預(yù)拌-增強(qiáng)型瀝青膠結(jié)料制備及性能評(píng)價(jià)

張爭(zhēng)奇 韋 毅 籍曉靖

（長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)道路公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1） 西安 710064）

（長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院2） 西安 710064）（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院3） 太原 030012）

0 引 言

溫拌瀝青混合料的拌和溫度比普通瀝青混合料低30℃以上，由于拌和溫度降低，可大量節(jié)約能源，減少環(huán)境污染.研究表明，拌和溫度降低30 ℃，每噸瀝青混合料可節(jié)約燃料油2.4 L，并減少30%以上的CO2等氣體和粉塵的排放量［1］.并且減少了瀝青混合料的老化，延長(zhǎng)了路面的使用壽命，同時(shí)也減少了季節(jié)和溫度對(duì)瀝青路面施工期限的限制.但與此同時(shí)，各種溫拌技術(shù)也有其一定的缺陷，主要表現(xiàn)在［2-3］：在降低瀝青混合料施工溫度的同時(shí)，也損害了瀝青混合料的某些路用性能；溫拌劑價(jià)格昂貴；某些溫拌技術(shù)需要特殊的生產(chǎn)設(shè)備，初期投入大，推廣應(yīng)用受限制.

因此，本文將通過理論分析、試驗(yàn)研究，提出基于軟質(zhì)瀝青預(yù)拌、巖瀝青粉末復(fù)拌加強(qiáng)的技術(shù)路線，即在混合料生產(chǎn)過程中，先用高標(biāo)號(hào)軟質(zhì)瀝青進(jìn)行預(yù)拌，使瀝青混合料具有良好的施工和易性，再用巖瀝青粉末復(fù)拌以加強(qiáng)路用性能.由于采用高標(biāo)號(hào)軟質(zhì)瀝青，瀝青粘度小，在較低溫度下也具有很好的流動(dòng)性，因此可以保證混合料的充分拌和與有效壓實(shí)；而復(fù)拌所用巖瀝青是一種含有大量礦物質(zhì)的天然瀝青，能夠顯著提高混合料的高溫性能、抗老化性能及耐候性，巖瀝青粉末經(jīng)復(fù)拌后分散在混合料中，起到填充、嵌擠、加筋的作用，顯著提高瀝青混合料的路用性能［4］.

而軟-硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的指標(biāo)是否滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，與環(huán)保型瀝青混合料最終的路用性能有很大的關(guān)系.因此，本文對(duì)軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的制備方法展開研究，并通過研究巖瀝青摻量對(duì)復(fù)合膠結(jié)料的性能影響分析初步確定巖瀝青與軟質(zhì)瀝青的摻配比例，為巖瀝青改性瀝青在我國(guó)的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù).

1 試驗(yàn)材料，方案和制備工藝研究

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)軟質(zhì)瀝青采用遼河石化130?；|(zhì)瀝青，硬質(zhì)瀝青采用A，B 巖瀝青顆粒狀產(chǎn)品，對(duì)比瀝青采用SK70＃重交通石油瀝青以及遼河石化SBS（I-C）改性瀝青.對(duì)液體石油瀝青和改性瀝青的性能進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）技術(shù)要求.試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)廠家提供的測(cè)試數(shù)據(jù)，2種巖瀝青的質(zhì)量指標(biāo)見表2.由于我國(guó)沒有天然巖瀝青的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，在此參考印尼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［5］.

表2 巖瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試驗(yàn)方案

參考國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)［6］，軟質(zhì)瀝青采用130標(biāo)號(hào)，硬瀝青采用2種不同瀝青含量的A，B巖瀝青（瀝青含量分別為85%和25%），產(chǎn)地分別為新疆和印尼，按外摻法配置A 巖瀝青摻量分別為10%，13%，15%，18%，20%，25%；B巖瀝青摻量為25%，40%（此摻量指的是巖瀝青與軟質(zhì)瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料，并與70?；|(zhì)瀝青和符合我國(guó)技術(shù)規(guī)范的SBS改性瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、延度、老化后的針入度變化、延度變化及質(zhì)量損失等試驗(yàn)相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn)研究.

