巖瀝青在道路工程中的應(yīng)用研究

李立群

（唐山市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，河北 唐山 063000）

1 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和提高，越來(lái)越多的高等級(jí)公路將被建成并投入使用，目前我國(guó)高速公路的通車(chē)?yán)锍桃呀?jīng)超過(guò)4萬(wàn)公里。在這些高等級(jí)公路的路面結(jié)構(gòu)中，95%以上的路面采用了瀝青路面。另一方面城市道路中也多數(shù)采用瀝青路面。

使用一年以上的高速公路，不管采用半剛路面、還是柔性路面，路面都不同程度的產(chǎn)生了車(chē)轍。在瀝青路面的各種破壞現(xiàn)象中，車(chē)轍問(wèn)題尤其重要，它除影響行車(chē)舒適外，還對(duì)交通安全有直接影響，例如在變換車(chē)道時(shí)操作困難，車(chē)轍積水及高速行車(chē)水漂或結(jié)冰，在氣候條件惡劣時(shí)制動(dòng)困難。尤其是在2003年與2004年的夏季高溫中，我國(guó)許多省份的多條高速公路都出現(xiàn)大面積的嚴(yán)重車(chē)轍，江西省的梨溫高速、浙江省的金麗溫、山東的京福高速濟(jì)泰段、福建省及江蘇省的一些高速都出現(xiàn)了比較重的車(chē)轍，嚴(yán)重影響了行車(chē)舒適及交通安全。

2 天然巖瀝青

天然巖瀝青是一種黑棕色的固體，天然的巖瀝青形狀類(lèi)似塊煤，密度在1.0左右。軟化點(diǎn)較高大約在230攝氏度以上，含氮量較高接近2%，含蠟量極低。巖瀝青屬硬質(zhì)瀝青，是天然瀝青的一種。天然瀝青是石油在自然界長(zhǎng)期受地殼擠壓并與空氣、水接觸逐漸變化而形成的，以天然形態(tài)存在的石油瀝青，其中場(chǎng)混有一定比例的礦物質(zhì)。按形成的環(huán)境可分為湖瀝青、巖瀝青、海底瀝青、油頁(yè)巖等。巖瀝青是石油不斷地從地殼中冒出，存在于山體、巖石裂隙中蒸發(fā)凝固而形成的一中天然瀝青。由于巖瀝青產(chǎn)生于巖石裂隙中，所受的壓力與溫度條件比其他天然瀝青高，所以聚合程度很高，分子量很大，軟化點(diǎn)較高。

將天然巖瀝青加入普通的石油瀝青中，由于溫度與小分子溶劑的共同作用，使得天然巖瀝青這些分子量很大的膠束破裂，而破裂的膠束上暴露出的許多活性點(diǎn)立刻被普通瀝青中的小分子物質(zhì)所填充、飽和，形成一種全新的組合，最終形成以天然巖瀝青大膠束分子為中心，普通瀝青小分子填充、包圍的新的方式。實(shí)質(zhì)上是在普通瀝青中加入了大量的非自發(fā)核心物質(zhì)，這個(gè)核心的分子量較普通瀝青分子量大，對(duì)原基質(zhì)瀝青一小分子量的瀝青質(zhì)為核心的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，其改造程度的大小取決于加入瀝青分子量的大小及氮、氧、硫側(cè)鏈的數(shù)量多少。分子量越大，活性越高，則這種改造程度就明顯，得到的改性瀝青技術(shù)性能也就愈優(yōu)越。

3 巖改性瀝青混合料的改性機(jī)理

對(duì)于瀝青混合料的強(qiáng)度形成理論有表面理論和膠漿理論，表面理論認(rèn)為瀝青混合料是由礦質(zhì)骨架和瀝青組成，瀝青分布在礦質(zhì)骨架表面，將礦質(zhì)骨架膠結(jié)成為具有強(qiáng)度的整體。膠漿理論則認(rèn)為瀝青混合料是一種高級(jí)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分散系，瀝青砂漿則以細(xì)集料為分散相，分散在瀝青膠漿中，瀝青膠漿又以填料為分散相分散在瀝青介質(zhì)中，這三級(jí)分散相系以瀝青膠漿最為重要，它的組成結(jié)構(gòu)決定了瀝青混合料的高低溫性能。

表面理論根據(jù)混合料礦質(zhì)骨架的特點(diǎn)把瀝青混合料分為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)、骨架空隙結(jié)構(gòu)及骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。認(rèn)為摩阻角在提高混合料的高溫穩(wěn)定性方面起著重要作用，凝聚力則在抗剪切、抗彎拉等荷載作用中發(fā)揮較大影響。摩阻角的大小主要由礦質(zhì)集料結(jié)構(gòu)決定，凝聚力則主要受瀝青的粘度和瀝青與礦料的相互作用影響。

膠漿理論認(rèn)為瀝青混合料的強(qiáng)度主要來(lái)自與瀝青膠漿分散介質(zhì)。瀝青膠漿分散介質(zhì)的組成決定了混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂、抗變形能力。因此膠漿理論更加重視瀝青的稠度和瀝青與礦粉的相互作用，而粗集料等分散相對(duì)混合料的強(qiáng)度影響，是通過(guò)其數(shù)量的增減改變了分散介質(zhì)的模量表現(xiàn)出來(lái)的。

