天然巖瀝青改性瀝青性能研究

秦 旻 (重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

陸兆峰 (重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074；重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

天然巖瀝青改性瀝青性能研究

秦 旻 (重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

陸兆峰 (重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074；重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

利用青川天然巖瀝青作改性劑，通過對(duì)不同摻量的巖瀝青改性瀝青的性能試驗(yàn)，探討了巖瀝青對(duì)瀝青流變性能的影響；根據(jù)各檢測(cè)性能指標(biāo)，從高溫、低溫和耐久性能方面，分析討論了巖瀝青作為改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青的影響行為和程度。結(jié)果表明，經(jīng)巖瀝青改性后的瀝青，其高溫性能大為提高，感溫性得到改善，抗老化能力和穩(wěn)定性有所加強(qiáng)，低溫性能有所下降，但只要適當(dāng)控制巖瀝青摻量，不是在極端的低溫條件下，其低溫性能仍能滿足路用要求。

道路工程；巖瀝青；改性瀝青；高溫性能；耐久性能

公路交通量的迅猛增長(zhǎng)和荷載特點(diǎn)的變化對(duì)瀝青混凝土路面提出了更高的要求, 改性瀝青得到了廣泛的應(yīng)用[1]。目前國內(nèi)對(duì)改性瀝青的研究，大多集中于SBS及PE等聚合物改性劑[2]。由于存在與瀝青難以相溶，導(dǎo)致生產(chǎn)聚合物改性瀝青必須使用特殊的設(shè)備以及較高的能量消耗；而且為了防止改性劑與瀝青的分層與離析，聚合物改性瀝青在運(yùn)輸和存儲(chǔ)過程中還需加熱保溫和不間斷攪拌，從而造成價(jià)格較高, 限制了其使用[3]。

天然巖瀝青作為一種自然資源，是石油類物質(zhì)在長(zhǎng)期地質(zhì)環(huán)境變化條件下，經(jīng)歷復(fù)雜物理化學(xué)變化后形成的產(chǎn)物，采用天然巖瀝青作為改性劑，就可避免通常改性瀝青存在的問題[4]。天然巖瀝青大多呈固體狀，加工成粉末后，本身極易與石油瀝青相溶，屬于瀝青基對(duì)瀝青基的摻配，與基質(zhì)瀝青具有優(yōu)良的配伍性。世界上比較著名的北美巖瀝青在美國、澳大利亞、挪威、日本等地均有廣泛使用，尤其是高溫、高應(yīng)力、橋面鋪裝、彎坡路段等，其特點(diǎn)是顯著提高瀝青的高溫穩(wěn)定性[5]。我國四川、新疆等地也有豐富的巖瀝青資源，但由于對(duì)巖瀝青路用性能與應(yīng)用技術(shù)研究的滯后，在我國公路建設(shè)中僅有嘗試[6～8]，其改性效果究竟如何，深入的研究目前尚不多見。為更好地理解巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青的改性行為和效果，筆者以國產(chǎn)青川巖瀝青作為改性劑，通過對(duì)不同摻量的巖瀝青改性瀝青指標(biāo)的檢測(cè)，探討了巖瀝青對(duì)瀝青流變性能的影響；從高溫、低溫和耐久性能方面，分析討論了巖瀝青作為改性劑的影響行為和程度，以期為國產(chǎn)巖瀝青改性劑的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

試驗(yàn)采用埃索AH-70#為基質(zhì)瀝青；巖瀝青采用四川青川巖瀝青，黑褐色，粉末狀，組分中瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量很高，總體比例約為90%，具體組分如表1所示。巖瀝青是由碳、氫、氧、氮等化學(xué)元素構(gòu)成，含有羧基、羰基、醛、萘等表面活性基團(tuán)，可增強(qiáng)瀝青的內(nèi)聚力和瀝青對(duì)集料的吸附力，使其抗流動(dòng)性、抗氧化性和抗水剝離性等獲得明顯的改善。外摻劑以巖瀝青相對(duì)基質(zhì)瀝青百分?jǐn)?shù)為摻比，分別選取2%，4%，6%，8%進(jìn)行摻配，巖瀝青改性瀝青的試驗(yàn)流程如圖1所示。對(duì)不同摻量的巖瀝青改性瀝青進(jìn)行常規(guī)性能指標(biāo)檢測(cè)和SHRP試驗(yàn)方法檢測(cè)，可獲得高低溫條件下及老化前后瀝青的針入度、勁度模量、相位角、抗車轍因子和粘度等數(shù)據(jù)。