我國(guó)現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范中道路石油瀝青和改性瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都是基于針入度分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.根據(jù)現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范，在針入度分級(jí)指標(biāo)體系的試驗(yàn)中，選取針入度、軟化點(diǎn)、延度、針入度指數(shù)PI、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800、當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2、旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)（RTFOT）后針入度變化、延度變化及質(zhì)量損失等作為軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo).

1.3 制備工藝

軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的制備，需要確定巖瀝青的融入溫度和攪拌時(shí)間這2個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù).軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料所采用的軟質(zhì)瀝青130＃，規(guī)范要求其加熱溫度為140～150℃，為使巖瀝青能夠較好的分散于軟瀝青中，最終選擇軟瀝青加熱溫度為150℃，即巖瀝青的融入溫度為150℃.

攪拌時(shí)間對(duì)復(fù)合膠結(jié)料的性能有很大的影響，若攪拌時(shí)間過短，巖瀝青分散程度較低，不能完全發(fā)揮其復(fù)配增強(qiáng)的作用，復(fù)合膠結(jié)料也不能形成均一的穩(wěn)定體.若攪拌時(shí)間過長(zhǎng)，雖然保證了巖瀝青的分散充分，但是復(fù)合膠結(jié)料伴隨著也可能發(fā)生老化，且造成能源消耗過大，成本增加.為選擇合適的攪拌時(shí)間，將軟質(zhì)瀝青加熱至150 ℃，摻入15%A巖瀝青，然后在145～150℃范圍內(nèi)攪拌，攪拌時(shí)間分別控制在15，30和45min.對(duì)制成的復(fù)合膠結(jié)料進(jìn)行3大指標(biāo)常規(guī)實(shí)驗(yàn)，所得試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 不同攪拌時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表3可見，攪拌30 min的針入度指數(shù)PI值、軟化點(diǎn)和延度都是最大的，說明攪拌30 min所得到的軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的溫度敏感性最低，高低溫性能都最好.既保證巖瀝青均勻分散，又不致因?yàn)r青老化而降低改性效果，因此建議合理的攪拌時(shí)間為30min左右.

綜上所述，軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的制備方法歸結(jié)為：將軟質(zhì)瀝青升溫至150℃，按預(yù)定比例加入巖瀝青，然后在溫度145～150℃的溫度范圍內(nèi)持續(xù)攪拌30min左右，使巖瀝青均勻分散在軟質(zhì)瀝青中.再在150 ℃的恒溫烘箱中發(fā)育1h，取出后在150 ℃的溫度下攪拌10min，即可澆筑瀝青試模.制備流程見圖1.

圖1 軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料制備流程圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

研究采用130＃軟質(zhì)瀝青，分別摻加含有不同瀝青含量的A，B 2種巖瀝青，按上述方法制備軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料.進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、延度、老化后的針入度變化、延度變化及質(zhì)量損失等試驗(yàn)，研究不同巖瀝青摻量對(duì)復(fù)合膠結(jié)料的影響，并與70＃基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青進(jìn)行對(duì)比分析.

本次試驗(yàn)測(cè)定不同巖瀝青摻量所制備的軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料及70?；|(zhì)瀝青和SBS改性瀝青在15，25和30℃3個(gè)不同溫度下的針入度，并計(jì)算PI，T800和T1.2.試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 瀝青針入度試驗(yàn)結(jié)果

2.1 溫度敏感性能

瀝青材料的感溫性指標(biāo)是評(píng)價(jià)瀝青技術(shù)性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，它是表征瀝青隨溫度而發(fā)生性質(zhì)變化幅度的指標(biāo)，針入度指數(shù)PI值是目前國(guó)內(nèi)外最常用來描述瀝青感溫性的指標(biāo).我國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）規(guī)定針入度指數(shù)PI值為A 級(jí)瀝青-1.5～＋1.0；B級(jí)瀝青-1.8～＋1.0.

對(duì)于我國(guó)大量使用多蠟瀝青的情況而言，針入度指數(shù)通常采用15，25，30 ℃3個(gè)溫度的針入度計(jì)算，要求3個(gè)溫度的針入度回歸的相關(guān)系數(shù)R應(yīng)不小于0.997.

通過計(jì)算，得到不同巖瀝青摻量的復(fù)合膠結(jié)料的PI值見圖2.

