青川巖瀝青改性瀝青及其混合料技術(shù)性能研究

游 鵬， 楊亞平， 李瑞霞

(1.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院 河南 鄭州 450001； 2.洛陽(yáng)市公路管理局 河南 洛陽(yáng) 471000)

青川巖瀝青改性瀝青及其混合料技術(shù)性能研究

游 鵬1,2， 楊亞平1， 李瑞霞1

(1.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院 河南 鄭州 450001； 2.洛陽(yáng)市公路管理局 河南 洛陽(yáng) 471000)

為了探究青川巖瀝青對(duì)改性瀝青及其混合料性能的影響，對(duì)摻量為6%、8%、10%、12%的改性瀝青及基質(zhì)瀝青分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)，由此確定青川巖瀝青的最佳摻量，并對(duì)最佳摻量的青川巖瀝青改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)研究.結(jié)果表明：摻量為8%時(shí)，改性瀝青的綜合性能最佳；巖瀝青的添加可有效改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、水穩(wěn)定性能，但對(duì)低溫抗裂性能的影響，還需通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)研究加以驗(yàn)證.

青川巖瀝青； 流變性能； 最佳摻量； 路用性能

0 引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的迅速發(fā)展及車輛大型化、重載化、渠化現(xiàn)象的加劇，瀝青混凝土路面的早期破壞現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重[1]，這對(duì)我國(guó)瀝青混凝土路面的性能提出了更高的要求.在此背景下，SBS等聚合物改性瀝青的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不可否認(rèn)，其在大大提高瀝青路面使用壽命的同時(shí)，仍存在一系列問(wèn)題，比如：需要特殊的生產(chǎn)設(shè)備、易離析、儲(chǔ)運(yùn)不便等，這與我國(guó)大力倡導(dǎo)的“資源節(jié)約型”社會(huì)發(fā)展戰(zhàn)略相違背.如何使用新材料、新技術(shù)、新工藝來(lái)提高并保證高等級(jí)瀝青路面的路用性能與使用壽命，成為各國(guó)科研工作者責(zé)無(wú)旁貸的重任.青川巖瀝青是地殼中的石油類物質(zhì)在長(zhǎng)期地質(zhì)環(huán)境變化條件下，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理、化學(xué)變化后所形成的產(chǎn)物，瀝青質(zhì)含量高達(dá)80%～90%，軟化點(diǎn)很高，由于長(zhǎng)期與自然界共存，性質(zhì)非常穩(wěn)定.巖瀝青是石油的衍生物，與基質(zhì)瀝青配伍性良好，有研究表明[2-6]：相比于國(guó)外研究應(yīng)用較為成熟的北美巖瀝青和印尼布敦巖瀝青，青川巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青及瀝青混合料的改性效果略勝一籌.然而，國(guó)內(nèi)對(duì)青川巖瀝青的研究應(yīng)用尚處于初級(jí)階段[7]，且對(duì)其改性效果的評(píng)價(jià)尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與方法.基于此，對(duì)青川巖瀝青改性瀝青及其混合料技術(shù)性能的研究尤為必要.

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青 試驗(yàn)采用江陰生產(chǎn)的70#道路石油瀝青，經(jīng)檢驗(yàn)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)符合JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的技術(shù)要求.具體檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

1.1.2 青川巖瀝青 青川巖瀝青的性能指標(biāo)見(jiàn)表2.

1.1.3 集料 試驗(yàn)采用佛光生產(chǎn)的5檔石灰?guī)r集料，集料規(guī)格為：10～20 mm、10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm、石屑、礦粉，各項(xiàng)性能指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果滿足JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的技術(shù)要求.

1.2 青川巖瀝青改性瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青加熱至160 ℃，按預(yù)定比例分4次加入青川巖瀝青，在145～155 ℃內(nèi)進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間一般為25～30 min，使青川巖瀝青均勻分散于基質(zhì)瀝青中，再在160 ℃恒溫烘箱中保溫25～30 min.

