预拌-增强型沥青胶结料制备及性能评价

张争奇 韦 毅 籍晓靖

（长安大学特殊地区道路公路工程教育部重点实验室1） 西安 710064）

（长安大学公路学院2） 西安 710064）（山西省交通规划勘察设计院3） 太原 030012）

0 引 言

温拌沥青混合料的拌和温度比普通沥青混合料低30℃以上，由于拌和温度降低，可大量节约能源，减少环境污染.研究表明，拌和温度降低30 ℃，每吨沥青混合料可节约燃料油2.4 L，并减少30%以上的CO2等气体和粉尘的排放量［1］.并且减少了沥青混合料的老化，延长了路面的使用寿命，同时也减少了季节和温度对沥青路面施工期限的限制.但与此同时，各种温拌技术也有其一定的缺陷，主要表现在［2-3］：在降低沥青混合料施工温度的同时，也损害了沥青混合料的某些路用性能；温拌剂价格昂贵；某些温拌技术需要特殊的生产设备，初期投入大，推广应用受限制.

因此，本文将通过理论分析、试验研究，提出基于软质沥青预拌、岩沥青粉末复拌加强的技术路线，即在混合料生产过程中，先用高标号软质沥青进行预拌，使沥青混合料具有良好的施工和易性，再用岩沥青粉末复拌以加强路用性能.由于采用高标号软质沥青，沥青粘度小，在较低温度下也具有很好的流动性，因此可以保证混合料的充分拌和与有效压实；而复拌所用岩沥青是一种含有大量矿物质的天然沥青，能够显著提高混合料的高温性能、抗老化性能及耐候性，岩沥青粉末经复拌后分散在混合料中，起到填充、嵌挤、加筋的作用，显著提高沥青混合料的路用性能［4］.

而软-硬沥青复合胶结料的指标是否满足规范设计要求，与环保型沥青混合料最终的路用性能有很大的关系.因此，本文对软硬沥青复合胶结料的制备方法展开研究，并通过研究岩沥青掺量对复合胶结料的性能影响分析初步确定岩沥青与软质沥青的掺配比例，为岩沥青改性沥青在我国的推广应用提供参考依据.

1 试验材料，方案和制备工艺研究

1.1 试验材料

试验软质沥青采用辽河石化130＃基质沥青，硬质沥青采用A，B 岩沥青颗粒状产品，对比沥青采用SK70＃重交通石油沥青以及辽河石化SBS（I-C）改性沥青.对液体石油沥青和改性沥青的性能进行试验检测，均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）技术要求.试验结果见表1.

表1 沥青性能试验结果

根据厂家提供的测试数据，2种岩沥青的质量指标见表2.由于我国没有天然岩沥青的质量标准，在此参考印尼国家标准［5］.

表2 岩沥青性能试验结果

1.2 试验方案

参考国内外经验［6］，软质沥青采用130标号，硬沥青采用2种不同沥青含量的A，B岩沥青（沥青含量分别为85%和25%），产地分别为新疆和印尼，按外掺法配置A 岩沥青掺量分别为10%，13%，15%，18%，20%，25%；B岩沥青掺量为25%，40%（此掺量指的是岩沥青与软质沥青的质量分数）的软硬沥青复合胶结料，并与70＃基质沥青和符合我国技术规范的SBS改性沥青进行针入度、软化点、延度、老化后的针入度变化、延度变化及质量损失等试验相应的对比试验研究.

我国现行施工技术规范中道路石油沥青和改性沥青技术标准都是基于针入度分级评价指标体系.根据现行的技术规范，在针入度分级指标体系的试验中，选取针入度、软化点、延度、针入度指数PI、当量软化点T800、当量脆点T1.2、旋转薄膜加热试验（RTFOT）后针入度变化、延度变化及质量损失等作为软硬沥青复合胶结料的技术评价指标.

1.3 制备工艺

软硬沥青复合胶结料的制备，需要确定岩沥青的融入温度和搅拌时间这2个关键工艺参数.软硬沥青复合胶结料所采用的软质沥青130＃，规范要求其加热温度为140～150℃，为使岩沥青能够较好的分散于软沥青中，最终选择软沥青加热温度为150℃，即岩沥青的融入温度为150℃.