圖2 瀝青針入度指數(shù)

由圖2可見，大部分軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的PI值都在-1.5～1.0之間變化，滿足規(guī)范A 級(jí)瀝青PI值的要求.并且，對(duì)于A，B 2種巖瀝青來說，隨著其外摻量的增加，與軟瀝青復(fù)配而成的膠結(jié)料的PI值均持續(xù)增大，材料的感溫性能逐漸弱化.表明巖瀝青的加入可顯著的改善復(fù)合膠結(jié)料的溫度敏感性能.

2.2 高溫性能

1）針入度 針入度試驗(yàn)是用以測(cè)定瀝青的稠度，實(shí)質(zhì)上是一種剪切蠕變實(shí)驗(yàn)，物理意義為表觀粘度，反映了瀝青在荷載作用下的變形能力.試驗(yàn)采用了最常用的3個(gè)溫度：15，25和30 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見圖3.

圖3 不同巖瀝青摻加比例的復(fù)合膠結(jié)料針入度

由圖3可見，在同一溫度下，摻加A 巖瀝青后的軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料隨著巖瀝青摻量的增加，其針入度值不斷減小，說明巖瀝青的加入能夠使軟瀝青變硬，從而使得復(fù)合膠結(jié)料抵抗變形能力增強(qiáng).而當(dāng)軟瀝青130＃摻加巖瀝青含量為13%時(shí)，其針入度值與70?；|(zhì)瀝青的值基本相當(dāng)，即當(dāng)巖瀝青摻量大于13%時(shí)，復(fù)合膠結(jié)料與普通70?；|(zhì)瀝青相比有更好的抗變形能力.

2）軟化點(diǎn)與當(dāng)量軟化點(diǎn) 軟化點(diǎn)是道路瀝青最基本的性質(zhì)指標(biāo)之一，常用來表征瀝青材料的高溫性能，軟化點(diǎn)越高，瀝青的耐高溫性能也就越好.本次試驗(yàn)采用環(huán)與球法的測(cè)試方法來測(cè)定瀝青結(jié)合料的軟化點(diǎn)，并計(jì)算了當(dāng)量軟化點(diǎn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4.

圖4 瀝青軟化點(diǎn)與當(dāng)量軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知，復(fù)合膠結(jié)料的軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)都是隨著A，B 巖瀝青摻量的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，二者規(guī)律非常類似.對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)130＃瀝青中摻加A 巖瀝青13%時(shí)，復(fù)合膠結(jié)料的軟化點(diǎn)與70?；|(zhì)瀝青相當(dāng).而B巖瀝青摻量則需達(dá)到將近40%才可使得軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的軟化點(diǎn)達(dá)到與70＃相近的水平，這在一定程度上反映出巖瀝青中的瀝青含量對(duì)于軟化點(diǎn)的高低有較大影響.

3）粘度 本次試驗(yàn)采用美國(guó)BROOKFIELD旋轉(zhuǎn)粘度儀DV-Ⅱ，試驗(yàn)方法為ASTM D4402.分別進(jìn)行不同巖瀝青摻量復(fù)合膠結(jié)料以及70＃基質(zhì)瀝青和SBS 改性瀝青在120，135和160 ℃3個(gè)不同溫度下的粘度試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果見表5.

由表5可見，軟瀝青加入巖瀝青后，在不同的溫度下其復(fù)合膠結(jié)料的粘度值都有明顯的提高，且隨著巖瀝青摻量的增加而增大.當(dāng)130＃軟瀝青中摻加約15%巖瀝青時(shí)，復(fù)合膠結(jié)料與70?；|(zhì)瀝青粘度值相當(dāng).

表5 不同溫度瀝青粘度試驗(yàn)結(jié)果 Pa·s

2.3 低溫性能

1）延度 在我國(guó)現(xiàn)行的瀝青標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，延度是評(píng)價(jià)瀝青低溫抗裂性能的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo).已有試驗(yàn)表明，HMA 的低溫抗裂性能與瀝青的5℃延度有著密切關(guān)系.按照試驗(yàn)規(guī)范，本次試驗(yàn)測(cè)試了基質(zhì)瀝青、軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料，以及SBS改性瀝青的5 ℃延度指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表6.

