歐洲巖瀝青改性瀝青結合料使用性能試驗研究

曾夢瀾+趙宇+潘浩志+孟繼軍

摘 要：為探討歐洲巖瀝青改性瀝青結合料使用性能的影響，在25%范圍內對不同摻量的巖瀝青改性瀝青結合料進行實驗室試驗，并通過試驗結果分析了基質瀝青和改性瀝青結合料的針入度、針入度指數(shù)、當量軟化點、當量脆點、軟化點、延度、黏度、RTFOT老化后的質量損失、殘留針入度比和瀝青老化指數(shù)等技術參數(shù).試驗結果與分析表明，隨著巖瀝青摻量的增加，巖瀝青改性瀝青結合料的高溫性能、感溫性能、可使用溫度范圍和抗老化性能得到明顯改善.然而，隨著巖瀝青摻量的增加，巖瀝青改性瀝青結合料的低溫性能與延度有所下降，有必要通過瀝青混合料試驗進一步評價巖瀝青改性瀝青的使用性能，尤其是低溫特性.

關鍵詞：試驗；巖瀝青；改性瀝青；使用性能

中圖分類號：U416.217 文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）05-0125-06

Abstract：In order to explore the performance of European rock asphalt modified asphalt binder， laboratory tests on asphalt binder modified by different contents within 25% of the rock asphalt were carried out. On the basis of the test results， the properties of the modified asphalt binder such as penetration， penetration index， equivalent softening point， equivalent fracture point， softening point， ductility， viscosity， mass loss after RTFOT aging， retained penetration， and aging index were presented and analyzed. The test results and analyses indicated that the high-temperature behavior， temperature susceptibility， applicable temperature range， and aging resistance of rock asphalt modified asphalt binder were improved considerably as the rock asphalt content increased. However， the low temperature behavior and ductility of the rock asphalt modified asphalt binder were deteriorated by the increased rock asphalt content. Therefore， additional tests on the asphalt mixture are needed to evaluate the performance of the rock asphalt modified asphalt binder， particularly for low temperature behavior.

Key words：experiments；rock asphalt； modified asphalt； performance

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，道路交通量日益增多，車輛軸載不斷加重，對瀝青的使用性能要求越來越高.為了改善瀝青的使用性能，近些年來天然瀝青作為改性劑改性石油瀝青受到國內外的廣泛重視并得到了一定的推廣[1].目前我國所應用的天然瀝青主要有北美巖瀝青、特立尼達湖瀝青、布敦巖瀝青等，國產的天然瀝青主要有青川巖瀝青等[2].

歐洲巖瀝青是一種天然巖瀝青，產自歐洲東南部巴爾干半島.將其挖掘、機械粉碎后成為較細的顆粒，外觀呈黑色；瀝青質含量高，達到40%～60%.巖瀝青軟化點高、含氮量高、抗老化性能強，具有優(yōu)良的路用性能[3].歐洲巖瀝青在國外應用較為廣泛，然而國內對其研究較少，在一定程度上限制了其推廣和應用.

為了更好地了解歐洲巖瀝青對基質瀝青的改性效果，本文以巖瀝青作為改性劑，按不同比例摻入基質瀝青中制成巖瀝青改性瀝青結合料，并對不同摻量的巖瀝青改性瀝青進行實驗室試驗，分析不同摻量巖瀝青改性瀝青的溫度敏感性、高溫性能和低溫性能，為歐洲巖瀝青在工程中的應用提供理論依據(jù).

1 試驗材料

基質瀝青采用70號A級道路石油瀝青，基質瀝青、巖瀝青的技術性能指標[4-5]和試驗結果分別見表1和表2.由于規(guī)范中暫無歐洲巖瀝青標準，表2中列出了青川巖瀝青標準.根據(jù)表1和表2中的試驗結果，本研究中試驗用原材料均滿足試驗規(guī)范的技術要求.

