巖瀝青改性瀝青路用性能試驗(yàn)研究嘗試

劉志剛

摘 要：從性價(jià)比的角度考慮，瀝青是當(dāng)今道路建設(shè)的關(guān)鍵建筑材料，其基本性能的優(yōu)劣以及性能發(fā)揮程度的好壞都決定了道路的實(shí)際建設(shè)質(zhì)量以及使用壽命，因此，能否選擇更加適宜的瀝青及混合比率是影響道路建設(shè)質(zhì)量的根本問(wèn)題，必須予以高度重視。巖瀝青是廣泛用于道路建設(shè)的主要瀝青選擇，以巖瀝青摻雜其他材料得到的改性瀝青相對(duì)于普通瀝青來(lái)說(shuō)，其用于道路建設(shè)，顯現(xiàn)出更好的強(qiáng)度、韌性和抗水性。本文結(jié)合巖瀝青的基礎(chǔ)性質(zhì)分析，分別就不摻雜巖瀝青與摻雜3%的巖瀝青做了道路試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，摻雜的巖瀝青表現(xiàn)出更好的道路性能質(zhì)量，值得推廣使用。

關(guān)鍵詞：巖瀝青；改性瀝青；路用性能試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我們進(jìn)行試驗(yàn)的巖瀝青選擇天然產(chǎn)于印尼布敦島的巖瀝青，業(yè)界普遍稱(chēng)其為布敦瀝青，英文簡(jiǎn)寫(xiě)為BRA。有研究表明，利用布敦瀝青原料做成改性瀝青，所得的改性瀝青材料具備比較好的物理力學(xué)性能，非常適合用于載重交通高速公路，以及機(jī)場(chǎng)的跑道等大型路面建設(shè)工程。本研究主要采用的是室內(nèi)進(jìn)行的馬歇爾、車(chē)轍以及低溫彎曲試驗(yàn)，對(duì)外摻了布敦巖瀝青改性瀝青的路用性能進(jìn)行測(cè)評(píng)，測(cè)評(píng)的主要的指標(biāo)有路面的動(dòng)穩(wěn)定度、靜穩(wěn)定度以及彎曲應(yīng)變度等。

1 巖瀝青材料的基本性質(zhì)

進(jìn)一步分析布敦瀝青的物理構(gòu)成，布敦瀝青中瀝青的實(shí)際凈含量約為20%，其他構(gòu)成物質(zhì)是石灰?guī)r和一些礦物質(zhì)。布敦巖瀝青中所含的瀝青其軟化點(diǎn)通常在70℃～90℃的范圍內(nèi)，且耐老化的性能比較好，一般也可用于對(duì)普通石油瀝青的性能改進(jìn)劑。科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，布敦巖瀝青中的主要化學(xué)成分依含量分別是碳元素、氧元素、硫元素、硅元素、鈣元素、鋁元素、鎂元素、鉀元素以及鐵元素等，因?yàn)檫M(jìn)行研究的電子探針只可以檢測(cè)出從5號(hào)硼元素直到92號(hào)鈾元素之間的各種元素，而氫元素就不能夠被試驗(yàn)檢測(cè)出來(lái)。因?yàn)闉r青的主要構(gòu)成就是碳和氫的有機(jī)化合物，瀝青中必然要含有非常多的氫元素。

2 巖瀝青試驗(yàn)

2.1 巖瀝青性能測(cè)試

因?yàn)槲覈?guó)在巖瀝青的使用領(lǐng)域起步較晚，目前還沒(méi)有提出符合國(guó)內(nèi)環(huán)境和建設(shè)情況布敦巖瀝青的具體技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)，所以，在實(shí)施整個(gè)試驗(yàn)時(shí)，我們采用了印尼巖瀝青的國(guó)家技術(shù)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。在試驗(yàn)中，本項(xiàng)目進(jìn)行摻雜的瀝青混料的集料是來(lái)自陜西咸陽(yáng)的石灰?guī)r，采用的集料其顆粒的粒徑尺寸規(guī)格為s10（10mm～15mm）、s11（5mm～10mm）、s12（3mm～5mm）以及s13（0mm～3mm）；試驗(yàn)巖瀝青的針入度在25℃條件下，取100克，時(shí)間為5s，試驗(yàn)針入度指數(shù)設(shè)定為P.I 1.27 ≥0.6，測(cè)定針入深度0.1mm。試驗(yàn)的巖瀝青其延度測(cè)定為150 ≥100，測(cè)試條件滿足5℃，進(jìn)度為5cm/min，單位取cm。試驗(yàn)巖瀝青的軟化點(diǎn)測(cè)定為40℃～60℃；試驗(yàn)巖瀝青的閃點(diǎn)測(cè)定為≥240℃；試驗(yàn)巖瀝青的溶解度測(cè)定為99.6% ≥99.0%；實(shí)測(cè)巖瀝青15℃密度為1.036g/cm?。

