布敦巖瀝青技術(shù)要求及試驗(yàn)方法探討

吳忠青

[上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司，上海市 200433]

0 引言

對(duì)天然巖瀝青，我國(guó)交通運(yùn)輸部和部分省市制定了標(biāo)準(zhǔn)[1-9]。目前，我國(guó)在道路工程中應(yīng)用的巖瀝青主要有印尼布敦巖瀝青（buton rock asphalt，BRA；buton mastic asphalt，BMA）、北美巖瀝青（gilsonite）、伊朗巖瀝青、新疆巖瀝青、青川巖瀝青等[1-9]。其中，應(yīng)用最為廣泛的是BRA。BRA 產(chǎn)于印度尼西亞布敦島，是瀝青與礦物質(zhì)受長(zhǎng)期的海底沉積、承受壓力和地質(zhì)變動(dòng)形成的產(chǎn)物。經(jīng)加工后為黑褐色粉末，瀝青含量為20%左右，其余為礦物質(zhì)。BRA 可作為瀝青改性劑，摻到瀝青混合料中，能改善瀝青混合料的高溫性能等，在我國(guó)應(yīng)用已逾20 a。為了BRA 的推廣應(yīng)用，交通運(yùn)輸部和部分省市頒布了產(chǎn)品或應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[1-5，7-9]，對(duì)BRA 產(chǎn)品及瀝青混合料的技術(shù)要求作了規(guī)定，包括瀝青含量、在三氯乙烯中的溶解度和灰分含量等試驗(yàn)項(xiàng)目。

在上海，過(guò)去10 余年，筆者有幸負(fù)責(zé)或參與了多個(gè)重要道路項(xiàng)目的BRA 瀝青混合料的試驗(yàn)、生產(chǎn)和施工工作，如2012年的S6 公路、2014年的嘉閔高架、2016年的上海繞城高速和2021年的S7 公路等。BRA 主要用于道路下面層AC-25C 和中面層AC-20C 瀝青混合料。通過(guò)對(duì)多年、多種來(lái)源和多生產(chǎn)商的BRA 的試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)發(fā)現(xiàn)，上述已頒布標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)BRA 的技術(shù)要求存在不合理之處，可能會(huì)導(dǎo)致廣泛使用的典型BRA 產(chǎn)品無(wú)法得到驗(yàn)收。另外，我國(guó)尚未專門(mén)制定BRA 的試驗(yàn)方法。當(dāng)按現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程[10]中的石油瀝青或熱拌瀝青混合料的試驗(yàn)方法對(duì)BRA 進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，存在不適用的情況。本文主要分析了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中BRA 的瀝青含量、在三氯乙烯中的溶解度、灰分含量這些關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目技術(shù)要求和試驗(yàn)方法的有待商榷之處，并提出建議，以期與同行探討，可供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范修編時(shí)參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中技術(shù)要求存在的問(wèn)題和建議

目前已頒布的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)BRA 的瀝青含量、溶解度、灰分含量、表觀密度、含水率、顆粒級(jí)配、灰分顆粒級(jí)配、閃點(diǎn)、薄膜加熱質(zhì)量變化等多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目作了規(guī)定[8]。已知，BRA 中的瀝青含量對(duì)混合料配合比的影響至關(guān)重要，當(dāng)其中的瀝青含量較高時(shí)，在混合料中的摻量可適當(dāng)降低；當(dāng)瀝青含量較低時(shí)，摻量則需適當(dāng)提高。因此，本文主要對(duì)最關(guān)鍵的瀝青含量、溶解度、灰分含量試驗(yàn)項(xiàng)目的技術(shù)要求的合理性和試驗(yàn)方法的可行性進(jìn)行討論。首先，需要了解BRA 的物理化學(xué)特性。

