北美巖瀝青改善混合料性能的實(shí)驗(yàn)研究

秦 力，喻建軍,2

（1、廣州市設(shè)計(jì)院 廣州510620；2、華中科技大學(xué) 武漢430074）

0 引言

北美巖瀝青作為一種優(yōu)質(zhì)的瀝青在道路建設(shè)中廣泛運(yùn)用，此外，它還能作為傳統(tǒng)瀝青的改性材料運(yùn)用［1］。在傳統(tǒng)的瀝青材料中加入北美巖瀝青可以調(diào)整原瀝青材料的油分比例，改善其高溫穩(wěn)定性和強(qiáng)度，緩解路面出現(xiàn)因高溫而產(chǎn)生的病害現(xiàn)象。

國外很早便開始研究北美巖瀝青的運(yùn)用［2，3］，但是主要集中于其在高荷載，特別是橫向荷載下的道路區(qū)段，研究發(fā)現(xiàn)該瀝青材料具有良好的抗車轍能力，其使用壽命可以高出傳統(tǒng)瀝青25%［4］。黃文通等人［5］從耐久性的角度進(jìn)行分析，著重研究多種改性材料對(duì)瀝青性能的影響；Janke等人［6］通過實(shí)驗(yàn)分析得出了不同改性劑對(duì)瀝青抗車轍能力的作用。同時(shí)，國內(nèi)學(xué)者也開始研究天然巖瀝青，黃文通等人［5］采用軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)剪切溫度掃描實(shí)驗(yàn)，分析北美巖瀝青改性瀝青的高溫性能。韓彪［7］從北美巖瀝青的性質(zhì)機(jī)理如附著高溫集料、表面自由能以及原料配合比方面進(jìn)行研究，探尋其對(duì)改善混合料水穩(wěn)定性的機(jī)理，進(jìn)行歸納研究。于水泳［8］通過對(duì)比2種廣泛運(yùn)用的天然瀝青材料，確定天然瀝青添加劑的摻量。陶子政［9］設(shè)計(jì)研究了多種摻量巖瀝青/SBS 復(fù)合改性瀝青性能變化規(guī)律，探討了復(fù)合改性機(jī)理。

然而，目前的研究主要針對(duì)天然瀝青在路面上的運(yùn)用情況，對(duì)其微觀機(jī)理的研究不足。故本文采用實(shí)驗(yàn)方法從宏觀角度分析北美巖瀝青的改性機(jī)理，同時(shí)采用紅外光譜實(shí)驗(yàn)分析、差熱掃描、掃描電鏡法從微觀角度研究北美巖瀝青的改性機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

使用普通瀝青混凝土和北美巖瀝青混凝土在實(shí)驗(yàn)室獲得級(jí)配的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其中普通瀝青底層級(jí)配（A 型）與普通瀝青底層級(jí)配（B 型）區(qū)分依據(jù)是含油量，巖瀝青底層（A 型）與巖瀝青底層（B 型）的區(qū)分是在普通瀝青級(jí)配的基礎(chǔ)上添加巖瀝青量來定義，如表1所示。并進(jìn)行了試驗(yàn)段北美巖瀝青改性瀝青混合料的試驗(yàn)，將普通瀝青混合料的室內(nèi)試驗(yàn)與北美巖瀝青室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照評(píng)價(jià)，分析北美巖瀝青的路用性能及對(duì)比SBS改性瀝青的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 級(jí)配區(qū)分Tab.1 Classification

各種型號(hào)的瀝青混凝土級(jí)配如下：

⑴AC-13普通瀝青混凝土比例為（13～18 mm）石料∶（8～13 mm）石料∶（4～8 mm）石料∶（0～4 mm）細(xì)石∶石粉∶水泥=31∶32∶8∶27∶1∶1。

⑵AC-20（A型）普通瀝青混凝土比例為（17～25 mm）石料∶（11～17 mm）石料∶（8～11 mm）石料∶（4～8 mm）石料∶（0～4 mm）細(xì)石∶石粉∶水泥=13∶26.5∶25∶6.5∶26∶2∶1。

⑶AC-20（B型）普通瀝青混凝土比例為（17～25 mm）石料∶（11～17 mm）石料∶（8～11 mm）石料∶（4～8 mm）石料∶（0～4 mm）細(xì)石∶石粉∶水泥＝13∶26.5∶25∶6.5∶26∶2∶1。

⑷AC-13+15%北美巖瀝青改性瀝青混凝土級(jí)配與室內(nèi)試驗(yàn)普通瀝青級(jí)配一樣，比例為（13～18 mm）石料∶（8～13 mm）石料∶（4～8 mm）石料∶（0～4 mm）細(xì)石∶石粉∶水泥=31∶32∶8∶27∶1∶1。

