委內(nèi)瑞拉巖瀝青(VRA)改性劑性能評價

高聞靖， 聶憶華， 歐亞軍， 徐利鑫， 宋小金

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 湘潭 411201； 2.中大檢測(湖南)股份有公司， 湖南 長沙 410205)

天然巖瀝青在世界范圍內(nèi)分布廣、品種多，在瀝青混合料中可替代部分石油瀝青、細(xì)集料和礦粉并具有改性作用[1]，對混合料高溫穩(wěn)定、抗水損能力和耐久性等有良好的改善作用，故在瀝青路面工程中得到越來越多的應(yīng)用[2]。國外對巖瀝青研究較早，研究發(fā)現(xiàn)巖瀝青具有極為穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，耐久性也較好[3]；國內(nèi)對于天然瀝青研究起步較晚，目前對北美巖瀝青、印尼布敦巖瀝青、湖瀝青等研究較多，委內(nèi)瑞拉巖瀝青(Venezuela rock asphalt，簡稱為VRA)產(chǎn)于南美洲委內(nèi)瑞拉奧利諾科河流域，是一種批量開采時間不長的巖瀝青，相關(guān)研究和應(yīng)用甚少[4]。不同產(chǎn)地巖瀝青的組成成分、比例、性質(zhì)及其改性效果差異較大。在實際工程應(yīng)用推廣前，對新型巖瀝青自身性能進行全面深入研究，有助于研制高質(zhì)量的巖瀝青改性瀝青。本文通過室內(nèi)試驗對VRA巖瀝青改性劑的物理、化學(xué)等性能從宏觀、微觀進行全面研究，并與基質(zhì)瀝青摻配，研究VRA改性瀝青的技術(shù)性能及最佳摻配量。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

試驗所用基質(zhì)瀝青為中石化“東海牌”A-70#道路石油瀝青，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[5]對其性能進行試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 A-70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)項目針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm延度(15 ℃,5 cm/min)/cm 軟化點T/℃135 ℃瀝青旋轉(zhuǎn)黏度/mPa·s試驗結(jié)果66.2≥15051.5455技術(shù)要求60～80≮100≮45.0/試驗方法T 0604T 0605T 0606T 0625

試驗所用VRA改性劑產(chǎn)于南美洲委內(nèi)瑞拉奧利諾科河流域。在開采過程中，經(jīng)粗加工將巖瀝青搗碎后研磨成黑色粉末，如圖1。

圖1 VRA原材料粉末

1.2 VRA性能測試方法

對粉末狀VRA進行常規(guī)物理特性實驗，檢測密度、含水率、溶解度等性能，并對其進行灰分試驗以研究純?yōu)r青含量。采用X射線衍射分析儀(X-ray diffraction，簡稱XRD)[6]測試VRA的內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)。

1.3 VRA改性瀝青制備工藝

結(jié)合規(guī)程[5]的規(guī)定制備VRA改性瀝青。本文采用的制備工藝為：制備溫度145 ℃、發(fā)育時間40 min、剪切時間30 min、剪切速率4 000 r/min。

1.4 VRA改性瀝青技術(shù)性能試驗方法

參考已有巖瀝青摻配研究成果，選取0%、4%、8%、12%、16%和20%等6種VRA摻量制作VRA改性瀝青。根據(jù)規(guī)程[5]測試不同摻量VRA改性瀝青的25 ℃針入度、軟化點、15 ℃延度、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、離析與集料黏附性等，綜合評價VRA改性瀝青的技術(shù)性能及最佳摻配量。

2 VRA試驗結(jié)果分析

2.1 VRA的物理特性

VRA試驗所得相關(guān)物理特性見表2。

表2 VRA物理特性試驗結(jié)果項目密度(25 ℃) /(g·cm-3)含水率/%溶解度(三氯乙烯)/ %以下篩孔(mm)通過率/%4.75 2.361.18試驗結(jié)果1.3850.4695.5710010093.8試驗方法T 0603T 0612T 0607T 0351

由表2可知：VRA巖瀝青的密度較A-70#基質(zhì)瀝青略大。與大部分天然瀝青性質(zhì)一樣，經(jīng)過長期地質(zhì)作用，天然瀝青中的油分等輕物質(zhì)揮發(fā)、礦物質(zhì)顆粒鑲嵌其中，導(dǎo)致其密度稍大于基質(zhì)瀝青。

VRA瀝青溶解度試驗值為95.57%，不溶物為VRA礦粉顆粒，占4.43%；同時對比瀝青灰分結(jié)果可知，VRA經(jīng)過燃燒后的殘留物為5.39%，近似于溶解度試驗結(jié)果。2種方法結(jié)果均表明VRA中純?yōu)r青含量較高，占95%以上，與其他天然瀝青相比，VRA是一種瀝青含量相對較高的巖瀝青，表3為幾種常見天然瀝青純?yōu)r青含量。

通過對VRA粉末進行篩分，得到VRA顆粒級配，1.18 mm以上篩孔通過率接近95%，與礦粉級配相似，表明加工研磨后的VRA可作為一種礦粉直接對瀝青混合料進行改性。