2.2 巖瀝青軟化點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果分析

軟化點(diǎn)是目前大多國(guó)家用來(lái)體現(xiàn)改性瀝青材料的高溫綜合性能的重要指標(biāo)，通過(guò)理論分析，瀝青的軟化點(diǎn)與瀝青的黏合程度有著直接的正比例關(guān)系，可直接反應(yīng)出該瀝青的實(shí)際黏度。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)實(shí)際測(cè)定，得到此時(shí)瀝青軟化點(diǎn)的瀝青黏度，大部分瀝青的黏度基本處于1200～1300。瀝青的軟化點(diǎn)越高表明該瀝青的等黏溫度也越高，所以物質(zhì)因受力出現(xiàn)黏滯性流動(dòng)情況就越發(fā)困難，進(jìn)而提升改性瀝青材料實(shí)際高溫條件下的穩(wěn)定性。

對(duì)巖瀝青的軟化點(diǎn)試驗(yàn)，與基體瀝青通過(guò)不同摻雜程度高速整合及剪切下對(duì)試樣進(jìn)行制備，測(cè)定結(jié)果表明，隨著巖瀝青的摻入濃度逐漸提高，改性瀝青的軟化點(diǎn)也會(huì)隨著升高。這一結(jié)果表明，巖瀝青對(duì)增強(qiáng)改性瀝青的高溫條件下的穩(wěn)定性有正向的促進(jìn)作用，摻入巖瀝青的數(shù)量越大，混合后的瀝青其高溫穩(wěn)定性也越好，基本符合線性正比例關(guān)系。

2.3 巖瀝青進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)的結(jié)果及其分析

馬歇爾試驗(yàn)是在基體瀝青內(nèi)添加質(zhì)量為3%的混合料，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行添加巖瀝青。為保持與施工現(xiàn)場(chǎng)的施工工藝一致，本次馬歇爾試驗(yàn)運(yùn)用干性攪拌工藝。本試驗(yàn)項(xiàng)目運(yùn)用的摻雜巖瀝青數(shù)量為3%，所謂摻雜數(shù)量3%就是特指摻雜巖瀝青數(shù)量占所有混合料的總體比重，改性瀝青的混合料進(jìn)行拌合的溫度實(shí)際就是瀝青的加熱溫度，一般都控制在158℃～165℃，對(duì)礦料進(jìn)行進(jìn)一步加熱的溫度選擇約為178℃～189℃；改性瀝青的混合料進(jìn)行拌和的溫度保持在165℃～175℃，溫度浮動(dòng)范圍±5℃，對(duì)改性瀝青進(jìn)行擊實(shí)的溫度選擇156℃～166℃。通過(guò)試驗(yàn)，可以得出如下的幾個(gè)結(jié)論：

（1）不摻雜巖瀝青要比摻雜3%巖瀝青的最佳狀態(tài)油石比率要高出約0.6，且這兩者間的最佳狀態(tài)油石比的實(shí)際差值，要直接與巖瀝青內(nèi)所含有的大約23%的純?yōu)r青以及混合料的拌合溫度有高度的相關(guān)性。

（2）不摻雜巖瀝青比摻雜3%巖瀝青的空隙率要顯得稍大，造成這一情況的主要原因是，有一些巖瀝青的流體成分會(huì)填充原來(lái)巖瀝青改性瀝青的微小空隙。

（3）不摻雜巖瀝青比摻雜3%巖瀝青導(dǎo)致殘留的穩(wěn)定度更低，測(cè)定的數(shù)據(jù)也進(jìn)一步表明這一點(diǎn)，殘留穩(wěn)定度實(shí)際提高的幅度大約在6.5%左右。造成這一結(jié)果的原因是巖瀝青中各構(gòu)成主要部分的分子量比較大，當(dāng)這些大分子緩慢溶解于基體瀝青后，在高溫以及瀝青小分子充分的作用下，會(huì)導(dǎo)致巖瀝青內(nèi)部大分子膠束發(fā)生破裂，因而表現(xiàn)出了更多的活性分解點(diǎn)，迅速和那些小分子成分通過(guò)半聚合作用相互結(jié)合。

3 巖瀝青改性瀝青路用性能分析

3.1 高溫條件下的穩(wěn)定性

從前述試驗(yàn)的結(jié)果不難看出，添加了布敦巖瀝青后的改性瀝青其高溫條件下穩(wěn)定性能變得更好。改性瀝青材料的動(dòng)穩(wěn)定度為從完全不摻雜布敦巖瀝青時(shí)的1975次/mm大幅增加到摻雜了3%布敦巖瀝青后的3201次/mm，實(shí)際的動(dòng)穩(wěn)定度的提升幅度約為63%。同時(shí)，對(duì)比試驗(yàn)樣本的總變形程度能夠看出，對(duì)于不摻雜布敦巖瀝青，60分鐘位移的平均值保持在4mm，而摻雜了3%布敦巖瀝青后，60分鐘位移平均值大約為1.2mm，總體的變形降低幅度還是比較大的。