2 實驗室試驗

2.1 改性瀝青的制備

將基質瀝青加熱到150 ℃，按照預定的摻配比例摻入巖瀝青，邊加邊攪拌，以使巖瀝青與基質瀝青混合均勻，然后放入150～160 ℃的烘箱中，發(fā)育1 h之后取出，在150～160 ℃的溫度下用高速剪切儀以3 000 r/min的轉速剪切1 h.當在攪拌過程中可以觀察到瀝青質地均勻，冷卻后呈光滑的鏡面時，即制得巖瀝青改性瀝青.本研究設定巖瀝青摻量為基質瀝青的5%，10%，15%，20%和25%.對于基質瀝青也采用與改性瀝青相同的加工過程，得到零摻量試樣.

2.2 改性瀝青的性能測試

針入度、軟化點、延度、黏度和老化試驗按JTGE 20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行[6].其中針入度試驗方法采用T 0604—2011“瀝青針入度試驗”；軟化點試驗方法采用T 0606—2011“瀝青軟化點試驗（環(huán)球法）”；延度試驗方法采用T 0605—2011“瀝青延度試驗”；黏度試驗方法采用T 0625—2011“瀝青旋轉黏度試驗（布洛克菲爾德黏度計法）”；老化試驗方法采用T 0610—2011“瀝青旋轉薄膜加熱試驗”.

3 試驗結果分析

3.1 針入度試驗結果

針入度是我國選擇瀝青標號的重要依據(jù)，針入度的大小反映瀝青的軟硬程度及稠度大小，對瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性有重要的影響.不同摻量巖瀝青改性基質瀝青的針入度見圖1.

從圖1可以看出，同一溫度下，不同摻量巖瀝青改性瀝青的針入度均低于基質瀝青，且瀝青材料的針入度隨著巖瀝青摻量的增加而逐漸減小.以 25 ℃為例進行分析，巖瀝青摻量為5%，10%，15%，20%和25%時改性瀝青的針入度與基質瀝青相比分別下降了12.0%，21.6%，28.1%，38.7%，49.5%.說明巖瀝青的摻入提高了基質瀝青的稠度，改善了瀝青抵抗變形的能力.另外，當巖瀝青摻量為25%時，改性瀝青針入度為35.3（0.1 mm），其瀝青標號為30號.按JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》[4]要求，30號瀝青僅適用于瀝青穩(wěn)定基層.

針入度指數(shù)PI值是常用的瀝青感溫性能評價指標[7]，通常認為，PI值越大，瀝青的溫度敏感性越低[8].瀝青的針入度指數(shù)PI值可按式（1）和式（2）共同確定.將5 ℃，15 ℃和25 ℃ 3個不同溫度下的針入度按式（2）進行直線回歸，得到的針入度溫度指數(shù)AlgPen，代入式（1）計算，即可得針入度指數(shù)PI的值[6].

不同摻量巖瀝青改性瀝青的針入度指數(shù)PI值見圖2.從圖中可以看出，巖瀝青改性瀝青的PI值均高于基質瀝青，且隨著巖瀝青摻量的增加，PI整體呈增加的趨勢.當巖瀝青摻量從0%增加到25%時，PI值由-1.10增加到-0.64，且當摻量大于10%時，PI值增量明顯.說明巖瀝青的摻入減小了改性瀝青的溫度敏感性，也就是說溫度對改性瀝青性能的影響減小，改性瀝青的感溫性能得到顯著改善.

當量軟化點T800是瀝青的針入度為800（0.1 mm）時所對應的溫度，可用來表示瀝青的高溫性能.當量軟化點T800可按式（3）進行計算，其中AlgPen和K分別為式（2）回歸得到的參數(shù)[6].

不同摻量巖瀝青改性瀝青的當量軟化點T800見圖3.從圖3可以看出，巖瀝青改性瀝青當量軟化點T800的值呈上升趨勢，且當巖瀝青摻量大于10%時，當量軟化點增加的幅度不斷增大.這說明巖瀝青的摻入可以改善基質瀝青的高溫性能，且隨著巖瀝青摻量的增加，高溫性能的改善更加顯著.

瀝青在低溫條件下容易產生脆性破壞，當量脆點T1.2是針入度為1.2（0.1 mm）時所對應的溫度，可作為瀝青結合料的低溫抗開裂性能評價指標.當量脆點T1.2按式（4）進行計算，其中AlgPen和K分別為式（2）回歸得到的參數(shù)[6].

