歐洲巖瀝青改性瀝青結(jié)合料使用性能試驗研究*1

曾夢瀾，趙　宇，潘浩志，孟繼軍

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙　410082；2.天津港保稅區(qū)鑫鑫和國際貿(mào)易有限公司，天津　300457)

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歐洲巖瀝青改性瀝青結(jié)合料使用性能試驗研究*1

曾夢瀾1?，趙宇1，潘浩志1，孟繼軍2

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410082；2.天津港保稅區(qū)鑫鑫和國際貿(mào)易有限公司，天津300457)

為探討歐洲巖瀝青改性瀝青結(jié)合料使用性能的影響，在25%范圍內(nèi)對不同摻量的巖瀝青改性瀝青結(jié)合料進(jìn)行實驗室試驗，并通過試驗結(jié)果分析了基質(zhì)瀝青和改性瀝青結(jié)合料的針入度、針入度指數(shù)、當(dāng)量軟化點、當(dāng)量脆點、軟化點、延度、黏度、RTFOT老化后的質(zhì)量損失、殘留針入度比和瀝青老化指數(shù)等技術(shù)參數(shù)．試驗結(jié)果與分析表明，隨著巖瀝青摻量的增加，巖瀝青改性瀝青結(jié)合料的高溫性能、感溫性能、可使用溫度范圍和抗老化性能得到明顯改善．然而，隨著巖瀝青摻量的增加，巖瀝青改性瀝青結(jié)合料的低溫性能與延度有所下降，有必要通過瀝青混合料試驗進(jìn)一步評價巖瀝青改性瀝青的使用性能，尤其是低溫特性．

試驗；巖瀝青；改性瀝青；使用性能

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，道路交通量日益增多，車輛軸載不斷加重，對瀝青的使用性能要求越來越高．為了改善瀝青的使用性能，近些年來天然瀝青作為改性劑改性石油瀝青受到國內(nèi)外的廣泛重視并得到了一定的推廣[1]．目前我國所應(yīng)用的天然瀝青主要有北美巖瀝青、特立尼達(dá)湖瀝青、布敦巖瀝青等，國產(chǎn)的天然瀝青主要有青川巖瀝青等[2]．

歐洲巖瀝青是一種天然巖瀝青，產(chǎn)自歐洲東南部巴爾干半島．將其挖掘、機(jī)械粉碎后成為較細(xì)的顆粒，外觀呈黑色；瀝青質(zhì)含量高，達(dá)到40%～60%．巖瀝青軟化點高、含氮量高、抗老化性能強(qiáng)，具有優(yōu)良的路用性能[3]．歐洲巖瀝青在國外應(yīng)用較為廣泛，然而國內(nèi)對其研究較少，在一定程度上限制了其推廣和應(yīng)用．

為了更好地了解歐洲巖瀝青對基質(zhì)瀝青的改性效果，本文以巖瀝青作為改性劑，按不同比例摻入基質(zhì)瀝青中制成巖瀝青改性瀝青結(jié)合料，并對不同摻量的巖瀝青改性瀝青進(jìn)行實驗室試驗，分析不同摻量巖瀝青改性瀝青的溫度敏感性、高溫性能和低溫性能，為歐洲巖瀝青在工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)．

1　試驗材料

基質(zhì)瀝青采用70號A級道路石油瀝青，基質(zhì)瀝青、巖瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)[4-5]和試驗結(jié)果分別見表1和表2．由于規(guī)范中暫無歐洲巖瀝青標(biāo)準(zhǔn)，表2中列出了青川巖瀝青標(biāo)準(zhǔn)．根據(jù)表1和表2中的試驗結(jié)果，本研究中試驗用原材料均滿足試驗規(guī)范的技術(shù)要求．

表1　基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.1　Technical properties of asphalt

表2　巖瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.2　Technical properties of rock asphalt

2　實驗室試驗

2.1改性瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青加熱到150 ℃，按照預(yù)定的摻配比例摻入巖瀝青，邊加邊攪拌，以使巖瀝青與基質(zhì)瀝青混合均勻，然后放入150～160 ℃的烘箱中，發(fā)育1h之后取出，在150～160 ℃的溫度下用高速剪切儀以3 000r/min的轉(zhuǎn)速剪切1h．當(dāng)在攪拌過程中可以觀察到瀝青質(zhì)地均勻，冷卻后呈光滑的鏡面時，即制得巖瀝青改性瀝青．本研究設(shè)定巖瀝青摻量為基質(zhì)瀝青的5%，10%，15%，20%和25%．對于基質(zhì)瀝青也采用與改性瀝青相同的加工過程，得到零摻量試樣．