按照兩種不同的理論，在解決瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的缺陷時(shí)，表面理論重在加強(qiáng)礦質(zhì)的集料的粗集料骨架作用，而膠漿理論則把重點(diǎn)放在瀝青稠度，增加礦料用量上，他們的目的都是為了增強(qiáng)混合料的抗剪切破壞強(qiáng)度。

而巖瀝青中碳、氫、氧、氮、硫的含量較高，幾乎每個(gè)瀝青質(zhì)大分子中都含有上述元素的極性官能團(tuán)，使其在巖石表面產(chǎn)生強(qiáng)吸附性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明其吸附自由能及其在硅酸巖、石英巖、石灰?guī)r、高嶺石和硅鋁酸巖表面的吸附能量都比普通瀝青膠質(zhì)高出數(shù)倍，同時(shí)巖瀝青還含有多種能促進(jìn)石油瀝青中的活性基團(tuán)(梭基、揣基、醛、茶等)交聯(lián)聚合的有機(jī)鏈，使得摻入巖瀝青的石油瀝青分子的排列方式和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(節(jié)點(diǎn)和強(qiáng)度)得到了改善，較大的增強(qiáng)了瀝青內(nèi)聚力。

4 巖改性瀝青混合料的路用性能

4.1 瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性

把基質(zhì)瀝青混合料與巖改性瀝青混合料都采用相同的礦質(zhì)材料及級(jí)配（AC-20），分別在150攝氏度和165攝氏度的條件下采用輪碾法成型車(chē)轍板試件，試件尺寸為300mm*300mm*50mm，輪胎接觸壓力為0.7Mpa，行走距離為23cm，速度42次/min,試驗(yàn)溫度為60攝氏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示:巖瀝青改性瀝青車(chē)轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)

?

從上表可以看出，經(jīng)過(guò)天然巖瀝青改性后，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有了大幅度提高，也就是說(shuō)，普通瀝青經(jīng)過(guò)改性后，其抗高溫性能得到了較好地改善，能夠在瀝青混合料承受高溫及重型荷載作用的同時(shí)，具有良好的穩(wěn)定性能，防止瀝青路面產(chǎn)生變形。

4.2 瀝青混合料的低溫性能

基質(zhì)瀝青混合料與巖改性瀝青混合料都采用相同的礦質(zhì)材料及級(jí)配(AC-20),彎曲試件采用小梁試件，試件尺寸寬為30mm，高為35mm，長(zhǎng)為250mm,加載速率為 50mm/min，試驗(yàn)溫度為-10攝氏度，基質(zhì)瀝青與巖改性瀝青(不同摻加量)的彎曲破壞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)下表:

彎曲破壞試驗(yàn)結(jié)果

由上表可知，基質(zhì)瀝青加入巖瀝青后，不會(huì)影響瀝青混合料的低溫性能，且有所提高。

5 巖改性瀝青運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)要求

瀝青混合料的運(yùn)輸車(chē)必須加蓋篷布或其它保溫材料，以最短的時(shí)間裝車(chē)運(yùn)至攤鋪機(jī)前斜料，防止結(jié)合料表面結(jié)硬，為確保攤鋪連續(xù)以及平整度大小符合技術(shù)規(guī)范要求，必須保證攤鋪機(jī)前至少兩輛車(chē)等待卸料，決不能出現(xiàn)攤鋪機(jī)等車(chē)的現(xiàn)象。其余要求應(yīng)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的技術(shù)要求。

6 巖改性瀝青攤鋪的技術(shù)要求

天然巖瀝青改性瀝青混合料在攤鋪時(shí)應(yīng)盡量連續(xù)不斷的施工，以減少攤鋪機(jī)和壓路機(jī)的停頓，提高面層平整度。為提高路面的平整度，表面層應(yīng)采用非接觸式平衡梁攤鋪厚度控制方式。天然巖瀝青改性瀝青混合料在高溫狀態(tài)下主要是靠粗集料的嵌擠作用，可適當(dāng)提高夯錘振搗頻率，使剩余壓實(shí)系數(shù)減少，初壓的痕跡也極小，進(jìn)而確保路面的最終平整度。其余要求應(yīng)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的技術(shù)要求。

7 總結(jié)

由于瀝青路面高溫穩(wěn)定性不足出現(xiàn)的車(chē)轍不僅影響行車(chē)的舒適性和快速性，而且影響行車(chē)安全。瀝青混合料的高溫性能受到諸多因素的影響，這些因素涉及到材料、設(shè)計(jì)、施工及氣候、荷載等方面。顯然改善瀝青混合料的高溫性能應(yīng)針對(duì)這些因素采取相應(yīng)的措施，巖瀝青是一種適于推廣的改善瀝青路面高溫穩(wěn)定性的材料。

[1]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防，人民交通出版社，2001.

[2]詹百萬(wàn).巖瀝青添加劑路用性能的試驗(yàn)研究，山西建筑，2007.

[3]姜言泉，穆明浩.天然巖瀝青在京福高速公路維修中的應(yīng)用，中國(guó)公路，2002.