國產(chǎn)天然瀝青對基質(zhì)瀝青路用性能的影響

馬 峰，傅 珍，欒媛媛

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安710064;2.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710064)

0 引 言

摻加改性劑是提高瀝青路面高溫穩(wěn)定性和耐久性常用的方法。天然瀝青是在長期地質(zhì)環(huán)境變化下，經(jīng)歷復(fù)雜的物理化學(xué)變化石油類物質(zhì)形成的產(chǎn)物。因?yàn)樘烊粸r青本身就是一種瀝青，而不是人工合成的有機(jī)或無機(jī)的材料，它自身與基質(zhì)瀝青有良好的融溶性，屬于瀝青基與瀝青基的摻配類型，基質(zhì)瀝青不會(huì)對它產(chǎn)生排斥現(xiàn)象。只需將天然瀝青加入到基質(zhì)瀝青中，在規(guī)定的溫度下進(jìn)行攪拌即可，實(shí)施工藝簡便，易操作，降低了投資成本。并且改性瀝青很穩(wěn)定，在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用的過程中都十分便捷。

由于天然瀝青的突出的路用性能特性，國內(nèi)外對改性瀝青、天然瀝青對石油基質(zhì)瀝青的路用性能的改善的研究也越來越多［1-3］。郝孟輝等［4］，樊亮等［5］對天然瀝青的組成、分類進(jìn)行了分析，研究了巖瀝青的改性效果;文龍等［6-10］針對天然瀝青的材料特性及高溫性能、低溫性能進(jìn)行了研究，認(rèn)為天然瀝青的高溫性能得到明顯改善，但低溫性能則有不同的效果;黃文通等［11-12］針對布敦巖瀝青改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了研究，均認(rèn)為其顯著改善了其高溫性能，但卻降低了其低溫性能。雖然相關(guān)文獻(xiàn)對天然瀝青的性能進(jìn)行了一些研究，但大多集中于國外天然瀝青，針對國產(chǎn)天然巖瀝青路用性能的研究還較少。為了更好地研究國產(chǎn)天然瀝青，提高國產(chǎn)天然瀝青在道路工程中的有效利用，本文采用國內(nèi)典型的四川天然巖瀝青作為改性劑，系統(tǒng)分析其對石油基質(zhì)瀝青路用性能的影響。

1 原材料性能及試驗(yàn)方法

1.1 基質(zhì)瀝青

本研究采用的基質(zhì)瀝青為西石化70#瀝青，其技術(shù)性質(zhì)見表1。

表1 西石化70#基質(zhì)瀝青技術(shù)性質(zhì)Tab.1 Properties of 70#base asphalt of Xishihua

1.2 天然瀝青

試驗(yàn)采用四川天然巖瀝青如圖1 所示，外觀呈黑亮色，四川天然巖瀝青，主要組成成分是分子量高達(dá)10 000的瀝青質(zhì);其化學(xué)構(gòu)成主要為碳81.7%、氫7.5%、氧2.3%，以及氮、硫、鋁、鐵、硅及其他金屬等［13］。因?yàn)槌叵滤L期與環(huán)境共存，所以其性質(zhì)穩(wěn)定。又因?yàn)槠湮锢砗突瘜W(xué)性質(zhì)幾乎與基質(zhì)瀝青的完全一致，因此把天然瀝青摻入到基質(zhì)瀝青中去，兩者的混融性良好，為改善基質(zhì)瀝青的性能提供便利條件。

天然瀝青開采出來是塊狀，大小不一。為了便于天然瀝青摻加基質(zhì)瀝青中，將天然瀝青粉碎，用1.18mm 的方孔篩篩選。本文按照天然瀝青與基質(zhì)瀝青的質(zhì)量比制備天然瀝青改性瀝青，天然瀝青摻量為0、2%、4%、6%和8%，礦料級配是AC-16I。

2 天然瀝青改性瀝青高溫性能和粘附性能

2.1 天然瀝青對西石化基質(zhì)瀝青高溫性能的改善

根據(jù)公路行業(yè)試驗(yàn)規(guī)程要求，開展不同劑量的四川天然瀝青后改性瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖2 所示。

圖1 四川天然巖瀝青Fig.1 Natural rock asphalt of Sichuan

圖2 西石化70#瀝青摻加天然瀝青改性前后軟化點(diǎn)圖Fig.2 Softening point of asphalt modified with natural asphalt before and after