2.2改性瀝青的性能測試

針入度、軟化點、延度、黏度和老化試驗按JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進(jìn)行[6]．其中針入度試驗方法采用T0604—2011“瀝青針入度試驗”；軟化點試驗方法采用T0606—2011“瀝青軟化點試驗(環(huán)球法)”；延度試驗方法采用T0605—2011“瀝青延度試驗”；黏度試驗方法采用T0625—2011“瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(布洛克菲爾德黏度計法)”；老化試驗方法采用T0610—2011“瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗”．

3　試驗結(jié)果分析

3.1針入度試驗結(jié)果

針入度是我國選擇瀝青標(biāo)號的重要依據(jù)，針入度的大小反映瀝青的軟硬程度及稠度大小，對瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性有重要的影響．不同摻量巖瀝青改性基質(zhì)瀝青的針入度見圖1．

巖瀝青摻量/%圖1　不同溫度下巖瀝青改性瀝青針入度 與巖瀝青摻量的變化關(guān)系Fig.1　Penetrations of modified asphalt versusrock asphalt content at different temperatures

從圖1可以看出，同一溫度下，不同摻量巖瀝青改性瀝青的針入度均低于基質(zhì)瀝青，且瀝青材料的針入度隨著巖瀝青摻量的增加而逐漸減?。?25 ℃為例進(jìn)行分析，巖瀝青摻量為5%，10%，15%，20%和25%時改性瀝青的針入度與基質(zhì)瀝青相比分別下降了12.0%，21.6%，28.1%，38.7%，49.5%．說明巖瀝青的摻入提高了基質(zhì)瀝青的稠度，改善了瀝青抵抗變形的能力．另外，當(dāng)巖瀝青摻量為25%時，改性瀝青針入度為35.3(0.1mm)，其瀝青標(biāo)號為30號．按JTGF40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[4]要求，30號瀝青僅適用于瀝青穩(wěn)定基層．

針入度指數(shù)PI值是常用的瀝青感溫性能評價指標(biāo)[7]，通常認(rèn)為，PI值越大，瀝青的溫度敏感性越低[8]．瀝青的針入度指數(shù)PI值可按式(1)和式(2)共同確定．將5 ℃，15 ℃和25 ℃ 3個不同溫度下的針入度按式(2)進(jìn)行直線回歸，得到的針入度溫度指數(shù)AlgPen，代入式(1)計算，即可得針入度指數(shù)PI的值[6]．

(1)

lgP=K+AlgPen×T.

(2)

式中：lgP為不同溫度條件下測得的針入度值的對數(shù)；T為試驗溫度；K為回歸方程的常數(shù)項a；AlgPen為回歸方程的系數(shù)b．

不同摻量巖瀝青改性瀝青的針入度指數(shù)PI值見圖2．從圖中可以看出，巖瀝青改性瀝青的PI值均高于基質(zhì)瀝青，且隨著巖瀝青摻量的增加，PI整體呈增加的趨勢．當(dāng)巖瀝青摻量從0%增加到25%時，PI值由-1.10增加到-0.64，且當(dāng)摻量大于10%時，PI值增量明顯．說明巖瀝青的摻入減小了改性瀝青的溫度敏感性，也就是說溫度對改性瀝青性能的影響減小，改性瀝青的感溫性能得到顯著改善．

巖瀝青摻量/%圖2　不同摻量巖瀝青改性瀝青的PI值Fig.2　Penetration index of rock asphaltmodified asphalt in different content

當(dāng)量軟化點T800是瀝青的針入度為800(0.1mm)時所對應(yīng)的溫度，可用來表示瀝青的高溫性能．當(dāng)量軟化點T800可按式(3)進(jìn)行計算，其中AlgPen和K分別為式(2)回歸得到的參數(shù)[6]．

(3)

不同摻量巖瀝青改性瀝青的當(dāng)量軟化點T800見圖3．從圖3可以看出，巖瀝青改性瀝青當(dāng)量軟化點T800的值呈上升趨勢，且當(dāng)巖瀝青摻量大于10%時，當(dāng)量軟化點增加的幅度不斷增大．這說明巖瀝青的摻入可以改善基質(zhì)瀝青的高溫性能，且隨著巖瀝青摻量的增加，高溫性能的改善更加顯著．