通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)，也可得出改性瀝青材料在高溫條件下的路用性能，由此可知，摻雜布敦巖瀝青能夠提升改性瀝青材料的高溫條件下的路用性能，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與巖瀝青的物理構(gòu)成有直接關(guān)系。蠟對(duì)于瀝青的路用性能影響很大，蠟含量越高，瀝青的路用性能就越差。對(duì)于布敦巖瀝青而言，其在原油狀態(tài)時(shí)成分中也含有蠟，在地殼運(yùn)動(dòng)的漫長(zhǎng)周期里與各種因素發(fā)生作用，含有的蠟數(shù)量大幅降低，逐漸轉(zhuǎn)化為其他的存在形式。當(dāng)把布敦巖瀝青摻雜到普通的瀝青當(dāng)中后，在成分進(jìn)行重組的過(guò)程中，也會(huì)將該特性傳遞給基體瀝青，進(jìn)一步減小了石蠟對(duì)瀝青性能的危害。

3.2 水凍融穩(wěn)定性

通過(guò)試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，摻雜了布敦巖瀝青的改性瀝青材料其水穩(wěn)定性能表現(xiàn)更好。經(jīng)循環(huán)凍融試驗(yàn)后，摻雜改性瀝青材料的水穩(wěn)定性發(fā)生了很大的變化，有了顯著的提升，且其劈裂強(qiáng)度的降低非常小，基本保持在98.9%以上，這也說(shuō)明布敦巖瀝青的摻雜提升了改性瀝青材料的路用界面防水性能，并且因?yàn)椴级貛r瀝青中還含有一部分沒(méi)有分解的低分子成分，會(huì)很好地填充那些基體瀝青的結(jié)構(gòu)空隙，進(jìn)而改變了改性瀝青材料的微觀構(gòu)造，降低了水分存留凍融對(duì)路面造成的損害。試驗(yàn)證明，摻雜了3%比重的布敦巖瀝青，試驗(yàn)整體材料的劈裂凍融抗壓及拉伸強(qiáng)度要大大高過(guò)技術(shù)指標(biāo)中不低于80%的要求。

3.3 低溫彎曲性能

衡量改性瀝青材料的路用性能不能只考慮材料的強(qiáng)度和變形，低溫下的彎曲性能也是必須重點(diǎn)考察的內(nèi)容。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相同承受速率和溫度下，摻雜了3%布敦巖瀝青的彎曲應(yīng)變數(shù)值從11.51 被提升到了12.24 ，其應(yīng)變密度增長(zhǎng)率約為8%。

4 布敦巖瀝青BRA作為一種天然瀝青改性劑，具有其他改性劑無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)

4.1 抗剝離性

布敦巖瀝青中，氮元素以官能團(tuán)形式存在，這使巖瀝青與集料牢牢地吸附在一起，使其與集料的粘附性及抗剝離性得到明顯的改善。

4.2 抗車(chē)轍性

現(xiàn)如今瀝青路面的流變是道路上最常見(jiàn)的瀝青路面破損現(xiàn)象。在路面的后期養(yǎng)護(hù)維修統(tǒng)計(jì)中，約有90%是因?yàn)檐?chē)轍引起的變形破壞。試驗(yàn)證明，布敦巖瀝青改性劑能夠很好地解決目前道路瀝青路面由于大交通量、超重超載、渠化交通等引起的路面車(chē)轍深度和疲勞剪切裂紋的出現(xiàn)。

4.3 耐候性

由于表面形成致密光亮保護(hù)膜的特點(diǎn)極大地改善了瀝青的耐候性和抗紫外線能力，提高了瀝青路面的耐久性，從而延長(zhǎng)了道路的使用壽命。

4.4 抗老化、抗高溫

布敦巖瀝青本身的軟化點(diǎn)達(dá)到150℃以上，其本身極易與石油瀝青相溶，屬于瀝青基對(duì)瀝青基的摻配，優(yōu)化其抗高溫、老化性能。

4.5 經(jīng)濟(jì)效益

天然瀝青的配比是根據(jù)公路的技術(shù)設(shè)計(jì)來(lái)配比的，一噸布敦巖瀝青價(jià)格大約為2500左右，與普通石油瀝青價(jià)格相當(dāng)，在改善路用性能的情況下后期維護(hù)費(fèi)用大大減少。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，摻雜了巖瀝青的改性瀝青材料在路面性能試驗(yàn)中表現(xiàn)優(yōu)異，之所以會(huì)這樣，與巖瀝青的成分構(gòu)造密切相關(guān)。在當(dāng)今我國(guó)基礎(chǔ)工程需求強(qiáng)烈建設(shè)日新月異的情況下，改性瀝青材料必然會(huì)有巨大的用途和發(fā)展空間。從研究者的角度說(shuō)，要結(jié)合國(guó)家的發(fā)展需要，根據(jù)自己的專(zhuān)業(yè)特長(zhǎng)，挖掘新型瀝青材料的路用技術(shù)性能和最佳應(yīng)用措施，通過(guò)不斷試驗(yàn)，找到性價(jià)比最高的可行性辦法，推動(dòng)國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)取得更大的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

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