天然沥青与基质沥青配伍性的应用研究

张亚鹏

（天津市市政工程研究院，天津 300074）

0 引 言

为解决目前沥青路面使用寿命短及早期病害严重的问题，现多数沥青路面普遍采用聚合物改性沥青 （多为SBS类）。但随着国际石油价格的上升与改性剂等生产价格的上涨，促使道路建设者寻求新的改性沥青材料替代产品。天然沥青因其化学性质稳定，物理的耐老化、耐高温等性能特别出众，加之矿物质主要成分为石灰岩，不仅粒度细且吸附沥青能力强，故可有效提高沥青的粘附性；同时天然沥青与基质沥青同属石油衍生物的终端产物，两者之间存在非常好的配伍性，且混合时不存在离析现象，故广泛受到道路建设者的青睐[1]。

主要选用两种典型的天然沥青：TLA湖沥青和BRA岩沥青，分别按20%、25%、30%三种掺量进行改性，并对改性后的沥青进行配伍性研究。

1 试验方案与原材料

主要采用两种沥青性能评价指标体系，对天然沥青改性基质沥青后的沥青进行配伍性研究：一是针入度评价指标体系；二是PG分级评价指标体系。

1.1 评价方法说明

针入度评价体系是最为普遍的沥青评价标准，主要依据针入度、软化点和延度这三大基本指标。针入度是反映沥青在等温条件下软硬程度，是评价沥青等级的关键指标；软化点则是测定沥青的等粘温度，主要用于评价沥青的高温稳定性；延度则反映沥青在等温条件下拉伸长度，主要用于评价沥青的塑性变形能力[2]。

PG分级是基于沥青流变特性提出的，其理论基础是弹性、塑性理论和流体力学，其中动态剪切流变仪DSR和弯曲梁流变仪BBR为建立某时段蠕变曲线和劲度模量提供了依据，Brookfield旋转粘度计通过计算剪应力和剪变率，能方便地测量沥青高温粘度[3]。

1.2 试验方案

旨在确定天然沥青的适宜掺配比例范围 （文中所有 “掺配比例”均为内掺法，即掺配量与沥青总量的重量比）。主要研究对象为两种天然沥青 （特立尼达湖沥青和印尼布敦岩沥青），分别按不同掺量 （0%、20%、25%和30%）与基质沥青 （滨州70号A级）进行配伍，测试其指标予以评价，并与SBS改性沥青 （伦特SBS类I－D级）对比研究。

1.3 原材料

本文所选用的沥青材料，试验结果如表1～表3。

表1 沥青检测结果

表2 特立尼达湖沥青检测结果

表3 印尼布敦天然岩沥青检测结果

2 针入度评价指标分析

2.1 针入度试验

表4 不同掺配方式与掺配比例下天然改性沥青针入度试验结果

图1 不同掺量沥青针入度

图2 针入度指数结果

图3 针入度比结果

由表4及图1～图3可以看出：

（1）从针入度数据可见，与基质沥青和SBS改性沥青相比，针入度降低显著。在15℃时，不同掺量下两种天然沥青的改性效果基本相同。但当温度升高到25℃和30℃后，岩沥青改性沥青要明显优于湖沥青改性沥青，且随温度增加，增长幅度逐渐加大后逐渐趋于平稳。但随着天然沥青掺量的逐渐增加，同种天然改性沥青在相同温度下，其沥青针入度数值却趋于减小，且降低速率逐渐降低。

（2）从针入度比来看，其数值明显优于基质沥青和SBS改性沥青，但天然沥青掺量每增加5%，针入度比平均约下降4%～5%，线形基本呈下降趋势，这表明天然沥青的掺量对天然改性沥青的老化性能有一定影响，并非是掺量越多越好。湖沥青改性相对于岩沥青改性对于掺量的敏感性更强。同时，针入度比的下降并不能说明其抗老化能力的降低，因为天然沥青中含有大量矿物质颗粒，对试验造成一定影响。

（3）对于针入度指数PI值，其随天然沥青掺量增加，由负值向正值逐渐增大，且增幅较快，当天然沥青掺量接近30%时，PI值大于0，湖沥青改性比岩沥青改性略优。由此可知天然沥青的掺入，明显改善了基质沥青的感温性能。

（4）当量脆点T1.2指标随天然沥青掺量的增加而下降，说明其对基质沥青低温性能有一定影响，应控制加入量。

2.2 软化点试验

图4 软化点结果

图5 当量软化点结果

图6 不同掺量沥青软化点与当量软化点

由图4～图6可以看出：

（1）从软化点数据可见，普通沥青掺加天然沥青后，试验结果值显著提高。其中不同掺量的湖沥青改性，软化点分别提高了18.9%、23.2%和28.4%；岩沥青改性分别提高了16.8%、21.1%和25.3%，且增长幅度逐渐加大，均超过为2℃以上。但软化点增长幅度与掺量之间变化需进一步试验确定。