巖瀝青摻量/%圖3　不同摻量巖瀝青改性瀝青的當(dāng)量軟化點Fig.3　Equivalent softening point of rockasphalt modified asphalt in different content

瀝青在低溫條件下容易產(chǎn)生脆性破壞，當(dāng)量脆點T1.2是針入度為1.2(0.1mm)時所對應(yīng)的溫度，可作為瀝青結(jié)合料的低溫抗開裂性能評價指標(biāo)．當(dāng)量脆點T1.2按式(4)進(jìn)行計算，其中AlgPen和K分別為式(2)回歸得到的參數(shù)[6]．

(4)

不同摻量巖瀝青改性瀝青的當(dāng)量脆點T1.2見圖4．從圖4可以看出，隨巖瀝青的摻量增加，巖瀝青改性瀝青當(dāng)量脆點T1.2增大，這說明巖瀝青改性瀝青的低溫性能有所下降．另外，當(dāng)巖瀝青摻量在0%～10%范圍內(nèi)時，巖瀝青摻量每增加5%，T1.2平均升高0.9 ℃；當(dāng)巖瀝青摻量在10%～20%范圍內(nèi)時，巖瀝青摻量每增加5%，T1.2平均升高0.4 ℃；當(dāng)巖瀝青摻量在20%～25%范圍內(nèi)時，T1.2升高0.8 ℃．說明當(dāng)摻量為10%～20%時，巖瀝青對基質(zhì)瀝青低溫性能的影響相對較低．

另外，本研究采用當(dāng)量軟化點T800與當(dāng)量脆點T1.2的差值，即T800-T1.2的值來評價改性瀝青的可使用溫度范圍與巖瀝青摻量的關(guān)系．分析結(jié)果見圖5．從圖5中可以看出，改性瀝青的可使用溫度范圍隨巖瀝青摻量的增加呈增大趨勢．這說明與對高溫性能的改善相比，巖瀝青的摻入對瀝青低溫性能不利影響相對較小；也說明與基質(zhì)瀝青相比，巖瀝青改性瀝青的可使用溫度范圍有所擴(kuò)大．

巖瀝青摻量/%圖4　不同摻量巖瀝青改性瀝青的當(dāng)量脆點Fig.4　Equivalent fracture point of rock asphaltmodified asphalt in different content

巖瀝青摻量/%圖5　巖瀝青改性瀝青可使用溫度范圍Fig.5　Service temperature range of rockasphalt modified asphalt

3.2軟化點試驗結(jié)果

不同摻量巖瀝青對基質(zhì)瀝青軟化點的影響見圖6．從圖6中可以看出，巖瀝青的摻入可顯著地提高基質(zhì)瀝青的軟化點，軟化點隨著巖瀝青摻量的增加而不斷增大，且軟化點的變化規(guī)律和當(dāng)量軟化點T800類似．這說明巖瀝青的摻入提高了基質(zhì)瀝青的高溫抗變形能力，改善了基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性，且?guī)r瀝青改性瀝青的高溫性能隨巖瀝青摻量的增加而不斷增強(qiáng)，當(dāng)巖瀝青摻量大于10%時其對基質(zhì)瀝青的改善效果更為明顯；另外，軟化點和當(dāng)量軟化點T800這兩個指標(biāo)的相關(guān)性較好，兩者均可以反映巖瀝青改性瀝青的高溫性能，且對瀝青性能的評價結(jié)果一致．

3.3延度試驗結(jié)果

本研究中，對巖瀝青改性瀝青進(jìn)行15 ℃和10 ℃兩種溫度的延度試驗．其中，基質(zhì)瀝青在15 ℃和10 ℃時延度值均超過100cm，而摻量為5%～25%的巖瀝青改性瀝青試驗結(jié)果見圖7．從圖7可以看出，巖瀝青的摻入使瀝青的延度大幅下降，且延度隨著巖瀝青摻量的增加而降低．當(dāng)巖瀝青摻量較小時，延度下降速度較快，當(dāng)摻量超過10%時，下降速度趨于平緩．這說明巖瀝青摻量的增加使改性瀝青的低溫性能逐漸降低，而當(dāng)摻量超過10%時巖瀝青的摻量對瀝青低溫性能的影響較?。?/p>

巖瀝青摻量/%圖6　不同摻量巖瀝青改性瀝青的 軟化點和當(dāng)量軟化點Fig.6　Softening point and equivalent softening pointof rock asphalt modified asphalt in different content

