国产天然沥青对基质沥青路用性能的影响

马 峰，傅 珍，栾媛媛

(1.长安大学 公路学院，陕西 西安710064;2.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安710064)

0 引 言

掺加改性剂是提高沥青路面高温稳定性和耐久性常用的方法。天然沥青是在长期地质环境变化下，经历复杂的物理化学变化石油类物质形成的产物。因为天然沥青本身就是一种沥青，而不是人工合成的有机或无机的材料，它自身与基质沥青有良好的融溶性，属于沥青基与沥青基的掺配类型，基质沥青不会对它产生排斥现象。只需将天然沥青加入到基质沥青中，在规定的温度下进行搅拌即可，实施工艺简便，易操作，降低了投资成本。并且改性沥青很稳定，在运输、储存、使用的过程中都十分便捷。

由于天然沥青的突出的路用性能特性，国内外对改性沥青、天然沥青对石油基质沥青的路用性能的改善的研究也越来越多［1-3］。郝孟辉等［4］，樊亮等［5］对天然沥青的组成、分类进行了分析，研究了岩沥青的改性效果;文龙等［6-10］针对天然沥青的材料特性及高温性能、低温性能进行了研究，认为天然沥青的高温性能得到明显改善，但低温性能则有不同的效果;黄文通等［11-12］针对布敦岩沥青改性沥青混合料的路用性能进行了研究，均认为其显著改善了其高温性能，但却降低了其低温性能。虽然相关文献对天然沥青的性能进行了一些研究，但大多集中于国外天然沥青，针对国产天然岩沥青路用性能的研究还较少。为了更好地研究国产天然沥青，提高国产天然沥青在道路工程中的有效利用，本文采用国内典型的四川天然岩沥青作为改性剂，系统分析其对石油基质沥青路用性能的影响。

1 原材料性能及试验方法

1.1 基质沥青

本研究采用的基质沥青为西石化70#沥青，其技术性质见表1。

表1 西石化70#基质沥青技术性质Tab.1 Properties of 70#base asphalt of Xishihua

1.2 天然沥青

试验采用四川天然岩沥青如图1 所示，外观呈黑亮色，四川天然岩沥青，主要组成成分是分子量高达10 000的沥青质;其化学构成主要为碳81.7%、氢7.5%、氧2.3%，以及氮、硫、铝、铁、硅及其他金属等［13］。因为常温下它长期与环境共存，所以其性质稳定。又因为其物理和化学性质几乎与基质沥青的完全一致，因此把天然沥青掺入到基质沥青中去，两者的混融性良好，为改善基质沥青的性能提供便利条件。

天然沥青开采出来是块状，大小不一。为了便于天然沥青掺加基质沥青中，将天然沥青粉碎，用1.18mm 的方孔筛筛选。本文按照天然沥青与基质沥青的质量比制备天然沥青改性沥青，天然沥青掺量为0、2%、4%、6%和8%，矿料级配是AC-16I。

2 天然沥青改性沥青高温性能和粘附性能

2.1 天然沥青对西石化基质沥青高温性能的改善

根据公路行业试验规程要求，开展不同剂量的四川天然沥青后改性沥青软化点试验，试验结果曲线如图2 所示。

图1 四川天然岩沥青Fig.1 Natural rock asphalt of Sichuan

图2 西石化70#沥青掺加天然沥青改性前后软化点图Fig.2 Softening point of asphalt modified with natural asphalt before and after

图2 中数据表明，西石化基质沥青经四川天然沥青改性后各个掺量的软化点都大幅增大，可见改性沥青的高温稳定性得以普遍提高。当天然沥青掺量从0%逐渐增加到10%，西石化70#沥青的软化点提高53.85%，并且随着天然沥青掺量的增加，基质沥青的软化点呈现逐渐增大的趋势，说明天然沥青对基质沥青的高温稳定性的改善效果明显。

由于所采用的针入度温度均在30 ℃以下，蜡处于结晶状态，因此当量软化点不会受蜡含量的影响，并且还能够很好的说明沥青的高温性能。本研究中当量软化点T800采用在三个温度(15 ℃、25 ℃、30 ℃)下测得的针入度P，按式lgP=AT+K 进行线性回归，计算得到当量软化点值。图3 是西石化70#沥青改性前后当量软化点T800及环球软化点TR＆B试验结果。

