青川岩沥青改性沥青及其混合料技术性能研究

游 鹏， 杨亚平， 李瑞霞

(1.郑州大学 水利与环境学院 河南 郑州 450001； 2.洛阳市公路管理局 河南 洛阳 471000)

青川岩沥青改性沥青及其混合料技术性能研究

游 鹏1,2， 杨亚平1， 李瑞霞1

(1.郑州大学 水利与环境学院 河南 郑州 450001； 2.洛阳市公路管理局 河南 洛阳 471000)

为了探究青川岩沥青对改性沥青及其混合料性能的影响，对掺量为6%、8%、10%、12%的改性沥青及基质沥青分别进行动态剪切流变试验和重复蠕变试验，由此确定青川岩沥青的最佳掺量，并对最佳掺量的青川岩沥青改性沥青混合料与基质沥青混合料进行路用性能试验研究.结果表明：掺量为8%时，改性沥青的综合性能最佳；岩沥青的添加可有效改善沥青混合料的高温稳定性能、水稳定性能，但对低温抗裂性能的影响，还需通过进一步的试验研究加以验证.

青川岩沥青； 流变性能； 最佳掺量； 路用性能

0 引言

随着我国交通事业的迅速发展及车辆大型化、重载化、渠化现象的加剧，沥青混凝土路面的早期破坏现象越来越严重[1]，这对我国沥青混凝土路面的性能提出了更高的要求.在此背景下，SBS等聚合物改性沥青的应用越来越广泛，不可否认，其在大大提高沥青路面使用寿命的同时，仍存在一系列问题，比如：需要特殊的生产设备、易离析、储运不便等，这与我国大力倡导的“资源节约型”社会发展战略相违背.如何使用新材料、新技术、新工艺来提高并保证高等级沥青路面的路用性能与使用寿命，成为各国科研工作者责无旁贷的重任.青川岩沥青是地壳中的石油类物质在长期地质环境变化条件下，经过复杂的物理、化学变化后所形成的产物，沥青质含量高达80%～90%，软化点很高，由于长期与自然界共存，性质非常稳定.岩沥青是石油的衍生物，与基质沥青配伍性良好，有研究表明[2-6]：相比于国外研究应用较为成熟的北美岩沥青和印尼布敦岩沥青，青川岩沥青对基质沥青及沥青混合料的改性效果略胜一筹.然而，国内对青川岩沥青的研究应用尚处于初级阶段[7]，且对其改性效果的评价尚未形成统一的标准与方法.基于此，对青川岩沥青改性沥青及其混合料技术性能的研究尤为必要.

1 原材料与试验方案

1.1 试验原材料

1.1.1 基质沥青 试验采用江阴生产的70#道路石油沥青，经检验，其各项性能指标符合JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的技术要求.具体检验结果如表1所示.

1.1.2 青川岩沥青 青川岩沥青的性能指标见表2.

1.1.3 集料 试验采用佛光生产的5档石灰岩集料，集料规格为：10～20 mm、10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm、石屑、矿粉，各项性能指标的检测结果满足JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的技术要求.

1.2 青川岩沥青改性沥青的制备

将基质沥青加热至160 ℃，按预定比例分4次加入青川岩沥青，在145～155 ℃内进行搅拌，搅拌时间一般为25～30 min，使青川岩沥青均匀分散于基质沥青中，再在160 ℃恒温烘箱中保温25～30 min.

表1 基质沥青性能指标检测结果

表2 青川岩沥青性能指标检测结果

1.3 试验方案

1.3.1 沥青流变性能试验研究 对基质沥青和掺量为6%、8%、10%、12%的青川岩沥青改性沥青(外掺法)分别进行动态剪切流变试验和弯曲梁流变试验，研究青川岩沥青对基质沥青流变性能的影响，并综合考虑性能试验结果及经济因素，推荐青川岩沥青的最佳掺量.