⑸AC-20（A 型）北美巖瀝青改性瀝青混凝土級(jí)配與室內(nèi)試驗(yàn)普通瀝青級(jí)配一樣，比例為（17～25 mm）石料∶（11～17 mm）石料∶（8～11 mm）石料∶（4～8 mm）石料∶（0～4 mm）細(xì)石∶石粉∶水泥=13∶26.5∶25∶6.5∶26∶2∶1。

⑹AC-20（B型）北美巖瀝青改性瀝青混凝土級(jí)配與室內(nèi)試驗(yàn)普通瀝青級(jí)配一樣，比例為（17～25 mm）石料∶（11～17 mm）石料∶（8～11 mm）石料∶（4～8 mm）石料∶（0～4 mm）細(xì)石∶石粉∶水泥=13∶26.5∶25∶6.5∶26∶2∶1。

1.1 瀝青檢測(cè)

配合比采用的普通瀝青為70#石油瀝青，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

1.2 粗/細(xì)石料檢測(cè)

下面層AC-20（A/B 型）瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)和上面層AC-13 級(jí)配設(shè)計(jì)篩分結(jié)果如表3所示，下面層及上面層設(shè)計(jì)采用石料分別如表4、表5所示。

表2 70#普通瀝青檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Test Results of 70# Ordinary Asphalt

表3 石料篩分結(jié)果Tab.3 Stone Screening Results

1.3 北美巖瀝青檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)段配合比設(shè)計(jì)以及室內(nèi)試驗(yàn)巖瀝青配合比設(shè)計(jì)均采用北美巖瀝青為100目（英制篩）粉末狀巖瀝青，檢測(cè)結(jié)果如表6及圖1所示。

表4 下面層石料密度結(jié)果Tab.4 Density Result of Lower Stone

表5 上面層石料密度結(jié)果Tab.5 Density Result of Top Layer Stone

表6 北美巖瀝青檢測(cè)結(jié)果Tab.6 North American Rock Asphalt Test Results

圖1 北美巖瀝青為100目（英制篩）粉末Fig.1 North American Rock Asphalt is 100 mesh（Imperial Sieve）Powder

1.4 填料檢測(cè)

試驗(yàn)段配合比采用的填料是石灰石礦粉。檢測(cè)結(jié)果如表7、表8所示。

表7 礦粉指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.7 Test Results of Mineral Powder Index

表8 礦粉篩分結(jié)果Tab.8 Sieving Results of Mineral Powder

2 北美巖瀝青改性瀝青混凝土室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)論

AC-13、AC-20（A 型）、AC-20（B 型）的馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)、水穩(wěn)定性以及車轍動(dòng)穩(wěn)定度都達(dá)到了改性瀝青混凝土的技術(shù)要求，并且指標(biāo)非常好，單從數(shù)據(jù)上分析，已經(jīng)超過了其他同類改性混合料的對(duì)應(yīng)規(guī)范數(shù)據(jù)。AC-20（B 型）的改性效果比AC-20（A 型）的改性效果有一定的優(yōu)勢(shì)，但是兩者提高的性能相差較小，且AC-20（B 型）的成本比AC-20（A 型）的成本高，從性價(jià)比的角度出發(fā)，AC-20（A 型）的性價(jià)比高于AC-20（B 型）。如果瀝青道路底層混合料添加了巖瀝青，將會(huì)提高整個(gè)道路底層的綜合性能，并且對(duì)道路的上面層有一定的幫助和支撐作用，間接增加了整條道路的使用壽命。如果瀝青道路的底層和面層都添加巖瀝青，那整條道路將會(huì)超過改性瀝青道路的要求，而且道路所有的性能都將大幅提升，可推遲病害的到來時(shí)間，提高道路的耐用性。

3 北美巖瀝青改善混合料機(jī)理的微觀分析

3.1 紅外光譜試驗(yàn)分析

紅外光譜試驗(yàn)分析的原理是針對(duì)物質(zhì)對(duì)不同波長紅外輻射的反應(yīng)不同，分析物質(zhì)的官能團(tuán)特征，根據(jù)指紋區(qū)（分子結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的吸收峰）吸收情況進(jìn)一步確認(rèn)該基團(tuán)的存在以及其他基團(tuán)的結(jié)合方式。

圖2 為北美巖瀝青改性瀝青紅外光譜，由圖2 可知，瀝青沒有出現(xiàn)新官能團(tuán)的吸收峰，說明北美巖瀝青混合料和瀝青之間為物理作用，即北美巖瀝青混合料對(duì)瀝青進(jìn)行吸附進(jìn)而溶脹。而對(duì)于北美巖瀝青混合料來說，在964 cm-1處吸收減弱，這可能是由于C=C鍵在高溫強(qiáng)研磨條件下和穩(wěn)定劑的作用下被打開，北美巖瀝青混合料之間進(jìn)行了交聯(lián)，形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖2 北美巖瀝青改性瀝青紅外光譜Fig.2 Infrared Spectrum of North American Rock Asphalt Modified Asphalt