1.1 BRA 的物理化學(xué)特性

BRA 與熱拌瀝青混合料、BRA 中的瀝青與道路石油瀝青相比，主要具有如下顯著區(qū)別：

（1）與熱拌瀝青混合料相比，瀝青含量高。瀝青含量在20%左右，其余80%為礦物質(zhì)。對(duì)于熱拌瀝青混合料，上面層AC-13C 混合料，典型瀝青用量為4.8%～5.2%；中面層AC-20C 混合料，典型瀝青用量為4.1%～4.4%；下面層AC-25C 混合料，典型瀝青含量為3.6%～4.2%?？梢?jiàn)，BRA 中的瀝青含量遠(yuǎn)高于熱拌瀝青混合料的瀝青含量。

（2）礦料粒徑小。成品BRA 為黑褐色粉末，礦料粒徑小，主要集中在2.36 mm 以下[1-4]，且0.075 mm以下顆粒含量高。而熱拌瀝青混合料的礦料是由各規(guī)格粗集料、細(xì)集料和填料按一定配合比混合而成，礦料粒徑覆蓋范圍非常大，集料公稱最大粒徑大，如AC-25C 瀝青混合料，粒徑范圍為0.075～26.5 mm，填料（通常稱礦粉，即小于0.075 mm 的顆粒）的比例僅為3%～7%[11]。

（3）礦料與瀝青的結(jié)合力強(qiáng)。熱拌瀝青混合料是將黏稠石油瀝青和各規(guī)格粗集料、細(xì)集料和填料經(jīng)機(jī)械設(shè)備拌和而成，而B(niǎo)RA 中瀝青與礦料經(jīng)地殼沉積，二者吸附能力極強(qiáng)，遠(yuǎn)大于熱拌瀝青混合料中的瀝青與礦料的結(jié)合力。

（4）BRA 中的瀝青與道路石油瀝青的四組分比例明顯不同。四組分即將瀝青組分分為瀝青質(zhì)、飽和分、芳香分和膠質(zhì)[10]。典型道路石油瀝青的瀝青質(zhì)含量為10%左右，BRA 中的瀝青質(zhì)含量遠(yuǎn)高于此值，如文獻(xiàn)[12]的報(bào)道值為34.33%，文獻(xiàn)[13]的報(bào)道值為44.3%。

（5）BRA 的溶解度低。道路石油瀝青的溶解度不小于99.5%[11]，而B(niǎo)RA 含有80%左右的礦物質(zhì)，因此，其溶解度遠(yuǎn)小于道路石油瀝青的溶解度。

由上述分析可知，BRA 的物理化學(xué)特性既不同于道路石油瀝青，也不同于熱拌瀝青混合料。因此，當(dāng)采用測(cè)定瀝青混合料的瀝青含量方法（T0722 離心分離法或T0735 燃燒爐法）來(lái)測(cè)定BRA 的瀝青含量，或者采用測(cè)定瀝青溶解度的方法（T 0614）來(lái)測(cè)定BRA 的溶解度時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不適用性，甚至錯(cuò)誤的試驗(yàn)結(jié)果[14]。

1.2 技術(shù)要求的合理性與試驗(yàn)方法的可行性分析

1.2.1 技術(shù)要求與試驗(yàn)方法

如表1 所示，不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)BRA 的瀝青含量、在三氯乙烯中的溶解度和灰分含量的技術(shù)要求及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法不盡相同。需要注意的是，試驗(yàn)名稱雖相同，但試驗(yàn)方法和條件不同，試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)不同，結(jié)果不具備可比性。

表1 瀝青含量、溶解度和灰分含量技術(shù)要求及試驗(yàn)方法

1.2.2 瀝青含量試驗(yàn)

對(duì)BRA 的瀝青含量試驗(yàn)，目前尚無(wú)專門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)方法。DB 11/T 1169—2015、DB 13/T 2511—2017 和DB 41/T 1466—2017 參照瀝青混合料的T0722 離心分離法或T0735 燃燒爐法進(jìn)行試驗(yàn)。DBJ/CT 085—2010 采用瀝青的T0607 溶解度法結(jié)果代替瀝青含量。已有文獻(xiàn)[14]表明，由于前文所述BRA 的物理化學(xué)特性，T0722、T0735 和T0607 并不能完全適用，具體討論如下：