（2）由软化点和当量软化点数据可见，试验结果也是显著提高，与软化点变化规律类似。与普通沥青相比，天然沥青的掺加可有效提高基质沥青抗高温变形的能力，且随掺量增加而增大。与SBS改性沥青相比，掺量的提高已逐渐接近或超过改性沥青水平，说明掺加天然沥青做改性剂，其高温性能已接近或超出SBS改性沥青标准。

表5 不同掺配方式与掺配比例下天然改性沥青延度试验结果

2.3 延度试验

由表5可以看出：

（1）从延度数据可见，掺加天然沥青后，延度指标大幅度下降，且随掺量增加而减小，延展能力降低。

（2）变化趋势：掺加量小于20%时，其下降趋势较快，但当大于20%后，下降幅度减小，且趋于平缓。影响因素：因为天然沥青中含有大量矿物质细小颗粒，使其在拉伸中易出现应力集中的现象，从而影响检测结果准确性。

3 PG分级体系研究

3.1 动态剪切流变DSR试验

图7 不同掺量－不同温度下湖沥青改性沥青DSR试验

图8 不同掺量－不同温度下岩沥青改性沥青DSR试验

由图7～图8可以看出：

（1）在相同温度下，随着天然改性沥青掺量的增加，老化前、后的抗车辙因子亦逐渐增加，且湖沥青的增加相对岩沥青更明显。以70℃为例，掺量20%、25%、30%的湖沥青改性沥青原样沥青的抗车辙因子较基质沥青分别提高84.6%、131.6%、196.6%，RTFOT后的分别提高61.2%、109.0%、293.0%；而相同情况下的岩沥青改性沥青，原样沥青分别提高64.1%，97.4%、161.5%，RTFOT后的分别提高46.8%、77.6%、218.9%。

（2）相对于基质沥青，掺加不同剂量的天然沥青后，其高温性能得到显著提升，抗车辙性能得到显著改善。从PAV后沥青试验可见，抗车辙因子随天然沥青掺量增加而提高，这意味着当路面作用相同的荷载时，其可恢复的变形增加，抗车辙性能增强。

（3）掺入天然沥青后，其沥青的PG高温等级较基质沥青都有明显提升，且随掺量的提高等级也逐渐提高。以湖沥青改性沥青为例，掺量为20%时，其高温等级为PG70，比基质沥青的PG64高出一个等级；掺量为25%、30%时，其高温等级为PG76，比基质沥青的PG64高出两个等级，与改性沥青同一等级。

表6 不同掺配方式与掺配比例下天然改性沥青BBR试验结果

3.2 弯曲流变BBR试验

由表6可以看出：

（1）在试验范围内，基质沥青掺入天然沥青后，蠕变劲度s与蠕变速率m均有不同程度下降，且下降趋势：随掺量增加而降低或随试验温度下降而降低。两者下降趋势，以温度影响下降尤为明显。故在使用天然改性沥青时，应特别关注使用地区的环境温度和掺配比例，不是掺量越大，路用效果就越好。

（2）在试验范围内，相同试验温度、相同掺量下，湖沥青改性沥青的低温老化性要优于岩沥青改性沥青，但天然改性沥青的掺量应予以控制，建议不超过25%。

（3）在试验范围内，基质沥青掺入天然沥青后，低温性能的改善不明显，甚至有所下降。

图9 不同掺量下沥青粘度试验

3.3 布洛克菲尔德旋转粘度试验

由图9可以看出：

在试验范围内，同一温度下，不同掺量的天然改性沥青的粘度均大于基质沥青，且随着掺量的增加而增加。以135℃粘度为例，掺量20%、25%、30%的湖沥青改性沥青粘度分别比基质沥青提高了99.7%、109.9%、139.7%；相同情况下的岩沥青改性沥青分别提高了121.6%、139.9%、156.0%；这表明天然沥青可有效提高沥青的粘度，增强沥青与集料间的粘附性能，提高施工和易性，改善沥青混合料的高温抗车辙性能，且岩沥青改性沥青粘度在同温同掺量下要略高于湖沥青改性沥青。

4 结 语

本文通过沥青的针入度评价体系和PG分级评价体系这两个方面，对天然改性沥青进行了全面的分析与试验，可得到如下结论：

（1）基质沥青掺加天然沥青后，可明显提高沥青的高温抗车辙性能和抗老化性能，针入度、软化点、粘度都有不同程度的提高，沥青PG分级的高温等级至少提高一个等级；同时对于沥青的感温性与施工和易性也有改善。

（2）掺加天然沥青后，虽然高温性能显著提高，但其低温性能受到一定程度影响，故在使用天然改性沥青时，应特别关注使用地区的环境温度和掺配比例，不是掺量越大，路用效果就越好。就室内试验结果而言，建议掺量不超过25%。

（3）就本次试验结果分析，湖沥青改性沥青的整体改性效果要优于岩沥青改性沥青，从不同掺配方式与比例角度分析，25%掺量的湖沥青最好。20%和25%掺量的岩沥青、20%掺量的湖沥青次之。

[1]李瑞霞.BRA岩沥青及其混合料技术特性研究[D].西安：长安大学，2010.

[2]JTG E20－2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[3]华敏.天然沥青对基质石油沥青改性机理研究[D].西安：长安大学，2008.