3.2 差熱掃描（DSC）分析

運(yùn)用差示掃描量熱法（Differential Scan?ning Calorimeter，簡(jiǎn)稱DSC）可以分析改性瀝青中聚集態(tài)組分的變化規(guī)律，進(jìn)而探討北美巖瀝青混合料對(duì)瀝青的熱穩(wěn)定性。

圖3 中上端2 條曲線（綠線和藍(lán)線）分別為AC-20（A 型）和AC-20（B 型）瀝青的DSC 曲線，下端2 條曲線（紅線和黃綠線）分別為北美巖瀝青改性瀝青和普通瀝青的DSC曲線。從圖3中可以看出：

⑴AC-20（A型）和AC-20（B型）瀝青改性瀝青的DSC曲線相對(duì)較平，沒有明顯的吸收峰變化，幾乎可以忽略，說明2種改性瀝青的熱穩(wěn)定性得到了提高；

⑵與普通瀝青相比，加入北美巖瀝青混合料后，DSC 曲線上吸熱峰面積和峰值減小，由此可以得出，北美巖瀝青改性瀝青體系最為穩(wěn)定，即北美巖瀝青混合料的粒子與瀝青的相容性好，沒有發(fā)生相分離和分層、絮狀和結(jié)團(tuán)等現(xiàn)象，這也進(jìn)一步反映了北美巖瀝青改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性較好。

圖3 北美巖瀝青改性瀝青紅外光譜Fig.3 Infrared Spectrum of North American Rock Asphalt Modified Asphalt

3.3 掃描電鏡（SEM）分析

將北美巖瀝青改性瀝青粘在導(dǎo)電膠上，噴金后，進(jìn)行冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀測(cè)其形貌，觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。

從圖4 可以看出，相比普通瀝青，北美巖瀝青改性瀝青表面更不平坦，有明顯的突起，絲狀分布較基質(zhì)瀝青明顯，瀝青粘度較高，同時(shí)，膠粉顆粒在瀝青中變小。這一觀測(cè)結(jié)果表明，北美巖瀝青混合料加入到高溫熔融的瀝青中發(fā)生溶脹，形成均勻分散體系，見圖4；當(dāng)降溫成型時(shí)北美巖瀝青混合料中產(chǎn)生微相分離，形成物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將瀝青中低熔點(diǎn)、低粘度組分固著于網(wǎng)絡(luò)中。此外，北美巖瀝青改性瀝青中加入單質(zhì)硫等交聯(lián)劑，使北美巖瀝青混合料產(chǎn)生部分硫化，可形成硫化的大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖4 膠粉改性復(fù)合瀝青的形貌Fig.4 The Morphology of Rubber Powder Modified Composite Asphalt

4 實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)

4.1 對(duì)比分析

室內(nèi)試驗(yàn)普通瀝青和室內(nèi)試驗(yàn)巖瀝青的3 組對(duì)比試件及車轍板生產(chǎn)和成型，均按照室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的要求進(jìn)行，所選用的骨料、瀝青、環(huán)境溫度以及級(jí)配都是在相對(duì)應(yīng)一致的前提下進(jìn)行試件成型，再對(duì)試件進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，所得到的數(shù)據(jù)做參照對(duì)比分析，證明添加北美巖的瀝青混合料比普通瀝青混合料的各項(xiàng)技術(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)都有所提高，如圖5～8圖和表9所示，特別是車轍試驗(yàn)的直觀表現(xiàn)，具體結(jié)論如下：

圖5 動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比Fig.5 Comparison of Dynamic Stability

圖6 馬歇爾穩(wěn)定度對(duì)比Fig.6 Marshall Stability Comparison

⑴含有15%巖瀝青的上面層混合料車轍數(shù)分別比普通瀝青混合料車轍數(shù)上升了36.6%，分別含有15%和18%巖瀝青的底層混合料車轍數(shù)分別比普通瀝青混合料車轍數(shù)提高了99.9%、101.9%，如圖5所示。

