布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能分析

吳源鋒，廖 軍，黃晚清，馮文凱，曹明明

(1.榮縣交通運(yùn)輸局，四川 榮縣 643100；2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059；3.四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

目前，瀝青混凝土路面的車(chē)轍、坑槽等病害屢見(jiàn)不鮮，此類(lèi)病害不僅產(chǎn)生在路面的表面層，也時(shí)常發(fā)生在中面層，修復(fù)起來(lái)較為困難，且維修成本較高[1].對(duì)此，科技人員開(kāi)發(fā)出了許多性能優(yōu)良的改性瀝青，以防治瀝青路面的病害.從瀝青的改性方式來(lái)看，主要分為高分子聚合物改性和天然瀝青改性.高分子聚合物改性瀝青主要有： 廢橡膠粉、SBS、SBR、PE改性瀝青等.天然瀝青改性瀝青主要有： 巖瀝青改性瀝青與布敦巖瀝青改性瀝青.高分子聚合物SBS改性瀝青以其優(yōu)良的高溫性能被廣泛使用于各類(lèi)道路工程領(lǐng)域，但SBS改性瀝青也有許多缺點(diǎn)，如易分層離析，對(duì)拌和設(shè)備要求較高.巖瀝青是石油在自然條件下生成的一種巖與瀝青共混物，相關(guān)研究表明，其巖石礦物主要為呈堿性的CaCO3[2-3].布敦巖瀝青改性瀝青是一種天然的瀝青改性劑，因其對(duì)基質(zhì)瀝青優(yōu)良的改性性能，倍受道路工程領(lǐng)域青睞[4-9].本研究基于布敦巖瀝青的微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分，對(duì)布敦巖瀝青改性瀝青進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，分析探討了布敦巖瀝青改性瀝青的高溫性能.

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

本研究選用的瀝青材料為布敦巖瀝青，基質(zhì)瀝青為70#A級(jí)道路石油瀝青，試驗(yàn)材料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求[10-11]，具體如表1、表2所示.

表1 布敦巖瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 布敦巖瀝青改性瀝青的制備

選取布敦巖瀝青和70#基質(zhì)瀝青在實(shí)驗(yàn)室制備布敦巖瀝青改性瀝青.其中，布敦巖瀝青的摻量(布敦巖瀝青與70#基質(zhì)瀝青的質(zhì)量比)分別為0.0%，10.0%，20.0%，30.0%，40.0%，50.0%，60.0%.

布敦巖瀝青改性瀝青的制備方法為：將70#基質(zhì)瀝青放入烘箱中加熱至180 ℃，按照設(shè)計(jì)比例稱(chēng)取一定質(zhì)量的布敦巖瀝青，加入到70#基質(zhì)瀝青中，并用玻璃棒攪拌均勻，采用轉(zhuǎn)速為4 500 r/min的剪切機(jī)剪切、擠壓30 min.剪切過(guò)程中確保瀝青溫度維持在180 ℃[10].

1.3 試驗(yàn)方案

本研究利用掃描電鏡(SEM)觀察布敦巖瀝青及其巖石礦物的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，并對(duì)布敦巖瀝青中巖石礦物進(jìn)行X射線衍射試驗(yàn)(XRD)分析其組成成分.通過(guò)對(duì)布敦巖瀝青改性瀝青進(jìn)行常規(guī)性能試驗(yàn)、Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)以及動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)分析其高溫性能.

2 布敦巖瀝青的特性分析

2.1 布敦巖瀝青微觀形態(tài)分析

利用日立S-3000N型掃描電子顯微鏡，觀察布敦巖瀝青及其巖石礦物的微觀形態(tài)，結(jié)果見(jiàn)圖1.

圖1布敦巖瀝青的電鏡掃描圖像

由圖1(a)可知，較大的布敦巖瀝青顆粒是由較小的顆粒組成的，圖中的黑色物質(zhì)為巖石礦物表面黏附的瀝青，表明布敦巖瀝青是“瀝青—礦物"的共混物.圖1(b)顯示，布敦巖瀝青的巖石礦物表面凹凸不平，非常粗糙，為多空隙結(jié)構(gòu)，且孔隙非常發(fā)達(dá)，深及巖石礦物內(nèi)部.

2.2 布敦巖瀝青巖石礦物成分分析

為研究布敦巖瀝青中巖石礦物質(zhì)的成分，采用DX-2700型X射線衍射儀對(duì)布敦巖瀝青中的巖石礦物進(jìn)行了測(cè)試.試驗(yàn)掃描方式為步進(jìn)掃描，掃描范圍為，2θ=5°～50°，步寬為，2θ=0.040°，其XRD衍射圖譜如圖2所示.