表1 巖瀝青的物性特征

2 高溫性能

圖1 巖瀝青改性瀝青制備流程簡(jiǎn)圖

在瀝青的性質(zhì)中，影響其高溫性能的主要指標(biāo)有針入度、軟化點(diǎn)、粘度、蠟含量等。針入度愈小，結(jié)合料的黏結(jié)力愈大，抗變形能力越強(qiáng)。由于瀝青軟化點(diǎn)與車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度之間存在較好的相關(guān)關(guān)系，因此更能反映結(jié)合料的高溫抗車轍性能。圖2和圖3為軟化點(diǎn)和針入度與巖瀝青摻量關(guān)系的變化曲線。

圖2 軟化點(diǎn)與巖瀝青摻量關(guān)系 圖3 針入度與巖瀝青摻量關(guān)系

由圖2和圖3可以得出，隨著巖瀝青摻量的增加，巖瀝青改性瀝青的軟化點(diǎn)升高、針入度減小，瀝青的硬度、彈性得到增加。按照Dickie的理論，瀝青的軟化點(diǎn)由瀝青組分決定，與瀝青質(zhì)的含量成正比關(guān)系。由于巖瀝青中瀝青質(zhì)的含量較高，平均分子量大，而且還含有氧、氮、硫等較強(qiáng)的極性官能團(tuán)和多種能促進(jìn)瀝青中活性基團(tuán)(羧基、羰基、醛、萘等)交聯(lián)聚合的有機(jī)鏈，使得摻入天然巖瀝青的瀝青分子的排列方式和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(結(jié)點(diǎn)和強(qiáng)度)得以改善，增強(qiáng)了瀝青的內(nèi)聚力，使其抗流動(dòng)性、粘附性和感溫性等獲得明顯的改善。

另外，利用英國Malvern公司生產(chǎn)的Bohlin DSRⅠ動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)，對(duì)改性瀝青的高溫流變性能做了對(duì)比研究。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，按照PG分級(jí)程序進(jìn)行，主要觀察巖瀝青改性劑在不同摻量下，復(fù)數(shù)剪切摸量、相位角和抗車轍因子的變化情況，進(jìn)而驗(yàn)證巖瀝青改性劑對(duì)改性瀝青流變性能的影響，如圖4～ 6所示，改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切摸量、相位角和抗車轍因子指標(biāo)，均隨著巖瀝青改性劑摻量的變化發(fā)生了有規(guī)律的改變。同一溫度下，隨著巖瀝青摻量的增加，復(fù)數(shù)剪切摸量和抗車轍因子顯著增大，明顯高于基質(zhì)瀝青，尤為6%～8%摻量的增加最為明顯，表明加入巖瀝青后，其彈性行為和抗高溫流變性能增強(qiáng)。從相位角中也能得出相同的結(jié)論，相位角δ的減小表明瀝青中彈性分量的增加，相同的作用荷載其變形恢復(fù)增多，抗車轍能力增大。對(duì)同一瀝青而言，復(fù)數(shù)剪切模量隨著溫度的升高而降低，相位角隨著溫度的升高而增加，瀝青變軟，粘性分量增高，體現(xiàn)出彈性增強(qiáng)的趨勢(shì)。

圖4 復(fù)數(shù)剪切模量的變化 圖5 相位角的變化 圖6 抗車轍因子的變化

3 低溫性能

圖7 延度的變化

瀝青膠結(jié)料的低溫流變性能的優(yōu)劣決定著瀝青混合料的低溫抗裂性能。已有研究表明，HMA的低溫抗裂性與瀝青的5℃延度有密切關(guān)系[9]。但按照試驗(yàn)規(guī)范，對(duì)巖瀝青改性瀝青的5℃延度試驗(yàn)卻不順利，樣品在脫模或加載時(shí)容易脆斷，因此采用15℃延度變化進(jìn)行研究，如圖7所示。由圖7可知，隨著巖瀝青改性劑摻量的增加，瀝青的15℃延度呈遞減趨勢(shì)，改性后瀝青的低溫性能有所下降，因此巖瀝青的摻量應(yīng)控制在一定范圍。

同時(shí)，借鑒SHRP試驗(yàn)方法，采用美國CANNON公司的9728-V30型低溫彎曲梁流變儀，對(duì)瀝青的低溫流變性能進(jìn)行了測(cè)試。進(jìn)行低溫彎曲流變的瀝青應(yīng)是經(jīng)RTFO和PAV老化后的瀝青，要求時(shí)間60s時(shí)的蠕變勁度s≤300MPa，m值≥0.30。圖8～13所示為蠕變勁度和加載后瀝青勁度變化速率在-10℃、-16℃和-22℃溫度下的變化曲線。

