天然岩沥青改性沥青性能研究

秦 旻 (重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074)

陆兆峰 (重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074；重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074)

天然岩沥青改性沥青性能研究

秦 旻 (重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074)

陆兆峰 (重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074；重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074)

利用青川天然岩沥青作改性剂，通过对不同掺量的岩沥青改性沥青的性能试验，探讨了岩沥青对沥青流变性能的影响；根据各检测性能指标，从高温、低温和耐久性能方面，分析讨论了岩沥青作为改性剂对基质沥青的影响行为和程度。结果表明，经岩沥青改性后的沥青，其高温性能大为提高，感温性得到改善，抗老化能力和稳定性有所加强，低温性能有所下降，但只要适当控制岩沥青掺量，不是在极端的低温条件下，其低温性能仍能满足路用要求。

道路工程；岩沥青；改性沥青；高温性能；耐久性能

公路交通量的迅猛增长和荷载特点的变化对沥青混凝土路面提出了更高的要求, 改性沥青得到了广泛的应用[1]。目前国内对改性沥青的研究，大多集中于SBS及PE等聚合物改性剂[2]。由于存在与沥青难以相溶，导致生产聚合物改性沥青必须使用特殊的设备以及较高的能量消耗；而且为了防止改性剂与沥青的分层与离析，聚合物改性沥青在运输和存储过程中还需加热保温和不间断搅拌，从而造成价格较高, 限制了其使用[3]。

天然岩沥青作为一种自然资源，是石油类物质在长期地质环境变化条件下，经历复杂物理化学变化后形成的产物，采用天然岩沥青作为改性剂，就可避免通常改性沥青存在的问题[4]。天然岩沥青大多呈固体状，加工成粉末后，本身极易与石油沥青相溶，属于沥青基对沥青基的掺配，与基质沥青具有优良的配伍性。世界上比较著名的北美岩沥青在美国、澳大利亚、挪威、日本等地均有广泛使用，尤其是高温、高应力、桥面铺装、弯坡路段等，其特点是显著提高沥青的高温稳定性[5]。我国四川、新疆等地也有丰富的岩沥青资源，但由于对岩沥青路用性能与应用技术研究的滞后，在我国公路建设中仅有尝试[6～8]，其改性效果究竟如何，深入的研究目前尚不多见。为更好地理解岩沥青对基质沥青的改性行为和效果，笔者以国产青川岩沥青作为改性剂，通过对不同掺量的岩沥青改性沥青指标的检测，探讨了岩沥青对沥青流变性能的影响；从高温、低温和耐久性能方面，分析讨论了岩沥青作为改性剂的影响行为和程度，以期为国产岩沥青改性剂的推广应用提供依据。

1 试 验

试验采用埃索AH-70#为基质沥青；岩沥青采用四川青川岩沥青，黑褐色，粉末状，组分中沥青质和胶质含量很高，总体比例约为90%，具体组分如表1所示。岩沥青是由碳、氢、氧、氮等化学元素构成，含有羧基、羰基、醛、萘等表面活性基团，可增强沥青的内聚力和沥青对集料的吸附力，使其抗流动性、抗氧化性和抗水剥离性等获得明显的改善。外掺剂以岩沥青相对基质沥青百分数为掺比，分别选取2%，4%，6%，8%进行掺配，岩沥青改性沥青的试验流程如图1所示。对不同掺量的岩沥青改性沥青进行常规性能指标检测和SHRP试验方法检测，可获得高低温条件下及老化前后沥青的针入度、劲度模量、相位角、抗车辙因子和粘度等数据。

表1 岩沥青的物性特征

2 高温性能

图1 岩沥青改性沥青制备流程简图

在沥青的性质中，影响其高温性能的主要指标有针入度、软化点、粘度、蜡含量等。针入度愈小，结合料的黏结力愈大，抗变形能力越强。由于沥青软化点与车辙试验的动稳定度之间存在较好的相关关系，因此更能反映结合料的高温抗车辙性能。图2和图3为软化点和针入度与岩沥青掺量关系的变化曲线。