搅拌时间对复合胶结料的性能有很大的影响，若搅拌时间过短，岩沥青分散程度较低，不能完全发挥其复配增强的作用，复合胶结料也不能形成均一的稳定体.若搅拌时间过长，虽然保证了岩沥青的分散充分，但是复合胶结料伴随着也可能发生老化，且造成能源消耗过大，成本增加.为选择合适的搅拌时间，将软质沥青加热至150 ℃，掺入15%A岩沥青，然后在145～150℃范围内搅拌，搅拌时间分别控制在15，30和45min.对制成的复合胶结料进行3大指标常规实验，所得试验结果见表3.

表3 不同搅拌时间试验数据表

由表3可见，搅拌30 min的针入度指数PI值、软化点和延度都是最大的，说明搅拌30 min所得到的软硬沥青复合胶结料的温度敏感性最低，高低温性能都最好.既保证岩沥青均匀分散，又不致因沥青老化而降低改性效果，因此建议合理的搅拌时间为30min左右.

综上所述，软硬沥青复合胶结料的制备方法归结为：将软质沥青升温至150℃，按预定比例加入岩沥青，然后在温度145～150℃的温度范围内持续搅拌30min左右，使岩沥青均匀分散在软质沥青中.再在150 ℃的恒温烘箱中发育1h，取出后在150 ℃的温度下搅拌10min，即可浇筑沥青试模.制备流程见图1.

图1 软硬沥青复合胶结料制备流程图

2 试验结果与分析

研究采用130＃软质沥青，分别掺加含有不同沥青含量的A，B 2种岩沥青，按上述方法制备软硬沥青复合胶结料.进行针入度、软化点、延度、老化后的针入度变化、延度变化及质量损失等试验，研究不同岩沥青掺量对复合胶结料的影响，并与70＃基质沥青和SBS改性沥青进行对比分析.

本次试验测定不同岩沥青掺量所制备的软硬沥青复合胶结料及70＃基质沥青和SBS改性沥青在15，25和30℃3个不同温度下的针入度，并计算PI，T800和T1.2.试验结果见表4.

表4 沥青针入度试验结果

2.1 温度敏感性能

沥青材料的感温性指标是评价沥青技术性质的一个重要指标，它是表征沥青随温度而发生性质变化幅度的指标，针入度指数PI值是目前国内外最常用来描述沥青感温性的指标.我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）规定针入度指数PI值为A 级沥青-1.5～＋1.0；B级沥青-1.8～＋1.0.

对于我国大量使用多蜡沥青的情况而言，针入度指数通常采用15，25，30 ℃3个温度的针入度计算，要求3个温度的针入度回归的相关系数R应不小于0.997.

通过计算，得到不同岩沥青掺量的复合胶结料的PI值见图2.

图2 沥青针入度指数

由图2可见，大部分软硬沥青复合胶结料的PI值都在-1.5～1.0之间变化，满足规范A 级沥青PI值的要求.并且，对于A，B 2种岩沥青来说，随着其外掺量的增加，与软沥青复配而成的胶结料的PI值均持续增大，材料的感温性能逐渐弱化.表明岩沥青的加入可显著的改善复合胶结料的温度敏感性能.

2.2 高温性能

1）针入度 针入度试验是用以测定沥青的稠度，实质上是一种剪切蠕变实验，物理意义为表观粘度，反映了沥青在荷载作用下的变形能力.试验采用了最常用的3个温度：15，25和30 ℃，试验结果见图3.

图3 不同岩沥青掺加比例的复合胶结料针入度

由图3可见，在同一温度下，掺加A 岩沥青后的软硬沥青复合胶结料随着岩沥青掺量的增加，其针入度值不断减小，说明岩沥青的加入能够使软沥青变硬，从而使得复合胶结料抵抗变形能力增强.而当软沥青130＃掺加岩沥青含量为13%时，其针入度值与70＃基质沥青的值基本相当，即当岩沥青掺量大于13%时，复合胶结料与普通70＃基质沥青相比有更好的抗变形能力.

2）软化点与当量软化点 软化点是道路沥青最基本的性质指标之一，常用来表征沥青材料的高温性能，软化点越高，沥青的耐高温性能也就越好.本次试验采用环与球法的测试方法来测定沥青结合料的软化点，并计算了当量软化点，试验结果见图4.

