青；巖瀝青采用四川青川巖瀝青，黑褐色，粉末狀，組分中瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量很高，總體比例約為90%，具體組分如表1所示。巖瀝青是由碳、氫、氧、氮等化學(xué)元素構(gòu)成，含有羧基、羰基、醛、萘等表面活性基團，可增強瀝青的內(nèi)聚力和瀝青對集料的吸附力，使其抗流動性、抗氧化性和抗水剝離性等獲得明顯的改善。外摻劑以巖瀝青相對基質(zhì)瀝青百分?jǐn)?shù)為摻比，分別選取2%，4%，6%，8%進(jìn)行摻配，巖瀝青改性瀝青的試驗流程如圖1所示。對不同摻量的巖瀝青改性瀝青進(jìn)行常規(guī)性能指標(biāo)檢測和SHRP試驗方法檢測，可獲得高低溫條件下及老化前后瀝青的針入度、勁度模量、相位角、抗車轍因子和粘度等數(shù)據(jù)。

表1 巖瀝青的物性特征

2 高溫性能

圖1 巖瀝青改性瀝青制備流程簡圖

在瀝青的性質(zhì)中，影響其高溫性能的主要指標(biāo)有針入度、軟化點、粘度、蠟含量等。針入度愈小，結(jié)合料的黏結(jié)力愈大，抗變形能力越強。由于瀝青軟化點與車轍試驗的動穩(wěn)定度之間存在較好的相關(guān)關(guān)系，因此更能反映結(jié)合料的高溫抗車轍性能。圖2和圖3為軟化點和針入度與巖瀝青摻量關(guān)系的變化曲線。

圖2 軟化點與巖瀝青摻量關(guān)系 圖3 針入度與巖瀝青摻量關(guān)系

由圖2和圖3可以得出，隨著巖瀝青摻量的增加，巖瀝青改性瀝青的軟化點升高、針入度減小，瀝青的硬度、彈性得到增加。按照Dickie的理論，瀝青的軟化點由瀝青組分決定，與瀝青質(zhì)的含量成正比關(guān)系。由于巖瀝青中瀝青質(zhì)的含量較高，平均分子量大，而且還含有氧、氮、硫等較強的極性官能團和多種能促進(jìn)瀝青中活性基團(羧基、羰基、醛、萘等)交聯(lián)聚合的有機鏈，使得摻入天然巖瀝青的瀝青分子的排列方式和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(結(jié)點和強度)得以改善，增強了瀝青的內(nèi)聚力，使其抗流動性、粘附性和感溫性等獲得明顯的改善。

另外，利用英國Malvern公司生產(chǎn)的Bohlin DSRⅠ動態(tài)剪切流變儀(DSR)，對改性瀝青的高溫流變性能做了對比研究。試驗采用應(yīng)變控制模式，按照PG分級程序進(jìn)行，主要觀察巖瀝青改性劑在不同摻量下，復(fù)數(shù)剪切摸量、相位角和抗車轍因子的變化情況，進(jìn)而驗證巖瀝青改性劑對改性瀝青流變性能的影響，如圖4～ 6所示，改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切摸量、相位角和抗車轍因子指標(biāo)，均隨著巖瀝青改性劑摻量的變化發(fā)生了有規(guī)律的改變。同一溫度下，隨著巖瀝青摻量的增加，復(fù)數(shù)剪切摸量和抗車轍因子顯著增大，明顯高于基質(zhì)瀝青，尤為6%～8%摻量的增加最為明顯，表明加入巖瀝青后，其彈性行為和抗高溫流變性能增強。從相位角中也能得出相同的結(jié)論，相位角δ的減小表明瀝青中彈性分量的增加，相同的作用荷載其變形恢復(fù)增多，抗車轍能力增大。對同一瀝青而言，復(fù)數(shù)剪切模量隨著溫度的升高而降低，相位角隨著溫度的升高而增加，瀝青變軟，粘性分量增高，體現(xiàn)出彈性增強的趨勢。

圖4 復(fù)數(shù)剪切模量的變化 圖5 相位角的變化 圖6 抗車轍因子的變化

3 低溫性能

圖7 延度的變化

瀝青膠結(jié)料的低溫流變性能的優(yōu)劣決定著瀝青混合料的低溫抗裂性能。已有研究表明，HMA的低溫抗裂性與瀝青的5℃延度有密切關(guān)系[9]。但按照試驗規(guī)范，對巖瀝青改性瀝青的5℃延度試驗卻不順利，樣品在脫?；蚣虞d時容易脆斷，因此采用15℃延度變化進(jìn)行研究，如圖7所示。由圖7可知，隨著巖瀝青改性劑摻量的增加，瀝青的15℃延度呈遞減趨勢，改性后瀝青的低溫性能有所下降，因此巖瀝青的摻量應(yīng)控制在一定范圍。