图2 软化点与岩沥青掺量关系 图3 针入度与岩沥青掺量关系

由图2和图3可以得出，随着岩沥青掺量的增加，岩沥青改性沥青的软化点升高、针入度减小，沥青的硬度、弹性得到增加。按照Dickie的理论，沥青的软化点由沥青组分决定，与沥青质的含量成正比关系。由于岩沥青中沥青质的含量较高，平均分子量大，而且还含有氧、氮、硫等较强的极性官能团和多种能促进沥青中活性基团(羧基、羰基、醛、萘等)交联聚合的有机链，使得掺入天然岩沥青的沥青分子的排列方式和网状结构(结点和强度)得以改善，增强了沥青的内聚力，使其抗流动性、粘附性和感温性等获得明显的改善。

另外，利用英国Malvern公司生产的Bohlin DSRⅠ动态剪切流变仪(DSR)，对改性沥青的高温流变性能做了对比研究。试验采用应变控制模式，按照PG分级程序进行，主要观察岩沥青改性剂在不同掺量下，复数剪切摸量、相位角和抗车辙因子的变化情况，进而验证岩沥青改性剂对改性沥青流变性能的影响，如图4～ 6所示，改性沥青的复数剪切摸量、相位角和抗车辙因子指标，均随着岩沥青改性剂掺量的变化发生了有规律的改变。同一温度下，随着岩沥青掺量的增加，复数剪切摸量和抗车辙因子显著增大，明显高于基质沥青，尤为6%～8%掺量的增加最为明显，表明加入岩沥青后，其弹性行为和抗高温流变性能增强。从相位角中也能得出相同的结论，相位角δ的减小表明沥青中弹性分量的增加，相同的作用荷载其变形恢复增多，抗车辙能力增大。对同一沥青而言，复数剪切模量随着温度的升高而降低，相位角随着温度的升高而增加，沥青变软，粘性分量增高，体现出弹性增强的趋势。

图4 复数剪切模量的变化 图5 相位角的变化 图6 抗车辙因子的变化

3 低温性能

图7 延度的变化

沥青胶结料的低温流变性能的优劣决定着沥青混合料的低温抗裂性能。已有研究表明，HMA的低温抗裂性与沥青的5℃延度有密切关系[9]。但按照试验规范，对岩沥青改性沥青的5℃延度试验却不顺利，样品在脱模或加载时容易脆断，因此采用15℃延度变化进行研究，如图7所示。由图7可知，随着岩沥青改性剂掺量的增加，沥青的15℃延度呈递减趋势，改性后沥青的低温性能有所下降，因此岩沥青的掺量应控制在一定范围。

同时，借鉴SHRP试验方法，采用美国CANNON公司的9728-V30型低温弯曲梁流变仪，对沥青的低温流变性能进行了测试。进行低温弯曲流变的沥青应是经RTFO和PAV老化后的沥青，要求时间60s时的蠕变劲度s≤300MPa，m值≥0.30。图8～13所示为蠕变劲度和加载后沥青劲度变化速率在-10℃、-16℃和-22℃温度下的变化曲线。

图8 原样沥青蠕变劲度的变化 图9 RTFOT后沥青蠕变劲度的变化

图10 PAV后沥青蠕变劲度的变化 图11 原样沥青m值的变化

图12 RTFOT后沥青m值的变化 图13 PAV后沥青m值的变化

显然，不同低温条件下沥青的流变特征是不同的，低温性能与岩沥青的掺量也密切相关。图8～10中，沥青的蠕变劲度随温度的降低而升高，而且岩沥青掺量的增加也会导致改性沥青的蠕变劲度增大。图11～13反映的是沥青劲度变化的速率，速率越大，则说明在同一温度下材料的低温性能越好。无论是原样沥青，还是RTFOT后或PAV后的沥青，加入岩沥青后，劲度变化率m值比基质沥青小，并且随着温度的降低而减小；表明岩沥青改性剂的加入使得沥青一定程度上的变硬，松弛能力也会有所降低，容易造成材料的低温损伤，带来较差的抗裂性能。但在-16℃时，经PAV老化后的岩沥青改性沥青的蠕变劲度模量均能满足s≤300MPa，m值≥0.30的Superpave规范。因此，适当控制岩沥青掺量，只要不是极端的低温条件，岩沥青改性沥青的低温性能仍能满足路用性能要求。