圖2 中數(shù)據(jù)表明，西石化基質(zhì)瀝青經(jīng)四川天然瀝青改性后各個(gè)摻量的軟化點(diǎn)都大幅增大，可見改性瀝青的高溫穩(wěn)定性得以普遍提高。當(dāng)天然瀝青摻量從0%逐漸增加到10%，西石化70#瀝青的軟化點(diǎn)提高53.85%，并且隨著天然瀝青摻量的增加，基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，說明天然瀝青對基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性的改善效果明顯。

由于所采用的針入度溫度均在30 ℃以下，蠟處于結(jié)晶狀態(tài)，因此當(dāng)量軟化點(diǎn)不會(huì)受蠟含量的影響，并且還能夠很好的說明瀝青的高溫性能。本研究中當(dāng)量軟化點(diǎn)T800采用在三個(gè)溫度(15 ℃、25 ℃、30 ℃)下測得的針入度P，按式lgP=AT+K 進(jìn)行線性回歸，計(jì)算得到當(dāng)量軟化點(diǎn)值。圖3 是西石化70#瀝青改性前后當(dāng)量軟化點(diǎn)T800及環(huán)球軟化點(diǎn)TR＆B試驗(yàn)結(jié)果。

從圖3 可以看出，西石化基質(zhì)瀝青改性前后的當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和實(shí)測軟化點(diǎn)TR＆B之間有很好的規(guī)律性。實(shí)測軟化點(diǎn)比當(dāng)量軟化點(diǎn)增長的速率要快一些，并且當(dāng)天然瀝青摻量為10%時(shí)，當(dāng)量軟化點(diǎn)出現(xiàn)明顯的回落現(xiàn)象，這種現(xiàn)象恰好說明了瀝青中蠟含量的存在使得瀝青的實(shí)測軟化點(diǎn)出現(xiàn)偏高的假象。同時(shí)，從T800的計(jì)算結(jié)果可以看出，對于西石化70#瀝青，天然瀝青從0%增加到10%，當(dāng)量軟化點(diǎn)從61.3 ℃提高到74.2 ℃，提高了21%，但是天然瀝青從0%到8%，當(dāng)量軟化點(diǎn)從61.3 ℃提高到89.3 ℃，提高了45.7%。從中可以看出，天然瀝青對于基質(zhì)瀝青的改性存在一個(gè)最佳的摻量，在此對于當(dāng)量軟化點(diǎn)來說，最佳摻量為8%。從圖中數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論:天然瀝青的摻加能夠很好地改善基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性，隨著天然瀝青摻量的增加，改性瀝青的高溫穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。

2.2 天然瀝青對西石化基質(zhì)瀝青粘附性影響

對于瀝青路面來說，瀝青與集料之間的粘結(jié)力必須要足夠大，否則瀝青將會(huì)漸漸發(fā)生剝離。為維持瀝青路面的穩(wěn)定耐久，必須保證瀝青與集料之間的抗剝離性和粘附性。本研究采用水煮法試驗(yàn)。西石化70#瀝青摻加不同摻量的天然瀝青的粘附性試驗(yàn)見表2。

圖3 西石化70#瀝青摻加天然瀝青改性前后T800和TR＆B比較Fig.3 T800 and TR＆B of asphalt modified with natural asphalt before and after

表2 基質(zhì)瀝青摻加不同天然瀝青的粘附性等級Tab.2 Adhesion levels of asphalt modified with natural asphalt

從表2 可以明顯看出，基質(zhì)瀝青摻加不同摻量的天然瀝青之后，改性瀝青的粘附性出現(xiàn)一定的規(guī)律:對于石灰?guī)r、輝綠巖和花崗巖，隨著天然瀝青摻量的增加，改性瀝青的粘附有一定的改善。同時(shí)也可以看出，改性瀝青對不同巖石的粘附性不同，這主要是與集料本身的性質(zhì)有關(guān)?；|(zhì)瀝青與其改性瀝青和石灰?guī)r的粘附性等級最高，這主要是因?yàn)槭規(guī)r屬于沉積巖類，主要成分為方解石;花崗巖為酸性巖類，是一種典型的親水憎油性的石料，因此本身與瀝青的粘附性較差;而輝綠巖則處于它們兩者之間。這表明，決定瀝青與集料粘附性的關(guān)鍵因素是集料的化學(xué)性質(zhì)。

