天然巖瀝青對(duì)瀝青及瀝青混合料性能的影響研究

魏國(guó)棟，張治強(qiáng)，馬巖

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)鑒定站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.呼和浩特市機(jī)械工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校）

1 引言

石油在地殼的不斷活動(dòng)中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期復(fù)雜的物理化學(xué)變化而形成了天然巖瀝青[1]，其代表產(chǎn)品位于南太平洋印度尼西亞蘇拉威西島東南部的布敦島，天然巖瀝青在我國(guó)的新疆、青海、四川等地也有豐富的儲(chǔ)量[2]。天然巖瀝青通常呈固態(tài)，由瀝青物質(zhì)和礦物質(zhì)組成[3]，經(jīng)加工成粉末狀后與普通基質(zhì)瀝青具有極好的相容性，起到增黏、增彈作用[4-7]。經(jīng)國(guó)內(nèi)外研究表明，天然巖瀝青作為一種改性劑加入到基質(zhì)瀝青中能改善瀝青混合料的抗剝離性、耐久性、抗車(chē)轍性、抗老化性能，可以防止瀝青路面病害的發(fā)生以及提高路面的服務(wù)水平，對(duì)延長(zhǎng)道路的使用壽命也起到了積極的作用。因此以天然巖瀝青為改性劑的改性瀝青由于其優(yōu)良的路用性能，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用室內(nèi)試驗(yàn)方法對(duì)不同摻量的天然巖瀝青的性能及瀝青混合料性能進(jìn)行研究，得出瀝青及瀝青混合料的性能變化規(guī)律，從而為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

2 天然巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青性能的影響

2.1 基質(zhì)瀝青及天然巖瀝青性能指標(biāo)

試驗(yàn)選用遼寧鑫源90#基質(zhì)瀝青，天然巖瀝青選用布敦巖瀝青。90#基質(zhì)瀝青試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，天然巖瀝青試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，各指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表1 90#基質(zhì)瀝青試驗(yàn)結(jié)果

表2 天然巖瀝青試驗(yàn)結(jié)果

2.2 天然巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青改性效果研究

天然巖瀝青改性基質(zhì)瀝青步驟：首先將90#基質(zhì)瀝青加熱到135℃，然后將布敦巖瀝青按規(guī)定的不同摻配比例加入到90#基質(zhì)瀝青中，充分?jǐn)嚢?0min 使天然巖瀝青均勻分散在基質(zhì)瀝青中至無(wú)顆粒物為止，其次將瀝青混合物加熱至175℃高速剪切20min，攪拌完成后將其置于175℃～180℃烘箱中發(fā)育1.5h，使之形成改性瀝青[8]。為比較基質(zhì)瀝青與改性后瀝青的性能變化，取改性后的瀝青和基質(zhì)瀝青分別進(jìn)行針入度、延度、軟化點(diǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和圖1～圖3。

圖1 不同摻量的巖瀝青與針入度的關(guān)系圖

圖2 不同摻量的巖瀝青與延度的關(guān)系圖

圖3 不同摻量的巖瀝青與軟化點(diǎn)的關(guān)系圖

表3 天然巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青改性效果

由圖1～圖3得出，基質(zhì)瀝青中摻入不同比例的天然巖瀝青后，針入度、延度降低，軟化點(diǎn)總體呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。

天然巖瀝青改性基質(zhì)瀝青后，改性瀝青的高溫性能得到了改善，并且隨著天然巖瀝青摻量的增加，瀝青的感溫性能也隨之增加。但是隨著天然巖瀝青摻量的增加，天然巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青的低溫性能影響較大。

天然巖瀝青是一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在高溫的作用下瀝青小分子具有很多活性點(diǎn)，隨著瀝青小分子的填充、包裹形成這種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，天然巖瀝青摻入基質(zhì)瀝青中使瀝青的稠度增加，針入度降低；天然巖瀝青的主要成分為灰分含量，在基質(zhì)瀝青中摻入過(guò)多的天然巖瀝青會(huì)改變?yōu)r青分子的結(jié)合能力導(dǎo)致瀝青延度大幅下降；天然巖瀝青含氮量較高，導(dǎo)致天然巖瀝青具有很好的高溫粘度，使其軟化點(diǎn)升高，改善了瀝青的高溫性能[9]。

2.3 天然巖瀝青改性瀝青對(duì)集料黏附性的影響

集料的黏附性在公路工程中是指瀝青與集料的黏附能力。黏附性等級(jí)的大小與瀝青混合料的路用性能息息相關(guān)，反映粗集料的抗水剝離能力，從而影響瀝青混凝土路面的耐久性能。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）對(duì)于最大粒徑大于13.2mm的集料應(yīng)用水煮法進(jìn)行試驗(yàn)，將預(yù)先加熱的集料浸入到145℃的瀝青中45s 后輕輕拿出，使集料顆粒完全被瀝青膜所包裹，在室溫下冷卻15min后浸煮3min，在水中觀察集料顆粒上瀝青膜的剝落程度并評(píng)定其黏附性等級(jí)[10]。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 基質(zhì)瀝青、天然巖瀝青改性瀝青與集料的黏附性對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