表1 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表2 青川巖瀝青性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 瀝青流變性能試驗(yàn)研究 對(duì)基質(zhì)瀝青和摻量為6%、8%、10%、12%的青川巖瀝青改性瀝青(外摻法)分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和彎曲梁流變?cè)囼?yàn)，研究青川巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青流變性能的影響，并綜合考慮性能試驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)濟(jì)因素，推薦青川巖瀝青的最佳摻量.

1.3.2 瀝青混合料技術(shù)性能試驗(yàn)研究 對(duì)基質(zhì)瀝青混合料和最佳摻量下的青川巖瀝青改性瀝青混合料分別進(jìn)行車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)，研究青川巖瀝青對(duì)瀝青混合料路用性能的影響.

2 瀝青流變性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

分別對(duì)基質(zhì)瀝青和摻量為6%、8%、10%、12%的青川巖瀝青改性瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，以抗車轍因子G*/sinδ為指標(biāo)，評(píng)價(jià)瀝青的抵抗永久變形能力.試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，頻率取為10 rad/s.試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.由圖1可以看出：

1) 在相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)于同一試驗(yàn)溫度，抗車轍因子G*/sinδ均隨青川巖瀝青摻量的增加呈明顯遞增趨勢(shì).其中，選64 ℃與70 ℃時(shí)的抗車轍因子G*/sinδ進(jìn)行單獨(dú)分析.由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，64 ℃時(shí)，摻量為6%、8%、10%、12%改性瀝青的抗車轍因子G*/sinδ比基質(zhì)瀝青分別提高了98.43%、129.32%、212.04%、307.25%；70 ℃時(shí)，摻量為6%、8%、10%、12%改性瀝青的抗車轍因子G*/sinδ比基質(zhì)瀝青分別提高了97.83%、128.26%、209.78%、308.39%.這些數(shù)據(jù)充分說(shuō)明青川巖瀝青可以顯著改善基質(zhì)瀝青的高溫流變性.

2) 對(duì)于改性瀝青而言，64 ℃時(shí)，當(dāng)摻量由0增加到6%時(shí)，抗車轍因子G*/sinδ增加了98.43%，當(dāng)摻量由6%增加到8%時(shí)，抗車轍因子G*/sinδ增加了15.57%，當(dāng)摻量由8%增加到10%時(shí)，抗車轍因子G*/sinδ增加了36.07%，當(dāng)摻量由10%增加到12%時(shí)，抗車轍因子G*/sinδ增加了30.51%；70 ℃時(shí)，當(dāng)摻量由0增加到6%時(shí)，抗車轍因子G*/sinδ增加了97.83%，當(dāng)摻量由6%增加到8%時(shí)，抗車轍因子G*/sinδ增加了15.38%，當(dāng)摻量由8%增加到10%時(shí)，抗車轍因子G*/sinδ增加了35.71%，當(dāng)摻量由10%增加到12%時(shí)，抗車轍因子G*/sinδ增加了31.83%.這說(shuō)明隨著巖瀝青摻量的增加，抗車轍因子G*/sinδ的提高幅度逐漸趨于平緩，由此也反映出巖瀝青摻量的增加與高溫流變性的改善并不成正比關(guān)系，綜合考慮性價(jià)比，巖瀝青存在一個(gè)最佳摻量.

2.2 重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)

分別對(duì)基質(zhì)瀝青和摻量為6%、8%、10%、12%的青川巖瀝青改性瀝青進(jìn)行重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，以累積應(yīng)變?chǔ)脼橹笜?biāo)，評(píng)價(jià)瀝青的流變性能.試驗(yàn)控制應(yīng)力為120 Pa，采用加載1 s、卸載9 s的重復(fù)加卸載模式對(duì)瀝青試樣進(jìn)行100次重復(fù)循環(huán)，試驗(yàn)溫度為30 ℃、40 ℃、50 ℃.圖2～4分別為不同瀝青試樣在不同試驗(yàn)溫度下第10、20、30、40、50、60、70、80、90、100個(gè)加卸載周期的累計(jì)應(yīng)變值圖.