3 天然瀝青對石油基質(zhì)瀝青低溫性能和水穩(wěn)定性的影響

3.1 不同劑量的天然瀝青對同種基質(zhì)瀝青低溫性能的影響

低溫延度、玻璃化溫度以及當(dāng)量脆點(diǎn)都能夠在一定程度上反應(yīng)出瀝青的低溫性能。因此本研究采用這三種指標(biāo)的研究分析天然瀝青對石油基質(zhì)瀝青低溫性能的影響。

本研究采用10 ℃和15 ℃的延度值，西石化70#瀝青摻加不同劑量的四川天然瀝青的延度值如表3所示。

表3 西石化70#瀝青摻加不同劑量的天然瀝青的延度Tab.3 Ductility of asphalt modified with natural asphalt

從表3 可以看出，西石化70#瀝青摻加四川天然瀝青后，10 ℃和15 ℃延度值明顯的降低，并且隨著天然瀝青摻量的增加延度值呈逐漸降低的趨勢。從表中可以看出，10 ℃和15 ℃延度值降低的幅度有些差距，15 ℃延度降低的幅度要比10 ℃的要大一些。說明天然瀝青在低溫延度方面對基質(zhì)瀝青的改性是不利的。

一般認(rèn)為針入度越大、針入度指數(shù)越大，瀝青的脆點(diǎn)越低，抗裂性能越好。根據(jù)有關(guān)研究認(rèn)為脆點(diǎn)溫度下瀝青勁度或者粘度不一樣的原因是與瀝青的組成成分有關(guān)。根據(jù)不同溫度針入度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)量脆點(diǎn)計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 西石化70#瀝青摻加天然瀝青后當(dāng)量脆點(diǎn)及針入度指數(shù)Tab.4 Equivalent brittle point and PI of asphalt modified with natural asphalt

從表4 可以看出，天然瀝青對西石化70#瀝青改性后，瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)明顯降低，并且隨著天然瀝青摻量的增加，改性瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)呈逐漸降低的趨勢，針入度指數(shù)呈明顯的增加趨勢。數(shù)據(jù)表明，當(dāng)西石化70#瀝青摻加天然瀝青改性后，其低溫性能得到了一定的改善。綜合延度試驗(yàn)結(jié)果可知，天然瀝青在影響基質(zhì)瀝青低溫性能方面，具有雙重性。

通過對天然瀝青改性瀝青的差示掃描量熱試驗(yàn)，分析四川天然瀝青對西石化70#瀝青低溫性能的影響。課題組資料［3］表明，6%天然瀝青的摻量在各方面的改善性能都比較良好，故本研究只選擇了6%天然瀝青摻量的改性瀝青進(jìn)行差示掃描量熱試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 瀝青的玻璃化溫度Tab.5 The glass transition temperature of asphalt

從表5 可以看出，基質(zhì)瀝青摻加6%四川天然瀝青改性后，一定程度上提高了其玻璃化溫度，在基質(zhì)瀝青-14.51 ℃的基礎(chǔ)之上提高到-12.68 ℃，并且改性瀝青的吸熱量要比基質(zhì)瀝青的吸熱量小，在基質(zhì)瀝青1.360 J/g 降低到1.120 J/g。

基質(zhì)瀝青開始時(shí)溫度較高，之后經(jīng)歷一個(gè)漸進(jìn)的降溫過程，瀝青釋放出熱量，其中的部分組分由原來的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。此時(shí)溫度繼續(xù)下降，瀝青中的固體組分將會(huì)越來越多，瀝青便由原來的粘流性態(tài)變?yōu)檎硰椥詰B(tài)，直到溫度低于瀝青的玻璃化溫度后，瀝青變?yōu)閳?jiān)硬的玻璃態(tài)。瀝青的玻璃化溫度越低，越能在較低的溫度下保持一定的粘彈性，其低溫性能比較好。當(dāng)基質(zhì)瀝青摻入天然瀝青后，改性瀝青的玻璃化溫度相對于基質(zhì)瀝青有所升高，說明天然瀝青的摻入不利于瀝青混合料在低溫時(shí)具有一定的“柔韌性”。原因在于當(dāng)天然瀝青摻入到基質(zhì)瀝青中后，改性瀝青的分子量變大，分子之間的極性鍵增強(qiáng)，使得改性瀝青本身變硬，所以當(dāng)溫度降低時(shí)，改性瀝青釋放不出很多熱量時(shí)就達(dá)到自身的玻璃化溫度。改性瀝青的玻璃化溫度反比基質(zhì)瀝青的高約1 ℃，改性瀝青的低溫性能不會(huì)明顯降低。