图4 沥青软化点与当量软化点试验结果

由图4可知，复合胶结料的软化点和当量软化点都是随着A，B 岩沥青掺量的增加呈现增长的趋势，二者规律非常类似.对比发现，当130＃沥青中掺加A 岩沥青13%时，复合胶结料的软化点与70＃基质沥青相当.而B岩沥青掺量则需达到将近40%才可使得软硬沥青复合胶结料的软化点达到与70＃相近的水平，这在一定程度上反映出岩沥青中的沥青含量对于软化点的高低有较大影响.

3）粘度 本次试验采用美国BROOKFIELD旋转粘度仪DV-Ⅱ，试验方法为ASTM D4402.分别进行不同岩沥青掺量复合胶结料以及70＃基质沥青和SBS 改性沥青在120，135和160 ℃3个不同温度下的粘度试验.试验结果见表5.

由表5可见，软沥青加入岩沥青后，在不同的温度下其复合胶结料的粘度值都有明显的提高，且随着岩沥青掺量的增加而增大.当130＃软沥青中掺加约15%岩沥青时，复合胶结料与70＃基质沥青粘度值相当.

表5 不同温度沥青粘度试验结果 Pa·s

2.3 低温性能

1）延度 在我国现行的沥青标准规范中，延度是评价沥青低温抗裂性能的一项重要技术指标.已有试验表明，HMA 的低温抗裂性能与沥青的5℃延度有着密切关系.按照试验规范，本次试验测试了基质沥青、软硬沥青复合胶结料，以及SBS改性沥青的5 ℃延度指标，试验结果见表6.

表6 沥青延度试验（5 ℃） Pa·s

由表6可见，软质沥青掺加岩沥青后，5 ℃延度下降明显，且随着掺量的增加，延度下降愈加显著.这意味着复合胶结料的低温抗裂性能随着岩沥青掺量的增加而降低.且从A，B 2种不同矿物质含量的岩沥青试验结果可知，延度结果受矿物质含量的影响较大.矿物质含量越多，试验时当拉伸沥青试样到一定长度时，矿物质颗粒越易产生应力集中现象，从而使结果受到影响.因此，延度指标并不适用于评价软硬沥青复合胶结料的低温抗裂性能.

2）当量脆点 经大量的试验研究，认为采用当量脆点T1.2作为评价沥青结合料的低温抗裂性能指标是合理的.

试验计算结果见图7.

由图7可见，复合胶结料的当量脆点T1.2随着岩沥青掺量的增加，先呈现下降趋势，当下降到一定程度后呈现增加趋势.说明当岩沥青掺加比例在一定范围之内，可以改善复合胶结料的低温抗裂性能.当A 岩沥青掺量约13%时，复合胶结料的当量脆点T1.2达到了最低值，而之后又随着岩沥青掺量的增加而增加.说明岩沥青的掺加比例过高，会使复合胶结料的当量脆点升高，低温性能降低.

图7 当量脆点T1.2计算结果

2.4 老化性能

根据现行通用评价方法，本次试验采用旋转式薄膜加热试验（RTFOT）来反映基质沥青、复合胶结料的抗老化性能，试验结果见表7.

从老化前后25 ℃的针入度比实验结果可以看出，软沥青掺加岩沥青后其针入度比有明显的提高，且随着掺量的增加而增大，说明岩沥青可以改善复合胶结料的抗老化性能.掺加B 岩沥青后，其针入度比值增加不大，且当比例增至40%时还有所下降，这主要是由于B岩沥青含有大量的矿物颗粒，再加上矿物颗粒分布的分散性，影响了针入度试验结果的准确性.

表7 旋转薄膜加热试验结果

3 结 论

1）随着岩沥青外掺量的增加，复合胶结料的PI值均持续增大，材料的感温性能逐渐弱化，即岩沥青的加入可显著改善复合胶结料的温度敏感性能.

2）对复合胶结料进行相关性能试验，得出岩沥青掺量的增加会提高复合胶结料的高温性能、老化性能，且掺量越大，改善效果越明显；但过高掺量的岩沥青会降低复合胶结料的低温性能.

3）通过对比评价可知130＃软质沥青中掺加13%左右新疆岩沥青制备的复合胶结料其性能略优于普通70＃基质沥青.

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