（1）采用瀝青混合料的T0722 離心分離法時(shí)，因BRA 的瀝青含量遠(yuǎn)高于熱拌瀝青混合料的瀝青含量，且瀝青與礦料的結(jié)合能力強(qiáng)，需耗用更多的三氯乙烯溶劑方能完成試驗(yàn)。BRA 的礦物成分占80%左右，且顆粒粒徑小，經(jīng)抽提后，大量礦粉會(huì)泄漏到抽提液中，抽提液中的礦粉含量遠(yuǎn)大于瀝青混合料經(jīng)抽提試驗(yàn)后泄漏的礦粉含量。因此，對(duì)抽提液煅燒折算礦粉質(zhì)量時(shí)，會(huì)存在較大誤差，最終導(dǎo)致BRA 的瀝青含量計(jì)算產(chǎn)生較大誤差[14]。

（2）采用瀝青混合料的T0735 燃燒爐法時(shí)，按規(guī)程設(shè)定燃燒溫度（538±5）℃時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)BRA 存在煅燒不徹底現(xiàn)象。這主要是因?yàn)锽RA 的瀝青含量遠(yuǎn)高于瀝青混合料的瀝青含量，且瀝青與礦物之間的結(jié)合力強(qiáng)，不易被完全煅燒干凈?？梢?jiàn)，此方法并不能適用于BRA 的瀝青含量試驗(yàn)。另外，BRA 的瀝青含量高，燃燒試驗(yàn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的瀝青煙氣，污染環(huán)境。

1.2.3 溶解度試驗(yàn)

上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范采用溶解度試驗(yàn)的目的主要是通過(guò)溶解度結(jié)果來(lái)表示BRA 中的瀝青含量。DB 13/T 2511—2017 規(guī)定溶解度不小于18%；DB 34/T 2323—2015 規(guī)定溶解度大于25%；DBJ/CT 085—2010 規(guī)定溶解度不小于22%。這與實(shí)際情況相符，該項(xiàng)技術(shù)要求合理。但采用瀝青的T0607 溶解度法對(duì)BRA 進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不能完全適用的情況。T0607 的適用范圍是道路石油瀝青、聚合物改性瀝青、液體石油瀝青或乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的溶解度。這些瀝青的溶解度均在97.5%以上[11]，即不溶解成分是極少的。當(dāng)按T0607 試驗(yàn)方法時(shí)，BRA 中的礦物成分極易堵塞濾紙濾孔，過(guò)濾速度變得非常緩慢，需添加大量三氯乙烯清洗方可完成試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間大大延長(zhǎng)[14]，揮發(fā)的三氯乙烯也會(huì)污染環(huán)境。

1.2.4 灰分含量試驗(yàn)

按試驗(yàn)規(guī)程[12]的規(guī)定，T0614 瀝青灰分含量試驗(yàn)方法適用于測(cè)定石油瀝青、巖瀝青、湖瀝青等材料的灰分含量。采用高溫爐，煅燒溫度為（900±10）℃，煅燒至殘留物無(wú)黑色為止。除DB 34/T 2323—2015 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定灰分含量試驗(yàn)是按瀝青混合料的T0735 燃燒爐法，且煅燒溫度是（482±5）℃外，上述其余標(biāo)準(zhǔn)采用的均是瀝青的T0614 方法。

雖然T0614 的適用范圍涵蓋了巖瀝青，但不同類型巖瀝青的瀝青含量[1，2，5-7]和礦物成分存在較大區(qū)別。BRA 的礦物成分主要是CaCO3，其次是SiO2、CaSO4[13-16]，其他成分Ca（Fe，Mg）（CO3）2含量較低[14]。在900℃煅燒條件下，CaCO3分解生成CaO 和CO2，BRA 中的瀝青煙氣和CO2均逸出?？梢?jiàn)，煅燒質(zhì)量損失不可認(rèn)為是瀝青質(zhì)量損失，煅燒后剩余的灰分殘?jiān)膊皇荁RA 中原有礦物成分，其質(zhì)量明顯小于BRA 中原有礦物質(zhì)量?？梢?jiàn)，上述標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)BRA 的灰分含量技術(shù)要求規(guī)定值明顯偏大。如表1 所示，JT/T 880.5—2014 規(guī)定灰分含量不大于80%，并不能代表瀝青含量不小于20%；DB 11/T 1169—2015規(guī)定灰分含量為40%～75%，并不能代表瀝青含量為25%～60%。

