李亞非， 方曉坤， 桂啟濤

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150090；2.交通運輸部科學(xué)研究院， 北京市 100029；3.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團公路科學(xué)技術(shù)研究所， 新疆 烏魯木齊 830054)

布敦巖瀝青是古代石油滲透、溢流后經(jīng)過億萬年的沉積、變化，在熱能、壓力、氧化、觸媒細菌等的綜合作用下衍生成的瀝青類殘余物質(zhì)。布敦巖瀝青通常具有軟化點高，黏度大，抗氧化性和水敏感性強、耐候性好、抗微生物腐蝕能力強、不含蠟、分子量大、易儲存和加工、與基質(zhì)瀝青化學(xué)結(jié)構(gòu)相近，配伍性好且不離析的特點，將其作為改性劑改性瀝青會提高瀝青路面性能，尤其是高溫穩(wěn)定性、抗水損壞和耐久性能，社會與經(jīng)濟效益顯著[1-4]。

布敦巖瀝青中的天然瀝青含量為20%～30%，大部分分布在巖瀝青的縫隙中，如果不對其進行處理，直接與基質(zhì)瀝青融合進行改性，能發(fā)揮作用的有效瀝青少之又少[5-6]。為了提高布敦巖瀝青的利用率，提升改性瀝青性能，該文提出對布敦巖瀝青進行“活化”處理，即將巖瀝青研磨至一定粒度范圍后，經(jīng)過150～180 ℃加熱，使布敦巖瀝青縫隙中的天然瀝青析出的工藝，明確“活化”工藝對巖瀝青改性瀝青性能的影響。

1 布敦巖瀝青“活化”工藝

將破碎粒徑為3 mm以下的巖瀝青顆粒，加入到活化設(shè)備中，在150～180 ℃下脫水、攪拌并保持9 min；將脫水后的巖瀝青顆粒的含水率控制在2%以下。該工藝使天然巖瀝青中的樹脂成分激活，被激活的油分包裹著砂粒，將原來巖石狀態(tài)的瀝青轉(zhuǎn)化為膠溶狀態(tài)的瀝青，有利于提高瀝青的使用效果[7]。通過微觀圖像表征，活化后的巖瀝青表面覆蓋了大量的天然瀝青，如圖1所示。

圖1 活化后巖瀝青

2 “活化”前后對改性瀝青性能的影響

2.1 原材料

布敦巖瀝青原材料采用巖瀝青干粉，基質(zhì)瀝青采用70#道路石油瀝青。具體性能指標見表1、2，由表1、2可知：其技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求[8-10]。

表1 布敦巖瀝青技術(shù)指標

表2 70#道路石油瀝青技術(shù)指標

2.2 試驗方案與結(jié)果

將未活化與活化后的布敦巖瀝青(BRA)分別按照10%、20%、30%、40%外摻至70#基質(zhì)瀝青中，采用室內(nèi)小型膠體磨制備不同布敦巖瀝青含量的改性瀝青。檢測改性瀝青的25 ℃針入度、軟化點、5 ℃延度與135 ℃運動黏度，具體檢測結(jié)果如圖2～5所示。

圖2 巖瀝青改性瀝青針入度隨BRA摻量變化曲線

圖3 巖瀝青改性瀝青軟化點隨BRA摻量變化曲線

圖4 巖瀝青改性瀝青延度隨BRA摻量變化曲線

圖5 巖瀝青改性瀝青黏度隨BRA摻量變化曲線

由圖2～5可知：無論添加活化前的布敦巖瀝青還是活化后的布敦巖瀝青，改性瀝青的針入度與15 ℃延度均隨著巖瀝青摻量的增加而降低，軟化點和黏度隨著巖瀝青摻量的增加而增加，說明瀝青的黏度隨著巖瀝青的增加而提高，有利于提高改性瀝青的高溫抗變形能力。