不同摻量巖瀝青改性瀝青的當量脆點T1.2見圖4.從圖4可以看出，隨巖瀝青的摻量增加，巖瀝青改性瀝青當量脆點T1.2增大，這說明巖瀝青改性瀝青的低溫性能有所下降.另外，當巖瀝青摻量在0%～10%范圍內時，巖瀝青摻量每增加5%，T1.2平均升高0.9 ℃；當巖瀝青摻量在10%～20%范圍內時，巖瀝青摻量每增加5%，T1.2平均升高0.4 ℃；當巖瀝青摻量在20%～25%范圍內時，T1.2升高0.8 ℃.說明當摻量為10%～20%時，巖瀝青對基質瀝青低溫性能的影響相對較低.

另外，本研究采用當量軟化點T800與當量脆點T1.2的差值，即T800-T1.2的值來評價改性瀝青的可使用溫度范圍與巖瀝青摻量的關系.分析結果見圖5.從圖5中可以看出，改性瀝青的可使用溫度范圍隨巖瀝青摻量的增加呈增大趨勢.這說明與對高溫性能的改善相比，巖瀝青的摻入對瀝青低溫性能不利影響相對較?。灰舱f明與基質瀝青相比，巖瀝青改性瀝青的可使用溫度范圍有所擴大.

3.2 軟化點試驗結果

不同摻量巖瀝青對基質瀝青軟化點的影響見圖6.從圖6中可以看出，巖瀝青的摻入可顯著地提高基質瀝青的軟化點，軟化點隨著巖瀝青摻量的增加而不斷增大，且軟化點的變化規(guī)律和當量軟化點T800類似.這說明巖瀝青的摻入提高了基質瀝青的高溫抗變形能力，改善了基質瀝青的高溫穩(wěn)定性，且?guī)r瀝青改性瀝青的高溫性能隨巖瀝青摻量的增加而不斷增強，當巖瀝青摻量大于10%時其對基質瀝青的改善效果更為明顯；另外，軟化點和當量軟化點T800這兩個指標的相關性較好，兩者均可以反映巖瀝青改性瀝青的高溫性能，且對瀝青性能的評價結果一致.

3.3 延度試驗結果

本研究中，對巖瀝青改性瀝青進行15 ℃和10 ℃兩種溫度的延度試驗.其中，基質瀝青在15 ℃和10 ℃時延度值均超過100 cm，而摻量為5%～25%的巖瀝青改性瀝青試驗結果見圖7.從圖7可以看出，巖瀝青的摻入使瀝青的延度大幅下降，且延度隨著巖瀝青摻量的增加而降低.當巖瀝青摻量較小時，延度下降速度較快，當摻量超過10%時，下降速度趨于平緩.這說明巖瀝青摻量的增加使改性瀝青的低溫性能逐漸降低，而當摻量超過10%時巖瀝青的摻量對瀝青低溫性能的影響較小.

另外，本研究中延度下降的一個主要原因是巖瀝青中含有大量的礦物質顆粒，當試件被拉伸到一定的長度時，礦物質顆粒會產生應力集中的現(xiàn)象，直接影響試驗結果.故瀝青低溫性能不能僅通過延度試驗進行評價，本研究推薦結合改性瀝青混合料的性能試驗對瀝青低溫性能進行綜合評價[9].

3.4 黏度試驗結果

瀝青的黏性是瀝青在荷載的作用下抵抗流動變形的能力，其大小通常用黏度表示[10]，瀝青的黏度可較真實地反映路面在高溫條件下的使用情況[11].瀝青黏度越大，其在荷載作用下產生的剪切變形越小，彈性恢復能力越好，殘留的永久性塑性變形越小，說明抵抗車轍的能力越強[12-13].另外，JTG F 40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》[4]要求，在溫度為135 ℃時改性瀝青的黏度不能超過3 Pa·s.試驗結果見圖8.

從圖8可以看出，當試驗溫度相同時，巖瀝青改性瀝青的黏度隨巖瀝青摻量的增加而增大，當摻量大于10%時增幅較大.以135 ℃黏度為例，巖瀝青摻量為10%，15%，20%和25%的改性瀝青，其黏度分別為基質瀝青的174%，199%，234%，298%.試驗結果表明，巖瀝青改性瀝青在荷載作用下產生的剪切變形小，彈性恢復能力好，抗車轍能力強.同時，5%～25%摻量的巖瀝青改性瀝青的135 ℃黏度值均未超過3 Pa·s，滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》的要求.