4 耐久性能

旋转薄膜烘箱(RTFOT)和压力老化容器(PAV)试验可以模拟沥青材料短期老化和长期老化过程；试验一方面可促使沥青轻质油分的挥发，另一方面使沥青与空气中的氧发生化学反应。采用沥青在烘箱中加热后的重量损失和针入度比变化来评定沥青的抗老化性能。试验过程中，沥青的质量损失均为负值，质量减少，说明改性沥青中轻质油分的挥发部分超过了氧化反应使沥青胶结料质量增加的部分。岩沥青改性沥青的针入度比指标变化如图14所示。经RTFO后和PAV后的沥青胶结料，其针入度比随着岩沥青掺量增加而不断增加，岩沥青改性剂可以改善沥青胶结料的抗老化性能。

另外，岩沥青是经过上亿年的地质作用以及与空气、水接触，长期老化后形成的产物，其中的沥青质和胶质含量较大(见表1)，稳定基团较多，蜡含量极低，具有很强的抗微生物侵蚀作用，并可在自由表面形成致密光亮的保护膜。故而将其掺入基质沥青后，必然可降低材料整体对光、热、空气的反应活性和石蜡对沥青的危害，改善基质沥青抗氧化性和抗紫外线能力，从而提高改性沥青的抗老化性能。

同时发现，随着岩沥青掺量的增大，岩沥青改性沥青的粘度越来越大，这一点可用岩沥青改性沥青样品的Brookfild旋转粘度试验结果加以说明，见图15。改性后沥青粘度的升高，使沥青及沥青混合料的流动变形和弹-塑性性质发生改变，在荷载作用下产生的剪切变形小，弹性恢复能力好，残留的永久性塑性变形小，有助于提高沥青混合料的路用性能。

图14 针入度比的变化 图15 粘度的变化

5 结 语

由于天然岩沥青经受了大自然长期恶劣环境的锤炼，以其作为改性剂对基质沥青进行改性，能显著提高沥青及沥青混合料的高温性能，改善基质沥青的抗变形能力、抗老化性能和稳定性，降低沥青的温度敏感性。同时，采用这种改性剂进行改性，可以避免目前SBS改性沥青在制作和贮存过程中出现的配伍性和稳定性等问题。因此，天然岩沥青是一种良好的沥青改性剂，用其对石油沥青改性，可降低工程造价, 改善沥青路面使用性能，延长沥青路面服务寿命, 具有较高的研究和推广价值。

[1]周富强，周必功，李保国，等.岩沥青改性沥青应用研究[J].公路，2006,(12):140～142.

[2]沈金安.改性沥青与SMA路面[M].北京：人民交通出版社，1999.

[3]谢美东，李向琼.天然岩沥青改性沥青性能及改性机理试验研究[J].湖南交通科技,2007,33(3):1～3.

[4]梁燕新.天然岩沥青改性石油沥青的试验研究[J]. 山西建筑，2008,34(18):170～171.

[5]詹百万,张肖宁,杨永红.基于界面改性的岩沥青添加剂路用性能的试验[J].石油沥青,2007,21(4):36～39.

[6]季忠根, 朱红旗.国产天然沥青改性剂的开发[J].公路交通科技,2002,19(6)：25～27.

[7]马敬坤,李中秋.国产天然沥青路用性能试验研究[J].公路交通科技,2004，21(9)：25～27.

[8]马琳,刘孔杰.在公路工程中天然岩沥青UINTATE的应用效果分析[J].交通标准化,2005,(1)：99～101.

[9]樊亮,张燕燕，申全军.天然岩沥青对沥青流变性能的影响[J].中外公路,2007,27(2):160～163.

[编辑] 易国华

U414; U416.217

A

1673-1409(2009)01-N095-04

2008-12-01

重庆市科技攻关项目(CSTS 2006AB6014)。

秦旻(1981-)，女，2002年大学毕业，博士生，现主要从事筑路材料及其改性技术方面的研究工作。