實(shí)際上，T0614 未采用AASHTO T 111-11 標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵條款。該標(biāo)準(zhǔn)的6.3 條規(guī)定，當(dāng)瀝青材料含有碳酸鹽時(shí)，應(yīng)對(duì)經(jīng)馬弗爐煅燒后的灰分殘?jiān)砑樱∟H4）2CO3溶液，然后再對(duì)殘?jiān)冢?00±10）℃的條件下烘干處理[17]。顯然，該條款的主要目的是恢復(fù)和補(bǔ)償因CaCO3分解逸出CO2氣體造成的質(zhì)量損失。對(duì)殘?jiān)砑覰H4HCO3或（NH4）2CO3溶液時(shí)，溶液中的水與CaO 反應(yīng)生成Ca（OH）2，Ca（OH）2與NH4HCO3或（NH4）2CO3反應(yīng)生產(chǎn)CaCO3，NH3氣體和H2O 逸出，在100℃烘干過(guò)程中，多余的NH4HCO3或（NH4）2CO3完全分解成氣體逸出，不增加反應(yīng)殘留物殘?jiān)馁|(zhì)量。按這種試驗(yàn)方法獲得的灰分含量可計(jì)算出瀝青含量。上述反應(yīng)過(guò)程可描述為：

DB 34/T 2323—2015 雖規(guī)定灰分含量試驗(yàn)是按T0735 燃燒爐法執(zhí)行，且是在（482±5）℃條件下連續(xù)燃燒3 min，試樣質(zhì)量每分鐘損失率小于0.01%時(shí)，停止燃燒，獲得固體殘留物。但前文已述，該溫度條件和試驗(yàn)時(shí)間遠(yuǎn)不能將BRA 中的瀝青完全煅燒干凈，盡管CaCO3未分解，但根本不能獲得正確的灰分結(jié)果。

文獻(xiàn)[14]報(bào)道，固體瀝青特立尼達(dá)湖瀝青（Trinidad Lake Asphalt, TLA）的礦物成分主要是SiO2、云母、Fe2O3，碳酸鹽含量很低，煅燒中因碳酸鹽分解貢獻(xiàn)的質(zhì)量損失很小。質(zhì)量損失主要是由瀝青成分和少量其他有機(jī)物貢獻(xiàn)。900℃煅燒條件下的灰分含量試驗(yàn)中的質(zhì)量損失基本可以代表瀝青含量。可見(jiàn)，固體瀝青灰分含量試驗(yàn)中的質(zhì)量損失是否能代表瀝青含量，取決于礦物成分的組成和性質(zhì)。

2 實(shí) 例

采用北京天和嘉業(yè)商貿(mào)有限公司提供的BRA樣品，經(jīng)50℃烘干去除水分后，對(duì)同一樣品，分別進(jìn)行了如下試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。

試驗(yàn)1：取BRA 每份約2 g，按T0607 進(jìn)行溶解度試驗(yàn)，此結(jié)果可視為BRA 的瀝青含量。

試驗(yàn)2：取BRA 每份約5 g，按T0614 進(jìn)行灰分含量試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為900℃。計(jì)算BRA 在此試驗(yàn)條件下的灰分含量和質(zhì)量損失。

試驗(yàn)3：對(duì)試驗(yàn)2 中獲得的灰分殘?jiān)?，添加足夠的濃度?0%的NH4HCO3溶液使得灰分殘?jiān)磻?yīng)完全，然后在（105±5）℃條件下烘干至恒重，計(jì)算BRA 在此試驗(yàn)條件下的修正灰分含量和質(zhì)量損失。