添加活化后的巖瀝青改性瀝青與添加活化前的巖瀝青改性瀝青相比，整體而言，改性瀝青的針入度下降、軟化點上升，5 ℃延度與135 ℃運動黏度均有提升，且隨摻量的增加趨勢越發(fā)明顯，說明活化工藝進一步增強了巖瀝青改性瀝青的黏度。具體而言，在活化后布敦巖瀝青摻量為30%以上時，改性瀝青的性能可達到聚合物改性瀝青水平，但延度指標衰減較為嚴重，這是由于巖瀝青改性瀝青中含有巖瀝青的灰分，在進行延度試驗時，易在灰分顆粒處產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成延度指標偏低，因此該試驗方法不適用于評價巖瀝青改性瀝青。

3 “活化”前后巖瀝青改性瀝青微觀性能研究

3.1 納觀形貌

為了從微觀角度研究活化工藝對巖瀝青改性瀝青性能的影響，該文采用原子力顯微鏡分別觀測了基質(zhì)瀝青、外摻30%活化前及活化后的巖瀝青改性瀝青納觀形貌[11]，結(jié)果如圖6～8所示。

圖6～8表明：添加巖瀝青后改性瀝青的納觀形貌與70#道路石油瀝青的納觀形貌并未發(fā)生太大變化。

圖6 70#基質(zhì)瀝青納觀形貌

3.2 納觀黏附力

鑒于納觀形貌上巖瀝青改性瀝青與70#道路石油瀝青未有大的差別，采用原子力顯微鏡DMT模式對瀝青樣品的表面納觀黏附力進行了表征[12]，典型結(jié)果如圖9～11所示。

圖7 70#基質(zhì)瀝青+30%活化前巖粉納觀形貌

圖8 70#基質(zhì)瀝青+30%活化后巖粉納觀形貌

圖9 70#基質(zhì)瀝青DMT模量圖

由圖9～11可以看出：添加30%活化前巖粉會使基質(zhì)瀝青的表面DMT模量略微降低，而添加30%活化后的巖粉可顯著提高基質(zhì)瀝青的表面DMT模量。

為了研究不同改性作用對瀝青的整體規(guī)律，對30 μm×30 μm面積上全部樣品的納觀黏附力取平均值，得到活化工藝對巖瀝青改性瀝青DMT模量均值的影響如圖12所示。

圖10 70#基質(zhì)瀝青+30%活化前巖粉DMT模量圖

圖11 70#基質(zhì)瀝青+30%活化后巖粉DMT模量圖

圖12 活化工藝對巖瀝青改性瀝青DMT模量均值的影響

從圖12可以看出：30%活化前巖粉略微降低了瀝青的DMT模量，30%活化后巖粉則顯著提高了瀝青的DMT模量，且活化后巖瀝青改性瀝青DMT模量約為基質(zhì)瀝青的2.5倍，說明添加活化后巖瀝青可使改性瀝青的黏度大幅提升，印證了宏觀試驗結(jié)果。

4 結(jié)論

(1) “活化”工藝使天然巖瀝青中的樹脂成分激活，被激活的油分包裹著砂粒，將原來巖石狀態(tài)的瀝青轉(zhuǎn)化為膠溶狀態(tài)的瀝青，有利于提高瀝青的使用效果。

(2) 室內(nèi)試驗表明：采用“活化”后的巖瀝青改性瀝青，與未采用“活化”工藝的改性瀝青相比，改性瀝青的針入度下降、軟化點上升，5 ℃延度與135 ℃運動黏度提升，且隨摻量的增加趨勢越發(fā)明顯。

(3) 在“活化”后布敦巖瀝青摻量為30%以上時，改性瀝青的性能可達到聚合物改性瀝青水平。

(4) 采用原子力顯微鏡對“活化”前后的布敦巖瀝青改性瀝青進行微觀性能測試發(fā)現(xiàn)，“活化”后的改性瀝青DMT模量約為基質(zhì)瀝青的2.5倍，說明添加“活化”后巖瀝青的改性瀝青黏度大幅提升，改性效果顯著。