圖8 原樣瀝青蠕變勁度的變化 圖9 RTFOT后瀝青蠕變勁度的變化

圖10 PAV后瀝青蠕變勁度的變化 圖11 原樣瀝青m值的變化

圖12 RTFOT后瀝青m值的變化 圖13 PAV后瀝青m值的變化

顯然，不同低溫條件下瀝青的流變特征是不同的，低溫性能與巖瀝青的摻量也密切相關(guān)。圖8～10中，瀝青的蠕變勁度隨溫度的降低而升高，而且?guī)r瀝青摻量的增加也會(huì)導(dǎo)致改性瀝青的蠕變勁度增大。圖11～13反映的是瀝青勁度變化的速率，速率越大，則說明在同一溫度下材料的低溫性能越好。無論是原樣瀝青，還是RTFOT后或PAV后的瀝青，加入巖瀝青后，勁度變化率m值比基質(zhì)瀝青小，并且隨著溫度的降低而減?。槐砻鲙r瀝青改性劑的加入使得瀝青一定程度上的變硬，松弛能力也會(huì)有所降低，容易造成材料的低溫?fù)p傷，帶來較差的抗裂性能。但在-16℃時(shí)，經(jīng)PAV老化后的巖瀝青改性瀝青的蠕變勁度模量均能滿足s≤300MPa，m值≥0.30的Superpave規(guī)范。因此，適當(dāng)控制巖瀝青摻量，只要不是極端的低溫條件，巖瀝青改性瀝青的低溫性能仍能滿足路用性能要求。

4 耐久性能

旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)和壓力老化容器(PAV)試驗(yàn)可以模擬瀝青材料短期老化和長(zhǎng)期老化過程；試驗(yàn)一方面可促使瀝青輕質(zhì)油分的揮發(fā)，另一方面使瀝青與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。采用瀝青在烘箱中加熱后的重量損失和針入度比變化來評(píng)定瀝青的抗老化性能。試驗(yàn)過程中，瀝青的質(zhì)量損失均為負(fù)值，質(zhì)量減少，說明改性瀝青中輕質(zhì)油分的揮發(fā)部分超過了氧化反應(yīng)使瀝青膠結(jié)料質(zhì)量增加的部分。巖瀝青改性瀝青的針入度比指標(biāo)變化如圖14所示。經(jīng)RTFO后和PAV后的瀝青膠結(jié)料，其針入度比隨著巖瀝青摻量增加而不斷增加，巖瀝青改性劑可以改善瀝青膠結(jié)料的抗老化性能。

另外，巖瀝青是經(jīng)過上億年的地質(zhì)作用以及與空氣、水接觸，長(zhǎng)期老化后形成的產(chǎn)物，其中的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量較大(見表1)，穩(wěn)定基團(tuán)較多，蠟含量極低，具有很強(qiáng)的抗微生物侵蝕作用，并可在自由表面形成致密光亮的保護(hù)膜。故而將其摻入基質(zhì)瀝青后，必然可降低材料整體對(duì)光、熱、空氣的反應(yīng)活性和石蠟對(duì)瀝青的危害，改善基質(zhì)瀝青抗氧化性和抗紫外線能力，從而提高改性瀝青的抗老化性能。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著巖瀝青摻量的增大，巖瀝青改性瀝青的粘度越來越大，這一點(diǎn)可用巖瀝青改性瀝青樣品的Brookfild旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)結(jié)果加以說明，見圖15。改性后瀝青粘度的升高，使瀝青及瀝青混合料的流動(dòng)變形和彈-塑性性質(zhì)發(fā)生改變，在荷載作用下產(chǎn)生的剪切變形小，彈性恢復(fù)能力好，殘留的永久性塑性變形小，有助于提高瀝青混合料的路用性能。

圖14 針入度比的變化 圖15 粘度的變化

5 結(jié) 語

由于天然巖瀝青經(jīng)受了大自然長(zhǎng)期惡劣環(huán)境的錘煉，以其作為改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，能顯著提高瀝青及瀝青混合料的高溫性能，改善基質(zhì)瀝青的抗變形能力、抗老化性能和穩(wěn)定性，降低瀝青的溫度敏感性。同時(shí)，采用這種改性劑進(jìn)行改性，可以避免目前SBS改性瀝青在制作和貯存過程中出現(xiàn)的配伍性和穩(wěn)定性等問題。因此，天然巖瀝青是一種良好的瀝青改性劑，用其對(duì)石油瀝青改性，可降低工程造價(jià), 改善瀝青路面使用性能，延長(zhǎng)瀝青路面服務(wù)壽命, 具有較高的研究和推廣價(jià)值。

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[編輯] 易國華

U414; U416.217

A

1673-1409(2009)01-N095-04

2008-12-01

重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目(CSTS 2006AB6014)。

秦旻(1981-)，女，2002年大學(xué)畢業(yè)，博士生，現(xiàn)主要從事筑路材料及其改性技術(shù)方面的研究工作。