由表4 得出，基質(zhì)瀝青、天然巖瀝青改性瀝青與石灰?guī)r的黏附性等級(jí)最高，與玄武巖的黏附性等級(jí)居中，與花崗巖的黏附性等級(jí)最低。但天然巖瀝青改性瀝青與不同集料的黏附性更優(yōu)。黏附性與集料的性質(zhì)有關(guān)，石灰?guī)r是一種比較堅(jiān)硬的巖石，按成因分類(lèi)屬于沉積巖，主要成分是碳酸鈣（CaCO3），是一種憎水性材料；而花崗巖屬于酸性巖漿巖中的侵入巖，主要成分是長(zhǎng)石、云母和石英，是一種親水性材料。由此表明，瀝青與集料的黏附性與集料本身的性質(zhì)也有一定相關(guān)性。

3 天然巖瀝青改性瀝青混合料性能研究

選用AC-16C型瀝青混合料，經(jīng)過(guò)配合比設(shè)計(jì)確定出AC-16C型瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.8%，在基準(zhǔn)配合比確定的情況下依次加入不同摻量的天然巖瀝青來(lái)分析天然巖瀝青對(duì)瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而評(píng)價(jià)天然巖瀝青對(duì)瀝青混合料路用性能的改善效果。

3.1 不同摻量的天然巖瀝青改性瀝青混合料高溫性能的對(duì)比分析

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011），在確定的基準(zhǔn)配合比情況下分別摻入3.0%、4.0%、5.0%用量的天然巖瀝青來(lái)分析天然巖瀝青對(duì)瀝青混合料的高溫性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5和圖4。

表5 不同摻量的天然巖瀝青改性瀝青混合料高溫性能試驗(yàn)結(jié)果

圖4 不同摻量的天然巖瀝青改性瀝青混合料高溫性能關(guān)系圖

由表5、圖4 得出，在基質(zhì)瀝青中加入天然巖瀝青后，天然巖瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度顯著提高，抗變形能力增強(qiáng)，能夠在高溫作用下提高瀝青混合料的抗車(chē)轍能力[11]，且隨著天然巖瀝青摻量的增加，瀝青混合料高溫性能逐漸增大。

3.2 不同摻量的天然巖瀝青改性瀝青混合料低溫性能的對(duì)比分析

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011），在確定的基準(zhǔn)配合比情況下分別摻入3.0%、4.0%、5.0%用量的天然巖瀝青來(lái)分析天然巖瀝青對(duì)改性瀝青混合料的低溫性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6和圖5。

表6 不同摻量的天然巖瀝青改性瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)結(jié)果

圖5 不同摻量的天然巖瀝青改性瀝青混合料低溫性能關(guān)系圖

由表6、圖5 得出，在基質(zhì)瀝青中加入天然巖瀝青后，天然巖瀝青混合料低溫性能緩慢下降，且隨著天然巖瀝青摻量增加，天然巖瀝青混合料低溫性能下降趨勢(shì)更加明顯。

3.3 不同摻量的天然巖瀝青改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能的對(duì)比分析

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011），在確定的基準(zhǔn)配合比情況下分別摻入3.0%、4.0%、5.0%用量的天然巖瀝青來(lái)分析天然巖瀝青對(duì)改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7、表8、圖6和圖7。

圖7 不同摻量的天然巖瀝青改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能（劈裂強(qiáng)度）關(guān)系圖

表8 不同摻量的天然巖瀝青改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能（劈裂強(qiáng)度）試驗(yàn)結(jié)果

圖6 不同摻量的天然巖瀝青改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能關(guān)系圖

表7 不同摻量的天然巖瀝青改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能（穩(wěn)定度）試驗(yàn)結(jié)果

由表7、表8、圖6、圖7 得出，在基質(zhì)瀝青中加入天然巖瀝青對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響比較小，總體呈先上升后下降的趨勢(shì)，其原因是天然巖瀝青增加了瀝青膠結(jié)料的黏度，提升了瀝青混合料的抗水損害能力。但是隨著天然巖瀝青摻量的增加，瀝青混合料內(nèi)部的空隙率增加，導(dǎo)致瀝青混合料的水穩(wěn)定性下降[12]，總體變化幅度較低，但能滿(mǎn)足瀝青混合料對(duì)水穩(wěn)定性能的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文從天然巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青的影響以及天然巖瀝青對(duì)瀝青混合料性能的影響研究結(jié)果中得出：

①天然巖瀝青能改善基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)，且隨著天然巖瀝青摻量的增加，瀝青的感溫性能也隨之增加，針入度及延度性能下降。

②天然巖瀝青能改善基質(zhì)瀝青和集料的黏附性能。

③天然巖瀝青對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性有較好的改善作用，且隨著天然巖瀝青摻量的增加，改善效果顯著。

④天然巖瀝青會(huì)降低瀝青混合料的低溫性能，且隨著天然巖瀝青摻量增加，瀝青混合料低溫性能的下降趨勢(shì)更加明顯。因此，在使用過(guò)程中要嚴(yán)格控制天然巖瀝青的摻量，以求達(dá)到最佳的改性效果。

⑤天然巖瀝青對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響總體較小，總體呈先上升后下降的趨勢(shì)，存在最佳的摻配比例。