表3 幾種天然瀝青純?yōu)r青含量材料名稱純?yōu)r青含量占比/%委內(nèi)瑞拉巖瀝青(VRA)90～95布敦巖瀝青(BRA)20～30阿爾巴尼亞巖瀝青(ARA)70～85特立尼達湖瀝青(TLA)60～70青川巖瀝青80～90新疆巖瀝青95～99

2.2 VRA的XRD衍射特性

采用X射線粉末衍射儀(D8-Advance)測試、Jade軟件分析礦物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)，得到VRA粉末的XRD衍射圖譜，如圖2所示。

圖2 VRA粉末的XRD衍射圖譜

由圖2可知，X射線粉末衍射圖在26.6°、29.4°位置處出現(xiàn)較強衍射峰，說明VRA中存在SiO2和CaCO3；在31.7°、35.9°位置處出現(xiàn)衍射峰，說明VRA中存在CaS和Ca(OH)2；在40.8°、48.5°等位置處出現(xiàn)衍射峰，說明VRA中存在CaSO4。由此可知，VRA礦物質(zhì)中主要化學(xué)成分為CaSO4、CaS、SiO2，并含有少量的Ca(OH)2和CaCO3，推斷礦物雜質(zhì)主要是由云母、石英、方解石及硫酸鹽類物質(zhì)組成。由于礦物質(zhì)中CaCO3呈堿性，且CaSO4是石膏的主要成分，故VRA作為改性劑時可提高瀝青與集料的黏附性，進而提高瀝青混合料抗剝落能力。

3 VRA改性瀝青技術(shù)性能

表4為不同摻量VRA改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果。圖3為不同摻量下VRA改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)變化規(guī)律圖。

由表4、圖3可知：

1) VRA改性瀝青針入度隨VRA摻量增加呈指數(shù)關(guān)系減少，說明VRA改性劑的加入可有效增加基質(zhì)瀝青的硬度、黏度，提高基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗變形能力。

2) VRA改性瀝青135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度值隨VRA摻量增加呈指數(shù)關(guān)系上升，且增長速率越來越快。當(dāng)VRA摻量大于16%時，135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度不滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[7]中不宜大于3 000 Pa·s的規(guī)定。瀝青黏度越大，其瀝青路面抗剪切能力越強，施工難度越大，故VRA摻量不宜大于16%。

表4 不同摻量VRA改性瀝青的技術(shù)性能VRA摻量/%25 ℃針入度值/0.1 mm軟化點/℃15 ℃延度/cm135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度/mPa·s離析軟化點差均值/℃黏附性等級066.251.5>150.04450.14447.256.132.76550.25833.261.77.71 1500.651226.165.96.81 8601.341620.571.73.23 1501.832015.678.11.75 3232.23

圖3 不同摻量下的VRA改性瀝青技術(shù)指標(biāo)變化圖

3) VRA改性瀝青軟化點隨VRA摻量呈線性關(guān)系增加，表明摻入VRA后，夏季溫度較高時可避免瀝青路面變軟，可有效改善基質(zhì)瀝青高溫抗車轍能力。

4) VRA改性瀝青延度隨VRA摻量增加呈指數(shù)關(guān)系下降，當(dāng)VRA摻量高于8%時，延度值均低于8 cm，且隨摻量增加趨近于0。

5) 同聚合物改性瀝青一樣，VRA改性瀝青會產(chǎn)生不同程度的離析。離析軟化點差值隨VRA摻量增加呈線性增加，說明VRA摻量越大、離析越大。所選摻量范圍內(nèi)其離析軟化點差值最大為2.2 ℃，滿足改性瀝青離析軟化點差值不超過2.5 ℃的規(guī)范要求[7]， VRA改性劑與基質(zhì)瀝青相融性滿足要求。

6) VRA改性瀝青黏附性等級隨VRA摻量增加先升后降，4%～8%VRA改性瀝青黏附性等級提高到5級，表明黏附能力最佳；當(dāng)VRA摻量為8%～20%時，VRA改性瀝青黏附等級隨VRA摻量的增加而有所下降。

4 結(jié)論

1) VRA改性劑為一種黑色粉末，密度為1.385 g/cm3，顆粒級配與礦粉相似，純?yōu)r青含量約占95%，是一種瀝青含量較高的巖瀝青。

2) VRA改性劑礦物質(zhì)化學(xué)成分由SiO2、CaCO3和CaSO4及少量的CaS和Ca(OH)2組成，其主要物質(zhì)為云母、石英、方解石及硫酸鹽類，礦物質(zhì)顯堿性，可較好提高基質(zhì)瀝青的抗水損能力及其黏附性。

3) 隨VRA摻量增加，VRA改性瀝青針入度與延度呈指數(shù)減少、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度值呈指數(shù)上升、軟化點與離析軟化點差值呈線性關(guān)系增加、與集料黏附等級呈凸型拋物線變化，綜合分析4%～8%VRA改性瀝青技術(shù)性能指標(biāo)較好，是一種較優(yōu)質(zhì)的巖瀝青改性瀝青材料。