3.2 天然瀝青對西石化基質(zhì)瀝青抗裂性影響

對西石化70#瀝青摻加天然瀝青改性前后進(jìn)行瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

表6 西石化70#瀝青摻加四川天然瀝青改性前后低溫彎曲試驗(yàn)Tab.6 Bending test at low temperatureof asphalt modified with natural asphalt

表6 數(shù)據(jù)與圖4 表明，天然瀝青改性瀝青混合料的極限抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變都得到了提高。當(dāng)天然瀝青的摻量為0%時(shí)，瀝青混合料的抗彎強(qiáng)度為9.57 MPa，最大彎拉應(yīng)變?yōu)? 957 με;而當(dāng)天然瀝青摻量為10%時(shí)，瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度為13.99 MPa，最大彎拉應(yīng)變?yōu)? 511 με，分別提高了31.6%和15.8%。改性后瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變增加，變形能力提高，低溫條件下抵抗開裂的性能改善。但是值得注意的是，改性瀝青混合料的勁度模量增加了9.64%，這說明雖然改性瀝青混合料的低溫抗裂性能總體上得以改善，但是瀝青混合料的柔韌性并沒有得到改善，相反還有所降低。

3.3 天然瀝青對西石化基質(zhì)水穩(wěn)定性影響

圖4 西石化70#瀝青摻加四川天然瀝青改性前后低溫彎曲試驗(yàn)Fig.4 Bending test at low temperature of asphalt modified with natural asphalt

開展浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)分析天然瀝青對基質(zhì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 天然瀝青改性瀝青水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Water stability test of asphalt modified with natural asphalt

由圖5 可以看出，隨著天然瀝青量的增加，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度也不斷增加。當(dāng)天然瀝青摻量從0%增加8%時(shí)，殘留穩(wěn)定度從81.28%增加至94.26%，比基質(zhì)瀝青的提高了15.97%。可見，基質(zhì)瀝青經(jīng)過天然瀝青改性之后瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度大大提高，同時(shí)說明天然瀝青改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到了一定的改善。

此外，對瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，把試件分為兩組，一組是未經(jīng)過凍融，另一組是經(jīng)過凍融。對于未經(jīng)過凍融的一組試件，基質(zhì)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度為0.789 MPa。隨著天然瀝青量的增加，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度也逐漸增大，當(dāng)天然瀝青的摻量為8%時(shí)，改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度達(dá)到1.02 MPa，提高了29.28%，天然瀝青對于基質(zhì)瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度提高的幅度較大。對于經(jīng)過凍融的一組試件來講，基質(zhì)瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度為0.686 MPa，隨著天然瀝青摻量的增加，這組試件的劈裂強(qiáng)度也逐漸增加，當(dāng)天然瀝青的摻量為8%時(shí)，改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度達(dá)到0.978 MPa，提高了42.57%。這說明天然瀝青能夠很好地改善瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度，并且改性瀝青混合料經(jīng)過凍融的混合料比未經(jīng)過凍融的混合料提高明顯，對于實(shí)際工程應(yīng)用更具有重要意義。

4 結(jié) 語

①天然瀝青的摻加能夠很好地改善基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性，隨著天然瀝青摻量的增加，其高溫穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。天然瀝青的加入能夠提高瀝青膠結(jié)料和集料之間的粘附等級，改善瀝青和集料之間的水穩(wěn)定性。

②基質(zhì)瀝青中摻入天然瀝青后低溫流變性表現(xiàn)為雙重性，當(dāng)基質(zhì)瀝青摻入天然瀝青后，低溫延度比基質(zhì)瀝青的延度有所下降，但當(dāng)量脆點(diǎn)指標(biāo)卻有所改善，且改性瀝青的玻璃化溫度相對于基質(zhì)瀝青有所升高。

③通過瀝青混合料的低溫彎曲試驗(yàn)，摻入天然瀝青后改性瀝青混合料在低溫時(shí)的最大拉應(yīng)變和抗彎拉強(qiáng)度有所提高，而勁度模量增加了9.64%，表明改性瀝青混合料的低溫抗裂性能總體上得以改善，但柔韌性有所下降。

④基質(zhì)瀝青經(jīng)過天然瀝青改性之后瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度明顯提高，且改性瀝青混合料經(jīng)過凍融的混合料比未經(jīng)過凍融的混合料提高顯著，表明其水穩(wěn)定性得到較好的改善。

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