圖1 不同試驗(yàn)溫度下抗車轍因子G*/sin δ的試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 The change of anti-rutting factor G*/sin δ in DSR test at different temperatures

圖2 試驗(yàn)溫度為30 ℃時(shí)累計(jì)應(yīng)變?chǔ)迷诓煌有遁d周期下的變化情況Fig.2 The change of accumulative strain γ with different loading and unloading cycles at 30 ℃

圖3 試驗(yàn)溫度為40 ℃時(shí)累計(jì)應(yīng)變?chǔ)迷诓煌有遁d周期下的變化情況Fig.3 The change of accumulative strain γ with different loading and unloading cycles at 40 ℃

圖4 試驗(yàn)溫度為50 ℃時(shí)累計(jì)應(yīng)變?chǔ)迷诓煌有遁d周期下的變化情況Fig.4 The change of accumulative strain γ under different loading and unloading cycles at 50 ℃

由圖2～圖4可以看出：

1) 在相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)于不同的試驗(yàn)溫度，隨著加卸載周期的不斷增加，基質(zhì)瀝青及不同摻量(6%、8%、10%、12%)的青川巖瀝青改性瀝青的累計(jì)應(yīng)變值均呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì).

2) 對(duì)于同一試驗(yàn)溫度，在相同的加卸載周期下，青川巖瀝青改性瀝青的累積應(yīng)變值均隨巖瀝青摻量的增加而減小，且均小于基質(zhì)瀝青.就試驗(yàn)溫度為50 ℃、加卸載周期為第50次而言，摻量為6%、8%、10%、12%改性瀝青的累積應(yīng)變值分別比基質(zhì)瀝青降低了54.25%、69.95%、75.07%、97.36%，這說(shuō)明隨著青川巖瀝青摻量的增加，瀝青的抗變形能力得到顯著提高.

3) 選取試驗(yàn)溫度為40 ℃時(shí)第50次加卸載周期的累積應(yīng)變值進(jìn)行分析，當(dāng)摻量由0增加到6%時(shí)，累積應(yīng)變值降低20.59%，當(dāng)摻量由6%增加到8%時(shí)，累積應(yīng)變值降低7.52%，當(dāng)摻量由8%增加到10%時(shí)，累積應(yīng)變值僅降低2.50%；當(dāng)摻量由10%增加到12%時(shí)，累積應(yīng)變值降低3.13%.這說(shuō)明隨著巖瀝青摻量的增加，累積應(yīng)變值的降低幅度逐漸趨于平緩，由此也反映出巖瀝青摻量的增加與抗變形能力的改善并不成正比關(guān)系；此外，綜合考慮3個(gè)試驗(yàn)溫度下的累積應(yīng)變值，盡管巖瀝青摻量為12%時(shí)瀝青抗變形能力相比于摻量為10%時(shí)顯著提高，但瀝青硬度的大幅度增加對(duì)低溫性能的改善顯然是非常不利的.綜合考慮性價(jià)比，巖瀝青存在一個(gè)最佳摻量.

基于瀝青的動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果和重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果，并綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益，推薦巖瀝青的最佳摻量為8%.

3 瀝青混合料技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用AC-20C型級(jí)配，礦料級(jí)配如表3所示，最佳油石比為4.6%，設(shè)計(jì)空隙率為5%.巖瀝青采用“干法”工藝進(jìn)行摻配，摻量取為8%.