从图3 可以看出，西石化基质沥青改性前后的当量软化点T800和实测软化点TR＆B之间有很好的规律性。实测软化点比当量软化点增长的速率要快一些，并且当天然沥青掺量为10%时，当量软化点出现明显的回落现象，这种现象恰好说明了沥青中蜡含量的存在使得沥青的实测软化点出现偏高的假象。同时，从T800的计算结果可以看出，对于西石化70#沥青，天然沥青从0%增加到10%，当量软化点从61.3 ℃提高到74.2 ℃，提高了21%，但是天然沥青从0%到8%，当量软化点从61.3 ℃提高到89.3 ℃，提高了45.7%。从中可以看出，天然沥青对于基质沥青的改性存在一个最佳的掺量，在此对于当量软化点来说，最佳掺量为8%。从图中数据可以得出结论:天然沥青的掺加能够很好地改善基质沥青的高温稳定性，随着天然沥青掺量的增加，改性沥青的高温稳定性逐渐增强。

2.2 天然沥青对西石化基质沥青粘附性影响

对于沥青路面来说，沥青与集料之间的粘结力必须要足够大，否则沥青将会渐渐发生剥离。为维持沥青路面的稳定耐久，必须保证沥青与集料之间的抗剥离性和粘附性。本研究采用水煮法试验。西石化70#沥青掺加不同掺量的天然沥青的粘附性试验见表2。

图3 西石化70#沥青掺加天然沥青改性前后T800和TR＆B比较Fig.3 T800 and TR＆B of asphalt modified with natural asphalt before and after

表2 基质沥青掺加不同天然沥青的粘附性等级Tab.2 Adhesion levels of asphalt modified with natural asphalt

从表2 可以明显看出，基质沥青掺加不同掺量的天然沥青之后，改性沥青的粘附性出现一定的规律:对于石灰岩、辉绿岩和花岗岩，随着天然沥青掺量的增加，改性沥青的粘附有一定的改善。同时也可以看出，改性沥青对不同岩石的粘附性不同，这主要是与集料本身的性质有关。基质沥青与其改性沥青和石灰岩的粘附性等级最高，这主要是因为石灰岩属于沉积岩类，主要成分为方解石;花岗岩为酸性岩类，是一种典型的亲水憎油性的石料，因此本身与沥青的粘附性较差;而辉绿岩则处于它们两者之间。这表明，决定沥青与集料粘附性的关键因素是集料的化学性质。

3 天然沥青对石油基质沥青低温性能和水稳定性的影响

3.1 不同剂量的天然沥青对同种基质沥青低温性能的影响

低温延度、玻璃化温度以及当量脆点都能够在一定程度上反应出沥青的低温性能。因此本研究采用这三种指标的研究分析天然沥青对石油基质沥青低温性能的影响。

本研究采用10 ℃和15 ℃的延度值，西石化70#沥青掺加不同剂量的四川天然沥青的延度值如表3所示。

表3 西石化70#沥青掺加不同剂量的天然沥青的延度Tab.3 Ductility of asphalt modified with natural asphalt

从表3 可以看出，西石化70#沥青掺加四川天然沥青后，10 ℃和15 ℃延度值明显的降低，并且随着天然沥青掺量的增加延度值呈逐渐降低的趋势。从表中可以看出，10 ℃和15 ℃延度值降低的幅度有些差距，15 ℃延度降低的幅度要比10 ℃的要大一些。说明天然沥青在低温延度方面对基质沥青的改性是不利的。

一般认为针入度越大、针入度指数越大，沥青的脆点越低，抗裂性能越好。根据有关研究认为脆点温度下沥青劲度或者粘度不一样的原因是与沥青的组成成分有关。根据不同温度针入度试验数据，当量脆点计算结果见表4。

表4 西石化70#沥青掺加天然沥青后当量脆点及针入度指数Tab.4 Equivalent brittle point and PI of asphalt modified with natural asphalt