圖2布敦巖瀝青XRD衍射圖譜

由圖2可知，布敦巖瀝青中巖石礦物主要成分為CaCO3，表明布敦巖瀝青中巖石礦物呈堿性.此表明，試驗(yàn)制得的布敦巖瀝青改性瀝青也呈堿性，這使得瀝青與集料之間的黏附性和抗剝離性能得到顯著增強(qiáng).

3 布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能研究

3.1 布敦巖瀝青改性瀝青的軟化點(diǎn)試驗(yàn)

軟化點(diǎn)(TR & B)是反映瀝青高溫穩(wěn)定性的一個(gè)指標(biāo)[12].本研究對(duì)各摻量布敦巖瀝青改性瀝青進(jìn)行了軟化點(diǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 布敦巖瀝青改性瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，布敦巖瀝青改性瀝青軟化點(diǎn)明顯高于70#基質(zhì)瀝青，表明布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，且隨著布敦巖瀝青摻量的增加，改進(jìn)瀝青的高溫性能將進(jìn)一步增強(qiáng).

3.2 布敦巖瀝青改性瀝青當(dāng)量軟化點(diǎn)

研究表明，采用環(huán)球法測(cè)蠟含量較高的瀝青軟化點(diǎn)，其結(jié)果往往比真實(shí)值偏高.當(dāng)量軟化點(diǎn)(T800)定義為與瀝青針入度值為800時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度，可認(rèn)為用當(dāng)量軟化點(diǎn)代替軟化點(diǎn)表示瀝青高溫性能，既發(fā)揮了環(huán)球法軟化點(diǎn)的功能，又克服了蠟的影響[13].因此，本研究對(duì)不同摻量布敦巖瀝青改性瀝青進(jìn)行針入度試驗(yàn)，獲取試驗(yàn)溫度分別15 ℃、25 ℃、30 ℃的針入度值，并計(jì)算出各摻量布敦巖瀝青改性瀝青當(dāng)量軟化點(diǎn)，結(jié)果如表4所示.

表4 布敦巖瀝青改性瀝青當(dāng)量軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，布敦巖瀝青改性瀝青當(dāng)量軟化點(diǎn)明顯高于70#基質(zhì)瀝青，表明布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，且隨著布敦巖瀝青摻量的增加，改性瀝青的高溫性能將進(jìn)一步增強(qiáng).

3.3 布敦巖瀝青改性瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)

本研究使用Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度儀測(cè)量各摻量布敦巖瀝青改性瀝青的135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度.Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)方法按照相關(guān)規(guī)范[14]執(zhí)行，對(duì)每份摻量布敦巖瀝青改性瀝青均做3組平行試驗(yàn)，然后取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.

表5 布敦巖瀝青改性瀝青135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度

由表5可知，當(dāng)布敦巖瀝青摻量分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%時(shí)，改性瀝青黏度分別是70#基質(zhì)瀝青(布敦巖瀝青摻量為0%)黏度的100.51%、130.90%、185.91%、309.75%、338.74%、386.08%，表明布敦巖瀝青改性瀝青的高溫抗車(chē)轍性能明顯優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青.

3.4 布敦巖瀝青改性瀝青動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

3.4.1 車(chē)轍因子G*/sinδ.

車(chē)轍因子(G*/sinδ)是評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的指標(biāo)，通過(guò)對(duì)瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)來(lái)獲得，其值越大表示瀝青高溫抗車(chē)轍性能越好.復(fù)數(shù)剪切模量(G*)是材料重復(fù)剪切變形時(shí)總阻力的度量，是剪應(yīng)力最大值與剪應(yīng)變最大值之比τmax/γmax，它包括兩部分：彈性(可恢復(fù))部分和黏性(不可恢復(fù))部分.相位角(δ)是彈性和黏性變形數(shù)量的相對(duì)指標(biāo)，δ越小，表明材料越接近于彈性體.本研究使用美國(guó)TA公司的AR-1500ex型動(dòng)態(tài)剪切流變儀，依據(jù)AASHTO T315規(guī)范對(duì)原樣布敦巖瀝青改性瀝青以及旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化(RTFOT)后的布敦巖瀝青改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)[15]，獲取車(chē)轍因子G*/sinδ以及相位角δ.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3，其中圖3(a)、圖3(b)分別表示原樣布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨試驗(yàn)溫度變化的趨勢(shì)圖，圖3(c)、圖3(d)分別表示RTFOT老化后的布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨試驗(yàn)溫度變化的趨勢(shì)圖.