表3 瀝青混合料礦料級(jí)配

3.2 高溫穩(wěn)定性能

目前，車轍問(wèn)題是我國(guó)瀝青路面損壞最為突出的一個(gè)問(wèn)題.本文采用車轍試驗(yàn)，以動(dòng)穩(wěn)定度為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)青川巖瀝青對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響.試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，其中，J代表基質(zhì)瀝青混合料，Y代表青川巖瀝青改性瀝青混合料.

由表4可以看出：在相同的試驗(yàn)條件下，改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度明顯高于基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，就平均動(dòng)穩(wěn)定度來(lái)說(shuō)，摻加8%青川巖瀝青的改性瀝青混合料比基質(zhì)瀝青混合料提高44.63%.這說(shuō)明青川巖瀝青的摻加提高了瀝青混合料抗永久變形的能力，從而有效地改善了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.

表4 瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果

Tab.4 The results of asphalt mixture rutting test

試件編號(hào)變形量d1/mm變形量d2/mm動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)平均動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)J-11.7811.9534090J-21.6921.8364375J-31.6931.83743754280Y-11.0421.1426300Y-21.0061.1125943Y-31.0431.14363016181

青川巖瀝青對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的改善作用可作如下解釋[8-10]：

1) 青川巖瀝青中的瀝青質(zhì)含量和膠質(zhì)含量遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青，改性后瀝青膠團(tuán)的極性增強(qiáng)，使膠體結(jié)構(gòu)由溶膠型逐步向溶凝膠型和凝膠型轉(zhuǎn)變，瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性增強(qiáng)，高溫流變性得到改善.

2) 天然巖瀝青的相對(duì)分子質(zhì)量較大，當(dāng)其在高溫及小分子包圍作用下，易造成天然巖瀝青大膠束的破裂，使其暴露出更多活性點(diǎn)，而這些活性點(diǎn)將與混合料中的小分子物質(zhì)結(jié)合形成“半聚合”作用，這不僅增強(qiáng)了青川巖瀝青與基質(zhì)瀝青的相容性，而且增加了瀝青膠漿與集料之間的黏附性，進(jìn)而提高了瀝青混合料的整體性.

3.3 水穩(wěn)定性能

水損害是瀝青路面的主要病害之一，本文采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，分別以殘留穩(wěn)定度MS0與凍融劈裂強(qiáng)度比TSR為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)青川巖瀝青對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5、表6.

由表5及表6可以看出：在相同的試驗(yàn)條件下，改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度MS0、殘留劈裂強(qiáng)度比TSR均明顯高于基質(zhì)瀝青混合料，具體表現(xiàn)為摻加為8%的改性瀝青混合料分別比基質(zhì)瀝青混合料提高17.42%、9.84%，表明青川巖瀝青的添加提高了瀝青混合料抗水損壞的能力，有效改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性.

青川巖瀝青對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定的改善作用可解釋為[10-11]：

1) 在天然瀝青中，氮元素以官能團(tuán)形式存在，這種存在使天然瀝青具有很強(qiáng)的浸潤(rùn)性和對(duì)自由氧化基的高抵抗性，其他元素的官能團(tuán)及側(cè)鏈的存在共同發(fā)育了上述特征，具體表現(xiàn)就是瀝青黏度增大，抗氧化性增強(qiáng)，特別是集料的黏附性及抗剝離性得到明顯改善.

表5 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表6 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

Tab.6 The results of asphalt mixture freeze-thaw splitting test

試件編號(hào)非凍融作用凍融作用劈裂強(qiáng)度RT1/MPa均值/MPa劈裂強(qiáng)度RT2/MPa均值/MPaTSR/%J-10.000616J-20.000616J-30.0006280.000620.0005290.0005250.0004870.00051482.90Y-10.001041Y-20.000953Y-30.0010660.001020.0009400.0009270.0009190.00092991.06

2) 天然瀝青中瀝青質(zhì)的雜原子集團(tuán)含量高，芳香性和極性強(qiáng)，可改善瀝青在集料表面的吸附作用，增強(qiáng)瀝青的抗水剝離性.