从表4 可以看出，天然沥青对西石化70#沥青改性后，沥青的当量脆点明显降低，并且随着天然沥青掺量的增加，改性沥青的当量软化点呈逐渐降低的趋势，针入度指数呈明显的增加趋势。数据表明，当西石化70#沥青掺加天然沥青改性后，其低温性能得到了一定的改善。综合延度试验结果可知，天然沥青在影响基质沥青低温性能方面，具有双重性。

通过对天然沥青改性沥青的差示扫描量热试验，分析四川天然沥青对西石化70#沥青低温性能的影响。课题组资料［3］表明，6%天然沥青的掺量在各方面的改善性能都比较良好，故本研究只选择了6%天然沥青掺量的改性沥青进行差示扫描量热试验，实验数据如表5 所示。

表5 沥青的玻璃化温度Tab.5 The glass transition temperature of asphalt

从表5 可以看出，基质沥青掺加6%四川天然沥青改性后，一定程度上提高了其玻璃化温度，在基质沥青-14.51 ℃的基础之上提高到-12.68 ℃，并且改性沥青的吸热量要比基质沥青的吸热量小，在基质沥青1.360 J/g 降低到1.120 J/g。

基质沥青开始时温度较高，之后经历一个渐进的降温过程，沥青释放出热量，其中的部分组分由原来的液态转变为固态。此时温度继续下降，沥青中的固体组分将会越来越多，沥青便由原来的粘流性态变为粘弹性态，直到温度低于沥青的玻璃化温度后，沥青变为坚硬的玻璃态。沥青的玻璃化温度越低，越能在较低的温度下保持一定的粘弹性，其低温性能比较好。当基质沥青掺入天然沥青后，改性沥青的玻璃化温度相对于基质沥青有所升高，说明天然沥青的掺入不利于沥青混合料在低温时具有一定的“柔韧性”。原因在于当天然沥青掺入到基质沥青中后，改性沥青的分子量变大，分子之间的极性键增强，使得改性沥青本身变硬，所以当温度降低时，改性沥青释放不出很多热量时就达到自身的玻璃化温度。改性沥青的玻璃化温度反比基质沥青的高约1 ℃，改性沥青的低温性能不会明显降低。

3.2 天然沥青对西石化基质沥青抗裂性影响

对西石化70#沥青掺加天然沥青改性前后进行沥青混合料低温弯曲试验，结果见表6。

表6 西石化70#沥青掺加四川天然沥青改性前后低温弯曲试验Tab.6 Bending test at low temperatureof asphalt modified with natural asphalt

表6 数据与图4 表明，天然沥青改性沥青混合料的极限抗弯拉强度和最大弯拉应变都得到了提高。当天然沥青的掺量为0%时，沥青混合料的抗弯强度为9.57 MPa，最大弯拉应变为2 957 με;而当天然沥青掺量为10%时，沥青混合料的抗弯拉强度为13.99 MPa，最大弯拉应变为3 511 με，分别提高了31.6%和15.8%。改性后沥青混合料最大弯拉应变增加，变形能力提高，低温条件下抵抗开裂的性能改善。但是值得注意的是，改性沥青混合料的劲度模量增加了9.64%，这说明虽然改性沥青混合料的低温抗裂性能总体上得以改善，但是沥青混合料的柔韧性并没有得到改善，相反还有所降低。

3.3 天然沥青对西石化基质水稳定性影响

图4 西石化70#沥青掺加四川天然沥青改性前后低温弯曲试验Fig.4 Bending test at low temperature of asphalt modified with natural asphalt

开展浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验分析天然沥青对基质沥青混合料水稳定性能的影响，试验结果如图5 所示。

图5 天然沥青改性沥青水稳定性能试验结果Fig.5 Water stability test of asphalt modified with natural asphalt

由图5 可以看出，随着天然沥青量的增加，沥青混合料的残留稳定度也不断增加。当天然沥青掺量从0%增加8%时，残留稳定度从81.28%增加至94.26%，比基质沥青的提高了15.97%。可见，基质沥青经过天然沥青改性之后沥青混合料的残留稳定度大大提高，同时说明天然沥青改性沥青混合料的水稳定性得到了一定的改善。