試驗(yàn)4：取BRA 每份約200 g，按T0735 燃燒爐法，482℃（規(guī)程規(guī)定的煅燒溫度下限） 條件下煅燒4 h 以上，計(jì)算BRA 在此試驗(yàn)條件下的瀝青含量。

試驗(yàn)5：對(duì)試驗(yàn)4 獲得的灰分殘?jiān)僭?38℃（規(guī)程規(guī)定的煅燒溫度上限）條件下煅燒4 h 以上，計(jì)算BRA 在此試驗(yàn)條件下的瀝青含量。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

可將表2 中的試驗(yàn)1 的溶解度24.72%視為BRA 的瀝青含量標(biāo)準(zhǔn)值。試驗(yàn)2 中，BRA 經(jīng)900 ℃煅燒后，灰分含量為53.62%，可見(jiàn)，表1 中的灰分含量技術(shù)要求不大于75%、80%或82%均明顯偏大。另外，灰分含量結(jié)果53.62%無(wú)法滿足DB 13/T 2511—2017 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的灰分含量為65%～75%的范圍。另外，也不可將質(zhì)量損失46.38%視瀝青含量。若灰分含量技術(shù)要求對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法依據(jù)T0614 執(zhí)行，那么，建議將灰分含量技術(shù)要求調(diào)整為不大于60%。試驗(yàn)3 中，對(duì)試驗(yàn)2 中獲得的灰分殘?jiān)偬砑覰H4HCO3溶液使得碳酸鹽損失的質(zhì)量得到恢復(fù)，修正的灰分含量值恢復(fù)為77.51%，即質(zhì)量損失為22.49%，與24.72%很接近。這表明采用這種方法測(cè)定BRA 的瀝青含量是可行的。且由于該方法只需數(shù)克試樣，煅燒產(chǎn)生的瀝青煙氣對(duì)環(huán)境的污染極小。對(duì)于試驗(yàn)4 和試驗(yàn)5，雖然煅燒時(shí)間已長(zhǎng)達(dá)4 h，試驗(yàn)后仍有黑褐色顆粒，但瀝青含量仍比24.72%大，說(shuō)明可能存在其他礦物成分被分解。可見(jiàn)，T 0735 燃燒爐法無(wú)論采用何種溫度，均不適用于BRA 的瀝青含量測(cè)定。本試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[14]報(bào)道的結(jié)果相一致。

表2 溶解度、不同試驗(yàn)條件下的灰分含量和瀝青含量試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述討論，得出以下結(jié)論：

（1）BRA 的物理化學(xué)特性既不同于道路石油瀝青，也不同于熱拌瀝青混合料。瀝青或?yàn)r青混合料的試驗(yàn)方法對(duì)BRA 的瀝青含量、在三氯乙烯中的溶解度、灰分含量試驗(yàn)不能完全適用。

（2）BRA 的主要礦物成分是CaCO3。在900℃煅燒條件下，CaCO3分解也會(huì)造成質(zhì)量損失。煅燒質(zhì)量損失不可認(rèn)為是瀝青質(zhì)量損失，煅燒后剩余的灰分殘?jiān)膊煌贐RA 中原有礦物成分，其質(zhì)量明顯小于BRA 中原有礦物質(zhì)量。因此，現(xiàn)行規(guī)范中的灰分含量技術(shù)要求上限明顯偏大。當(dāng)灰分含量試驗(yàn)仍按此方法執(zhí)行時(shí)，建議灰分含量技術(shù)要求調(diào)整為不大于60%。

（3）采用瀝青溶解度方法雖然能獲得BRA 的瀝青含量，但會(huì)耗用較多的三氯乙烯溶劑，且試驗(yàn)時(shí)間大大延長(zhǎng)，不能完全適用于BRA 。

（4）對(duì)BRA 經(jīng)900℃煅燒條件下的灰分殘?jiān)砑覰H4HCO3或（NH4）2CO3溶液，可使碳酸鹽的煅燒損失得到恢復(fù)和補(bǔ)償，可按這種方法獲得修正的灰分含量和瀝青含量。

（5）應(yīng)根據(jù)BRA 的物理和化學(xué)特性，制定專門(mén)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。