3.5 老化試驗結果

RTFOT老化是一種短期老化方式，反映了瀝青在拌合裝置中的性質變化.本研究通過比較瀝青RTFOT老化前后物理性能的變化，對巖瀝青改性瀝青的抗老化性能進行分析和評價.

RTFO試驗后改性瀝青的質量變化見圖9.從圖9可以看出，巖瀝青摻量越大，瀝青的質量損失越大.然而，由于巖瀝青中含有大量的礦物質成分和揮發(fā)性物質，這是造成質量損失的關鍵因素，直接影響試驗的結果[14].所以當巖瀝青摻量增加時，瀝青的質量損失增大并不能表明瀝青的抗老化性能降低.

巖瀝青改性瀝青25 ℃時的殘留針入度比見圖10.從圖10可以看出，巖瀝青摻量越大，瀝青的殘留針入度比越大.這說明隨著巖瀝青摻量的增加，瀝青的抗老化性能得到了不斷改善[6].當巖瀝青摻量超過10%時，殘留針入度比的增量明顯，巖瀝青對基質瀝青抗老化性能的改善更為顯著.

瀝青老化前后黏度的變化可以反映瀝青的抗老化性能，通常用瀝青老化指數(shù)C表示.故瀝青的老化指數(shù)C可以作為其抗老化性能的指標，其計算公式見式（5）[6].

巖瀝青改性瀝青的瀝青老化指數(shù)見圖11.從圖11可以看出，巖瀝青摻量越大，瀝青的瀝青老化指數(shù)越小.這說明隨著巖瀝青摻量的增加，瀝青的抗老化性能得到改善.

4 結 論

本研究通過實驗室瀝青針入度試驗、軟化點試驗、延度試驗、黏度試驗和RTFO老化試驗，采用針入度、針入度指數(shù)、當量軟化點、當量脆點、軟化點、延度、黏度、老化后的質量損失、殘留針入度比和瀝青老化指數(shù)作為指標，在25%摻量范圍內，評價了不同摻量的歐洲巖瀝青改性瀝青結合料的高溫性能、低溫性能、感溫性能和老化性能.試驗結果和分析可以得出以下結論：

1）巖瀝青改性瀝青的針入度隨著巖瀝青摻量的增加而降低，而軟化點和當量軟化點T800則隨巖瀝青摻量的增加而升高.說明巖瀝青的摻入可以提高基質瀝青的高溫穩(wěn)定性及抗變形能力，即巖瀝青可以改善基質瀝青的高溫性能.

2）巖瀝青改性瀝青的延度隨著巖瀝青摻量的增加而降低，而當量脆點T1.2則隨巖瀝青摻量的增加而升高.說明巖瀝青的摻入使基質瀝青的低溫抗裂性能有所減弱，即巖瀝青對基質瀝青的低溫性能存在不利影響.然而，改性瀝青的可使用溫度范圍隨巖瀝青摻量的增加呈增大趨勢.說明與對高溫性能的改善相比，巖瀝青的摻入對瀝青低溫性能的不利影響相對較小.

3）針入度指數(shù)PI值隨著巖瀝青摻量的增加而增大，說明巖瀝青改性瀝青的溫度敏感性較基質瀝青小，且隨巖瀝青摻量的增加，改性瀝青的溫度敏感性逐漸減小，即巖瀝青可顯著地改善基質瀝青的感溫性能.

4）瀝青黏度隨著巖瀝青摻量的增加而增大，說明隨著巖瀝青摻量的增加，改性瀝青在荷載作用下產生的剪切變形減小，彈性恢復能力變好，抗車轍能力增強.135 ℃黏度值滿足Superpave瀝青結合料規(guī)范不大于3 Pa·s的要求.

5）隨著巖瀝青摻量的增加，改性瀝青老化前后的殘留針入度比不斷增大，瀝青老化指數(shù)減小.說明巖瀝青的摻入可改善基質瀝青的抗老化性能.

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