此外，对沥青混合料进行冻融劈裂试验，把试件分为两组，一组是未经过冻融，另一组是经过冻融。对于未经过冻融的一组试件，基质沥青混合料的劈裂强度为0.789 MPa。随着天然沥青量的增加，沥青混合料的劈裂强度也逐渐增大，当天然沥青的掺量为8%时，改性沥青混合料的劈裂强度达到1.02 MPa，提高了29.28%，天然沥青对于基质沥青混合料的冻融劈裂强度提高的幅度较大。对于经过冻融的一组试件来讲，基质沥青混合料的劈裂强度为0.686 MPa，随着天然沥青掺量的增加，这组试件的劈裂强度也逐渐增加，当天然沥青的掺量为8%时，改性沥青混合料的劈裂强度达到0.978 MPa，提高了42.57%。这说明天然沥青能够很好地改善沥青混合料的劈裂强度，并且改性沥青混合料经过冻融的混合料比未经过冻融的混合料提高明显，对于实际工程应用更具有重要意义。

4 结 语

①天然沥青的掺加能够很好地改善基质沥青的高温稳定性，随着天然沥青掺量的增加，其高温稳定性逐渐增强。天然沥青的加入能够提高沥青胶结料和集料之间的粘附等级，改善沥青和集料之间的水稳定性。

②基质沥青中掺入天然沥青后低温流变性表现为双重性，当基质沥青掺入天然沥青后，低温延度比基质沥青的延度有所下降，但当量脆点指标却有所改善，且改性沥青的玻璃化温度相对于基质沥青有所升高。

③通过沥青混合料的低温弯曲试验，掺入天然沥青后改性沥青混合料在低温时的最大拉应变和抗弯拉强度有所提高，而劲度模量增加了9.64%，表明改性沥青混合料的低温抗裂性能总体上得以改善，但柔韧性有所下降。

④基质沥青经过天然沥青改性之后沥青混合料的残留稳定度和劈裂强度明显提高，且改性沥青混合料经过冻融的混合料比未经过冻融的混合料提高显著，表明其水稳定性得到较好的改善。

［1］ MEHMET Y，MUHAMMED E.Effects of SBS and different natural asphalts on the properties of bituminous binders and mixtures［J］.Construction and Building Materials，2013，44:533-540.

［2］ BAHAVURAL K，MEHMET Y，PAKI T，et al.Evaluation of the mechanical properties of natural asphalt-modified hot mixture［J］.International Journal of Materials Research，2012，103(4):506-512.

［3］ 栾媛媛.天然沥青改性沥青路用性能研究［D］.西安:长安大学公路学院，2013.

［4］ 郝孟辉，郝培文，杨黔，等.玄武岩短切纤维改性沥青混合料路用性能分析［J］.广西大学学报:自然科学版，2011，36(1):101-106.

［5］ 樊亮，王林，宋小金，等.天然沥青组成、类别及在路用工艺中的适用性［J］.建筑材料学报，2009，12(3):365-368.

［6］ 文龙，王晓江，柳浩，等.布敦岩天然沥青的材料特性与改性机理分析［J］.公路，2011(6):142-145.

［7］ 樊亮，申全军，张燕燕.天然岩沥青改性对沥青路面性能的影响［J］.建筑材料学报，2007，10(4):740-744.

［8］ 尹应梅，张肖宁.布敦岩沥青对沥青胶浆高温流变特性的影响［J］.武汉理工大学学报，2010，32(7):85-89.

［9］ 谢东阳，但建明，代斌.天然沥青对基质沥青低温改性研究［J］.新型建筑材料，2011(1):60-63.

［10］陆兆峰，何兆益，黄刚.天然岩沥青改性沥青路面抗车辙性能分析［J］.公路交通科技，2010，27(5):17-21，25.

［11］黄文通，徐国元.布敦岩沥青混合料路用性能的试验研究［J］.华南理工大学学报:自然科学版，2012，40(2):87-91.

［12］刘树堂，杨永顺，房建果，等.布敦岩沥青改性沥青混合料试验研究［J］.同济大学学报:自然科学版，2007，35(3):351-355.

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