另外，本研究中延度下降的一個主要原因是巖瀝青中含有大量的礦物質(zhì)顆粒，當(dāng)試件被拉伸到一定的長度時，礦物質(zhì)顆粒會產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，直接影響試驗結(jié)果．故瀝青低溫性能不能僅通過延度試驗進(jìn)行評價，本研究推薦結(jié)合改性瀝青混合料的性能試驗對瀝青低溫性能進(jìn)行綜合評價[9]．

巖瀝青摻量/%圖7　不同摻量巖瀝青改性瀝青的延度Fig.7　Ductility of rock asphalt modifiedasphalt in different content

3.4黏度試驗結(jié)果

瀝青的黏性是瀝青在荷載的作用下抵抗流動變形的能力，其大小通常用黏度表示[10]，瀝青的黏度可較真實地反映路面在高溫條件下的使用情況[11]．瀝青黏度越大，其在荷載作用下產(chǎn)生的剪切變形越小，彈性恢復(fù)能力越好，殘留的永久性塑性變形越小，說明抵抗車轍的能力越強(qiáng)[12-13]．另外，JTGF40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[4]要求，在溫度為135 ℃時改性瀝青的黏度不能超過3Pa·s．試驗結(jié)果見圖8．

從圖8可以看出，當(dāng)試驗溫度相同時，巖瀝青改性瀝青的黏度隨巖瀝青摻量的增加而增大，當(dāng)摻量大于10%時增幅較大．以135 ℃黏度為例，巖瀝青摻量為10%，15%，20%和25%的改性瀝青，其黏度分別為基質(zhì)瀝青的174%，199%，234%，298%．試驗結(jié)果表明，巖瀝青改性瀝青在荷載作用下產(chǎn)生的剪切變形小，彈性恢復(fù)能力好，抗車轍能力強(qiáng)．同時，5%～25%摻量的巖瀝青改性瀝青的135 ℃黏度值均未超過3Pa·s，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求．

巖瀝青摻量/%圖8　不同摻量巖瀝青改性瀝青黏度Fig.8　Viscosity of rock asphalt modifiedasphalt in different content

3.5老化試驗結(jié)果

RTFOT老化是一種短期老化方式，反映了瀝青在拌合裝置中的性質(zhì)變化．本研究通過比較瀝青RTFOT老化前后物理性能的變化，對巖瀝青改性瀝青的抗老化性能進(jìn)行分析和評價．

RTFO試驗后改性瀝青的質(zhì)量變化見圖9．從圖9可以看出，巖瀝青摻量越大，瀝青的質(zhì)量損失越大．然而，由于巖瀝青中含有大量的礦物質(zhì)成分和揮發(fā)性物質(zhì)，這是造成質(zhì)量損失的關(guān)鍵因素，直接影響試驗的結(jié)果[14]．所以當(dāng)巖瀝青摻量增加時，瀝青的質(zhì)量損失增大并不能表明瀝青的抗老化性能降低．

巖瀝青摻量/%圖9　巖瀝青改性瀝青RTFO試驗后的質(zhì)量變化率Fig.9　Mass change after RTFO test of rockasphalt modified asphalt

巖瀝青改性瀝青25 ℃時的殘留針入度比見圖10．從圖10可以看出，巖瀝青摻量越大，瀝青的殘留針入度比越大．這說明隨著巖瀝青摻量的增加，瀝青的抗老化性能得到了不斷改善[6]．當(dāng)巖瀝青摻量超過10%時，殘留針入度比的增量明顯，巖瀝青對基質(zhì)瀝青抗老化性能的改善更為顯著．

巖瀝青摻量/%圖10　巖瀝青改性瀝青25 ℃時的殘留針入度比Fig.10　Penetration ratio of rock asphaltmodified asphalt at 25 ℃

瀝青老化前后黏度的變化可以反映瀝青的抗老化性能，通常用瀝青老化指數(shù)C表示．故瀝青的老化指數(shù)C可以作為其抗老化性能的指標(biāo)，其計算公式見式(5)[6]．

C=lglg(η2×103)-lglg(η1×103)．

(5)

式中：η1和η2分別代表老化前后的60 ℃黏度．

巖瀝青改性瀝青的瀝青老化指數(shù)見圖11．從圖11可以看出，巖瀝青摻量越大，瀝青的瀝青老化指數(shù)越小．這說明隨著巖瀝青摻量的增加，瀝青的抗老化性能得到改善．