從圖5 可知，3 個(gè)級(jí)配中含巖瀝青的瀝青混合料車轍數(shù)比不含巖瀝青的瀝青混合料的車轍數(shù)高，抗變形作用優(yōu)異。

由圖6 可知，含有巖瀝青的瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度比普通瀝青混合料高。

由圖7 可知，添加巖瀝青的瀝青混凝土浸水馬歇爾穩(wěn)定度比普通瀝青混合料高。

由圖8 可知，含有巖瀝青的瀝青混合料比不含巖瀝青的普通瀝青混合料更具有抗水損害的作用。

⑵如圖9 所示，在普通瀝青混合料里面只要有巖瀝青的參與作用，將會(huì)增加瀝青混合料的強(qiáng)度，抗車轍能力大大提升，而且最理想的添加量是15%，瀝青混合料的抗車轍能力增強(qiáng)，比普通瀝青混合料的疲勞壽命高，綜合價(jià)格最優(yōu)，既降低了材料費(fèi)用又取得了很好的效果。

圖7 浸水馬歇爾穩(wěn)定度對(duì)比Fig.7 Comparison of Marshall Stability Under Water

圖8 劈裂強(qiáng)度對(duì)比Fig.8 Split Strength Comparison

圖9 AC-13和AC-20混合料車轍變化Fig.9 Change of Rut of AC-13 and AC-20 Mixture

表9 普通瀝青混凝土與北美巖瀝青混凝土試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.9 Comparison of Test Results of Ordinary Asphalt Concrete and North American Rock Asphalt Concrete

4.2 經(jīng)濟(jì)分析

以實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)配合比AC-13 油石比為5.1%的瀝青混凝土為例，巖瀝青改性混凝土與SBS 改性瀝青混凝土進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，每噸SBS 改性瀝青混合料需要SBS 改性瀝青48.5 kg，按照目前國內(nèi)市場(chǎng)單價(jià)為2 800 元/t 計(jì)算。每噸北美巖瀝青改性瀝青混凝土需要巖瀝青改性瀝青48.5 kg，其中北美巖瀝青占普通瀝青量的15%，即北美巖瀝青用量為7.275 kg，70#普通瀝青用量為41.23 kg，按照北美巖瀝青目前國內(nèi)市場(chǎng)單價(jià)3 500元/t，70#普通瀝青目前國內(nèi)市場(chǎng)單價(jià)2 000元/t進(jìn)行分析，結(jié)果如表10所示。

從表10 中得出，1 t的SBS 改性瀝青混凝土中SBS改性瀝青的實(shí)際價(jià)格為135.9 元，1 t 北美巖瀝青改性瀝青混凝土中巖瀝青改性瀝青的實(shí)際價(jià)格為108 元。生產(chǎn)1 t 改性瀝青混凝土，使用北美巖瀝青改性瀝青比使用SBS 改性瀝青要節(jié)約27.9 元。北美巖瀝青是一種自然資源，作為瀝青混合料外加劑使用，豐富了公路建設(shè)材料的選擇空間，減少對(duì)石油副產(chǎn)品的依賴。因此無論從科學(xué)層面、經(jīng)濟(jì)層面、社會(huì)層面等其他角度進(jìn)行分析，北美巖瀝青都具有較高的推廣價(jià)值和潛力開發(fā)價(jià)值。

表10 北美巖瀝青與SBS改性瀝青的改性成本分析Tab.10 Modification Cost Analysis of North American Rock Asphalt and SBS Modified Asphalt

5 結(jié)論

本文采用馬歇爾等多種方法設(shè)計(jì)了北美巖瀝青改性劑瀝青混合料，并深入研究了北美巖瀝青混合料的路用性能。通過室內(nèi)試驗(yàn)普通瀝青混凝土與巖瀝青混凝土的各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，表明北美巖瀝青的改性混合料具有良好的改性效果，并用試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)對(duì)巖瀝青的改性效果作進(jìn)一步的證明，并分析了北美巖瀝青改性混合料的直接經(jīng)濟(jì)性。對(duì)北美巖瀝青混合料的路用性能，研究總結(jié)如下：

⑴從材料分析可知北美巖瀝青是篩分目數(shù)很細(xì)的粉末材料，與瀝青性質(zhì)相差不大，只是形態(tài)上有所不同，因此北美巖瀝青可袋裝、罐裝，運(yùn)輸途中不用像瀝青那樣加熱或者保溫，添加到混合料中生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單，免去了瀝青攪拌站增加其他的費(fèi)用開支，生產(chǎn)工藝和施工工藝均和正常工藝一致。

⑵生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，沒有SBS 改性瀝青高剪切的制造工藝流程，對(duì)瀝青加熱溫度要求不高，產(chǎn)生廢料的幾率小，利于對(duì)生產(chǎn)過程中的溫度進(jìn)行控制。

⑶含有北美巖的混合料能達(dá)到改性混合料的作用，并較不含北美巖的混合料各項(xiàng)指標(biāo)有較大程度的提升，大大超越了改性材料的技術(shù)要求，證明北美巖改性混合料能有效延長瀝青道路的使用壽命，對(duì)道路的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。