表6 瀝青延度試驗(yàn)（5 ℃） Pa·s

由表6可見，軟質(zhì)瀝青摻加巖瀝青后，5 ℃延度下降明顯，且隨著摻量的增加，延度下降愈加顯著.這意味著復(fù)合膠結(jié)料的低溫抗裂性能隨著巖瀝青摻量的增加而降低.且從A，B 2種不同礦物質(zhì)含量的巖瀝青試驗(yàn)結(jié)果可知，延度結(jié)果受礦物質(zhì)含量的影響較大.礦物質(zhì)含量越多，試驗(yàn)時(shí)當(dāng)拉伸瀝青試樣到一定長(zhǎng)度時(shí)，礦物質(zhì)顆粒越易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而使結(jié)果受到影響.因此，延度指標(biāo)并不適用于評(píng)價(jià)軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的低溫抗裂性能.

2）當(dāng)量脆點(diǎn) 經(jīng)大量的試驗(yàn)研究，認(rèn)為采用當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2作為評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性能指標(biāo)是合理的.

試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見圖7.

由圖7可見，復(fù)合膠結(jié)料的當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2隨著巖瀝青摻量的增加，先呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)下降到一定程度后呈現(xiàn)增加趨勢(shì).說明當(dāng)巖瀝青摻加比例在一定范圍之內(nèi)，可以改善復(fù)合膠結(jié)料的低溫抗裂性能.當(dāng)A 巖瀝青摻量約13%時(shí)，復(fù)合膠結(jié)料的當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2達(dá)到了最低值，而之后又隨著巖瀝青摻量的增加而增加.說明巖瀝青的摻加比例過高，會(huì)使復(fù)合膠結(jié)料的當(dāng)量脆點(diǎn)升高，低溫性能降低.

圖7 當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2計(jì)算結(jié)果

2.4 老化性能

根據(jù)現(xiàn)行通用評(píng)價(jià)方法，本次試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)式薄膜加熱試驗(yàn)（RTFOT）來反映基質(zhì)瀝青、復(fù)合膠結(jié)料的抗老化性能，試驗(yàn)結(jié)果見表7.

從老化前后25 ℃的針入度比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，軟瀝青摻加巖瀝青后其針入度比有明顯的提高，且隨著摻量的增加而增大，說明巖瀝青可以改善復(fù)合膠結(jié)料的抗老化性能.摻加B 巖瀝青后，其針入度比值增加不大，且當(dāng)比例增至40%時(shí)還有所下降，這主要是由于B巖瀝青含有大量的礦物顆粒，再加上礦物顆粒分布的分散性，影響了針入度試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

表7 旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

1）隨著巖瀝青外摻量的增加，復(fù)合膠結(jié)料的PI值均持續(xù)增大，材料的感溫性能逐漸弱化，即巖瀝青的加入可顯著改善復(fù)合膠結(jié)料的溫度敏感性能.

2）對(duì)復(fù)合膠結(jié)料進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn)，得出巖瀝青摻量的增加會(huì)提高復(fù)合膠結(jié)料的高溫性能、老化性能，且摻量越大，改善效果越明顯；但過高摻量的巖瀝青會(huì)降低復(fù)合膠結(jié)料的低溫性能.

3）通過對(duì)比評(píng)價(jià)可知130＃軟質(zhì)瀝青中摻加13%左右新疆巖瀝青制備的復(fù)合膠結(jié)料其性能略優(yōu)于普通70?；|(zhì)瀝青.

［1］賈玉芳，黃 艷.溫拌瀝青混合料與環(huán)境保護(hù)［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2011（16）：134-137.

［2］劉至飛，吳少鵬，陳美祝，等.溫拌瀝青混合料現(xiàn)狀及存在問題［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（4）：171-172.

［3］楊小姻，李淑明，史保華.溫拌瀝青混合料的技術(shù)與應(yīng)用分析［J］.石油瀝青，2007，21（4）：58-61.

［4］馬敬坤，李中秋.國(guó)產(chǎn)天然瀝青路用性能試驗(yàn)研究［J］.公路交通科技，2004，21（9）：25-27.

［5］中國(guó)交通部公路科學(xué)研究所.印度尼西亞布敦巖天然瀝青路用性能研究報(bào)告［R］.北京：中國(guó)交通部公路科學(xué)研究所，2001.

［6］胡安宇，張永平，王 飛.基于軟硬瀝青復(fù)配的瀝青混合料溫拌技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2011，35（6）：1170-1177.