同時，借鑒SHRP試驗方法，采用美國CANNON公司的9728-V30型低溫彎曲梁流變儀，對瀝青的低溫流變性能進(jìn)行了測試。進(jìn)行低溫彎曲流變的瀝青應(yīng)是經(jīng)RTFO和PAV老化后的瀝青，要求時間60s時的蠕變勁度s≤300MPa，m值≥0.30。圖8～13所示為蠕變勁度和加載后瀝青勁度變化速率在-10℃、-16℃和-22℃溫度下的變化曲線。

圖8 原樣瀝青蠕變勁度的變化 圖9 RTFOT后瀝青蠕變勁度的變化

圖10 PAV后瀝青蠕變勁度的變化 圖11 原樣瀝青m值的變化

圖12 RTFOT后瀝青m值的變化 圖13 PAV后瀝青m值的變化

顯然，不同低溫條件下瀝青的流變特征是不同的，低溫性能與巖瀝青的摻量也密切相關(guān)。圖8～10中，瀝青的蠕變勁度隨溫度的降低而升高，而且?guī)r瀝青摻量的增加也會導(dǎo)致改性瀝青的蠕變勁度增大。圖11～13反映的是瀝青勁度變化的速率，速率越大，則說明在同一溫度下材料的低溫性能越好。無論是原樣瀝青，還是RTFOT后或PAV后的瀝青，加入巖瀝青后，勁度變化率m值比基質(zhì)瀝青小，并且隨著溫度的降低而減??；表明巖瀝青改性劑的加入使得瀝青一定程度上的變硬，松弛能力也會有所降低，容易造成材料的低溫?fù)p傷，帶來較差的抗裂性能。但在-16℃時，經(jīng)PAV老化后的巖瀝青改性瀝青的蠕變勁度模量均能滿足s≤300MPa，m值≥0.30的Superpave規(guī)范。因此，適當(dāng)控制巖瀝青摻量，只要不是極端的低溫條件，巖瀝青改性瀝青的低溫性能仍能滿足路用性能要求。

4 耐久性能

旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)和壓力老化容器(PAV)試驗可以模擬瀝青材料短期老化和長期老化過程；試驗一方面可促使瀝青輕質(zhì)油分的揮發(fā)，另一方面使瀝青與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。采用瀝青在烘箱中加熱后的重量損失和針入度比變化來評定瀝青的抗老化性能。試驗過程中，瀝青的質(zhì)量損失均為負(fù)值，質(zhì)量減少，說明改性瀝青中輕質(zhì)油分的揮發(fā)部分超過了氧化反應(yīng)使瀝青膠結(jié)料質(zhì)量增加的部分。巖瀝青改性瀝青的針入度比指標(biāo)變化如圖14所示。經(jīng)RTFO后和PAV后的瀝青膠結(jié)料，其針入度比隨著巖瀝青摻量增加而不斷增加，巖瀝青改性劑可以改善瀝青膠結(jié)料的抗老化性能。

另外，巖瀝青是經(jīng)過上億年的地質(zhì)作用以及與空氣、水接觸，長期老化后形成的產(chǎn)物，其中的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量較大(見表1)，穩(wěn)定基團較多，蠟含量極低，具有很強的抗微生物侵蝕作用，并可在自由表面形成致密光亮的保護膜。故而將其摻入基質(zhì)瀝青后，必然可降低材料整體對光、熱、空氣的反應(yīng)活性和石蠟對瀝青的危害，改善基質(zhì)瀝青抗氧化性和抗紫外線能力，從而提高改性瀝青的抗老化性能。

同時發(fā)現(xiàn)，隨著巖瀝青摻量的增大，巖瀝青改性瀝青的粘度越來越大，這一點可用巖瀝青改性瀝青樣品的Brookfild旋轉(zhuǎn)粘度試驗結(jié)果加以說明，見圖15。改性后瀝青粘度的升高，使瀝青及瀝青混合料的流動變形和彈-塑性性質(zhì)發(fā)生改變，在荷載作用下產(chǎn)生的剪切變形小，彈性恢復(fù)能力好，殘留的永久性塑性變形小，有助于提高瀝青混合料的路用性能。

圖14 針入度比的變化 圖15 粘度的變化

5 結(jié) 語

由于天然巖瀝青經(jīng)受了大自然長期惡劣環(huán)境的錘煉，以其作為改性劑對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，能顯著提高瀝青及瀝青混合料的高溫性能，改善基質(zhì)瀝青的抗變形能力、抗老化性能和穩(wěn)定性，降低瀝青的溫度敏感性。同時，采用這種改性劑進(jìn)行改性，可以避免目前SBS改性瀝青在制作和貯存過程中出現(xiàn)的配伍性和穩(wěn)定性等問題。因此，天然巖瀝青是一種良好的瀝青改性劑，用其對石油瀝青改性，可降低工程造價, 改善瀝青路面使用性能，延長瀝青路面服務(wù)壽命, 具有較高的研究和推廣價值。

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[編輯] 易國華

U414; U416.217

A

1673-1409(2009)01-N095-04

2008-12-01

重慶市科技攻關(guān)項目(CSTS 2006AB6014)。

秦旻(1981-)，女，2002年大學(xué)畢業(yè)，博士生，現(xiàn)主要從事筑路材料及其改性技術(shù)方面的研究工作。