3.4 低溫抗裂性能

本文采用小梁彎曲試驗(yàn)，以破壞應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo)來(lái)評(píng)價(jià)青川巖瀝青對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性的影響.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7.

表7 瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表7可以看出：在相同的試驗(yàn)條件下，改性瀝青混合料的破壞應(yīng)變均明顯低于基質(zhì)瀝青混合料，其中，摻加8%青川巖瀝青的改性瀝青混合料的平均破壞應(yīng)變比基質(zhì)瀝青混合料降低了8.26%.這說(shuō)明青川巖瀝青的添加對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性具有一定的不利影響.關(guān)于天然巖瀝青能否改善瀝青混合料的低溫性能，目前所得結(jié)論還不完全統(tǒng)一.基于這種現(xiàn)象，一種說(shuō)法認(rèn)為天然巖瀝青中所含的灰分影響了試驗(yàn)結(jié)果[10]，另一種說(shuō)法認(rèn)為目前測(cè)試瀝青混合料低溫性能的相關(guān)試驗(yàn)及指標(biāo)并不適用于評(píng)價(jià)天然瀝青改性瀝青混合料[12].因此，對(duì)于青川巖瀝青改性瀝青混合料是否具有低溫缺陷，還需要通過(guò)進(jìn)一步的試驗(yàn)研究加以驗(yàn)證.

4 結(jié)論

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了青川巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青及其混合料技術(shù)性能的影響，得出以下結(jié)論：

1) 青川巖瀝青可以顯著改善基質(zhì)瀝青的高溫流變性能.綜合性價(jià)比，推薦青川巖瀝青的最佳摻量為8%.

2) 青川巖瀝青可以有效增強(qiáng)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能和水穩(wěn)定性能，尤其是高溫穩(wěn)定性能.

3) 青川巖瀝青對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性能具有一定程度的不利影響.

4) 考慮到目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于添加適量的天然巖瀝青是否有助于改善瀝青混合料低溫性能的研究結(jié)論還不完全統(tǒng)一，我們需要采用其他方法對(duì)不同摻量的青川巖瀝青改性瀝青混合料進(jìn)行低溫抗裂性能的評(píng)價(jià)分析，以澄清青川巖瀝青是否具有低溫性能的缺陷.

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(責(zé)任編輯：王浩毅)

Research on the Performance of Qingchuan Rock Asphalt Modified Asphalt Binder and Its Mixture

YOU Peng1,2， YANG Yaping1， LI Ruixia1

(1.SchoolofWaterConservancy&Environment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;2.LuoyangHighwayAdministrationBureau,Luoyang471000,China)

In order to research the influence of Qingchuan rock asphalt on the performance of asphalt binder and its mixture, the dynamic shear rheometer test and bending beam rheometer test were carried out on rock asphalt modified asphalt binder with the concentration 6%, 8% and 10% and control asphalt binder, and thereby to determine the optimal concentration of Qingchuan rock asphalt. Based on this, rock asphalt modified mixture at the optimal concentration and control asphalt mixture were subjected to pavement performance tests. The results showed that the comprehensive performance of rock asphalt modified mixture was the best when the concentration was 8%; rock asphalt could significantly improve the high temperature performance and water stability performance of asphalt mixture. However, for the effect on low temperature performance, it was necessary to carry out further tests to study.

Qingchuan rock asphalt; rheological properties; optimal concentration; pavement performance

2016-12-01

河南省科技廳科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(162102210157).

游鵬(1972—)，男，河南新安人，高級(jí)工程師，主要從事公路工程建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究，E-mail：13608469880@139.com；通信作者：李瑞霞(1985—)，女，河南開(kāi)封人，講師，主要從事瀝青及瀝青混合料性能與結(jié)構(gòu)研究，E-mail: liruixia031@163.com.

U414.1

A

1671-6841(2017)03-0117-06

10.13705/j.issn.1671-6841.2016238