巖瀝青摻量/%圖11　巖瀝青改性瀝青的瀝青老化指數(shù)Fig.11　Asphalt aging index of rockasphalt modified asphalt

4　結(jié)　論

本研究通過實驗室瀝青針入度試驗、軟化點試驗、延度試驗、黏度試驗和RTFO老化試驗，采用針入度、針入度指數(shù)、當(dāng)量軟化點、當(dāng)量脆點、軟化點、延度、黏度、老化后的質(zhì)量損失、殘留針入度比和瀝青老化指數(shù)作為指標(biāo)，在25%摻量范圍內(nèi)，評價了不同摻量的歐洲巖瀝青改性瀝青結(jié)合料的高溫性能、低溫性能、感溫性能和老化性能．試驗結(jié)果和分析可以得出以下結(jié)論：

1)巖瀝青改性瀝青的針入度隨著巖瀝青摻量的增加而降低，而軟化點和當(dāng)量軟化點T800則隨巖瀝青摻量的增加而升高．說明巖瀝青的摻入可以提高基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性及抗變形能力，即巖瀝青可以改善基質(zhì)瀝青的高溫性能．

2)巖瀝青改性瀝青的延度隨著巖瀝青摻量的增加而降低，而當(dāng)量脆點T1.2則隨巖瀝青摻量的增加而升高．說明巖瀝青的摻入使基質(zhì)瀝青的低溫抗裂性能有所減弱，即巖瀝青對基質(zhì)瀝青的低溫性能存在不利影響．然而，改性瀝青的可使用溫度范圍隨巖瀝青摻量的增加呈增大趨勢．說明與對高溫性能的改善相比，巖瀝青的摻入對瀝青低溫性能的不利影響相對較?。?/p>

3)針入度指數(shù)PI值隨著巖瀝青摻量的增加而增大，說明巖瀝青改性瀝青的溫度敏感性較基質(zhì)瀝青小，且隨巖瀝青摻量的增加，改性瀝青的溫度敏感性逐漸減小，即巖瀝青可顯著地改善基質(zhì)瀝青的感溫性能．

4)瀝青黏度隨著巖瀝青摻量的增加而增大，說明隨著巖瀝青摻量的增加，改性瀝青在荷載作用下產(chǎn)生的剪切變形減小，彈性恢復(fù)能力變好，抗車轍能力增強(qiáng)．135 ℃黏度值滿足Superpave瀝青結(jié)合料規(guī)范不大于3Pa·s的要求．

5)隨著巖瀝青摻量的增加，改性瀝青老化前后的殘留針入度比不斷增大，瀝青老化指數(shù)減?。f明巖瀝青的摻入可改善基質(zhì)瀝青的抗老化性能．

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An Experimental Study on Performance of European Rock Asphalt Modified Asphalt Binder

ZENG Meng-lan1?, ZHAO Yu1, PAN Hao-zhi1, MENG Ji-jun2

(1.College of Civil Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan410082, China;2.Tianjin Port Free Trade Zone Shangshun International Trade Co, Ltd, Tianjin300457, China)

InordertoexploretheperformanceofEuropeanrockasphaltmodifiedasphaltbinder,laboratorytestsonasphaltbindermodifiedbydifferentcontentswithin25%oftherockasphaltwerecarriedout.Onthebasisofthetestresults,thepropertiesofthemodifiedasphaltbindersuchaspenetration,penetrationindex,equivalentsofteningpoint,equivalentfracturepoint,softeningpoint,ductility,viscosity,masslossafterRTFOTaging,retainedpenetration,andagingindexwerepresentedandanalyzed.Thetestresultsandanalysesindicatedthatthehigh-temperaturebehavior,temperaturesusceptibility,applicabletemperaturerange,andagingresistanceofrockasphaltmodifiedasphaltbinderwereimprovedconsiderablyastherockasphaltcontentincreased.However,thelowtemperaturebehaviorandductilityoftherockasphaltmodifiedasphaltbinderweredeterioratedbytheincreasedrockasphaltcontent.Therefore,additionaltestsontheasphaltmixtureareneededtoevaluatetheperformanceoftherockasphaltmodifiedasphaltbinder,particularlyforlowtemperaturebehavior.

experiments；rockasphalt;modifiedasphalt;performance

1674-2974(2016)05-0125-06

2015-07-22

湖南省交通運輸廳科技進(jìn)步與創(chuàng)新計劃項目(201110)

曾夢瀾(1954-)，男，湖南漢壽人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

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