由圖3可知，RTFOT老化前后，70#基質(zhì)瀝青(布敦巖瀝青摻量為0%)的G*/sinδ明顯小于其余各摻量布敦巖瀝青改性瀝青，而其δ明顯大于其余各摻量布敦巖瀝青改性瀝青，表明布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能明顯優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青.RTFOT老化前后，各摻量布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ均隨著試驗(yàn)溫度的升高而減小，而其δ均隨著試驗(yàn)溫度的升高而增大，表明其黏性變形的比例在增加，即抗永久變形能力在下降，高溫抗車(chē)轍能力在降低.各摻量布敦巖瀝青改性瀝青的G*/sinδ隨試驗(yàn)溫度的升高呈現(xiàn)指數(shù)減小，且相關(guān)性系數(shù)較高，即G*/sinδ=AeBx，式中x為試驗(yàn)溫度，A、B為回歸系數(shù)，具體見(jiàn)表6.

圖3 RTFOT老化前后布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨溫度的變化

表6 布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ隨試驗(yàn)溫度變化的回歸系數(shù)A，B

為進(jìn)一步分析布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ及δ與布敦巖瀝青摻量的關(guān)系，現(xiàn)將RTFOT老化前后的布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ及δ隨布敦巖瀝青摻量的變化繪制圖4，圖4(a)、圖4(b)分別表示原樣布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨布敦巖瀝青摻量的變化，圖4(c)、圖4(d)分別表示RTFOT老化后布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨布敦巖瀝青摻量的變化.

由圖4可知，試驗(yàn)溫度相同時(shí)，RTFOT老化前后的布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ均隨著布敦巖瀝青摻量的增加而增加，而其δ均隨著布敦巖瀝青摻量的增加而減小，表明其黏性變形的比例逐漸減小，抗永久變形能力逐漸增強(qiáng)，即高溫抗車(chē)轍能力逐漸增強(qiáng).試驗(yàn)溫度相同時(shí)，布敦巖瀝青改性瀝青的G*/sinδ隨著布敦巖瀝青摻量的增加呈線性增加，且相關(guān)性系數(shù)較高，即G*/sinδ=Ax+B，式中x為布敦巖瀝青摻量，A、B為回歸系數(shù)，具體見(jiàn)表7.

圖4 RTFOT老化前后布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨摻量的變化

表7 布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ隨布敦巖瀝青摻量變化的回歸系數(shù)A，B

由表7可知，隨著試驗(yàn)溫度的提高，改變布敦巖瀝青摻量對(duì)瀝青G*/sinδ變化的影響程度在降低，也就是對(duì)瀝青高溫抗車(chē)轍能力的影響程度在降低.

3.4.2 等車(chē)轍因子臨界溫度TG*/sinδ.

相關(guān)研究表明，根據(jù)車(chē)轍因子和溫度之間的規(guī)律，預(yù)估車(chē)轍因子達(dá)到Superpave規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值(原樣1.0 kPa，RTFOT 2.2 kPa)時(shí)的溫度[16].本試驗(yàn)中的7種布敦巖瀝青摻量的布敦巖瀝青改性瀝青等車(chē)轍因子臨界溫度TG*/sinδ如圖5所示.

由圖5可知，布敦巖瀝青改性瀝青等車(chē)轍因子臨界溫度TG*/sinδ隨著布敦巖瀝青摻量的增加呈線性增加，且相關(guān)性系數(shù)較高，表明瀝青由于布敦巖瀝青的摻入，其高溫性能明顯增強(qiáng)，且布敦巖瀝青摻量越高的改性瀝青較70#基質(zhì)瀝青高溫性能越強(qiáng).

圖5布敦巖瀝青改性瀝青的TG*/sinδ隨布敦巖瀝青摻量的變化

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析得出以下結(jié)論：

1)布敦巖瀝青是“瀝青—礦物"共混物，其巖石礦物表面凹凸不平，為多空隙結(jié)構(gòu)，主要成分為CaCO3.

2)瀝青的軟化點(diǎn)、當(dāng)量軟化點(diǎn)、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度值、G*/sinδ、TG*/sinδ等指標(biāo)均表明布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能明顯優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，且布敦巖瀝青摻量越高，高溫性能越好.

3)RTFOT老化前后的布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ與試驗(yàn)溫度之間呈現(xiàn)較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，與布敦巖瀝青摻量之間呈現(xiàn)較好的線性函數(shù)關(guān)系；布敦巖瀝青改性瀝青的等車(chē)轍因子臨界溫度TG*/sinδ與布敦巖瀝青摻量之間呈現(xiàn)較好的線性函數(shù)關(guān)系.

4)試驗(yàn)溫度較低時(shí)，布敦巖瀝青摻量的變化對(duì)布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能的影響更為顯著.