1.3.2 沥青混合料技术性能试验研究 对基质沥青混合料和最佳掺量下的青川岩沥青改性沥青混合料分别进行车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和小梁弯曲试验，研究青川岩沥青对沥青混合料路用性能的影响.

2 沥青流变性能试验结果及分析

2.1 动态剪切流变试验

分别对基质沥青和掺量为6%、8%、10%、12%的青川岩沥青改性沥青进行动态剪切流变试验，以抗车辙因子G*/sinδ为指标，评价沥青的抵抗永久变形能力.试验采用应变控制模式，频率取为10 rad/s.试验结果如图1所示.由图1可以看出：

1) 在相同的试验条件下，对于同一试验温度，抗车辙因子G*/sinδ均随青川岩沥青掺量的增加呈明显递增趋势.其中，选64 ℃与70 ℃时的抗车辙因子G*/sinδ进行单独分析.由试验数据可知，64 ℃时，掺量为6%、8%、10%、12%改性沥青的抗车辙因子G*/sinδ比基质沥青分别提高了98.43%、129.32%、212.04%、307.25%；70 ℃时，掺量为6%、8%、10%、12%改性沥青的抗车辙因子G*/sinδ比基质沥青分别提高了97.83%、128.26%、209.78%、308.39%.这些数据充分说明青川岩沥青可以显著改善基质沥青的高温流变性.

2) 对于改性沥青而言，64 ℃时，当掺量由0增加到6%时，抗车辙因子G*/sinδ增加了98.43%，当掺量由6%增加到8%时，抗车辙因子G*/sinδ增加了15.57%，当掺量由8%增加到10%时，抗车辙因子G*/sinδ增加了36.07%，当掺量由10%增加到12%时，抗车辙因子G*/sinδ增加了30.51%；70 ℃时，当掺量由0增加到6%时，抗车辙因子G*/sinδ增加了97.83%，当掺量由6%增加到8%时，抗车辙因子G*/sinδ增加了15.38%，当掺量由8%增加到10%时，抗车辙因子G*/sinδ增加了35.71%，当掺量由10%增加到12%时，抗车辙因子G*/sinδ增加了31.83%.这说明随着岩沥青掺量的增加，抗车辙因子G*/sinδ的提高幅度逐渐趋于平缓，由此也反映出岩沥青掺量的增加与高温流变性的改善并不成正比关系，综合考虑性价比，岩沥青存在一个最佳掺量.

2.2 重复蠕变恢复试验

分别对基质沥青和掺量为6%、8%、10%、12%的青川岩沥青改性沥青进行重复蠕变恢复试验，以累积应变γ为指标，评价沥青的流变性能.试验控制应力为120 Pa，采用加载1 s、卸载9 s的重复加卸载模式对沥青试样进行100次重复循环，试验温度为30 ℃、40 ℃、50 ℃.图2～4分别为不同沥青试样在不同试验温度下第10、20、30、40、50、60、70、80、90、100个加卸载周期的累计应变值图.

图1 不同试验温度下抗车辙因子G*/sin δ的试验结果Fig.1 The change of anti-rutting factor G*/sin δ in DSR test at different temperatures

图2 试验温度为30 ℃时累计应变γ在不同加卸载周期下的变化情况Fig.2 The change of accumulative strain γ with different loading and unloading cycles at 30 ℃

图3 试验温度为40 ℃时累计应变γ在不同加卸载周期下的变化情况Fig.3 The change of accumulative strain γ with different loading and unloading cycles at 40 ℃

图4 试验温度为50 ℃时累计应变γ在不同加卸载周期下的变化情况Fig.4 The change of accumulative strain γ under different loading and unloading cycles at 50 ℃

由图2～图4可以看出：

1) 在相同的试验条件下，对于不同的试验温度，随着加卸载周期的不断增加，基质沥青及不同掺量(6%、8%、10%、12%)的青川岩沥青改性沥青的累计应变值均呈线性增长趋势.

2) 对于同一试验温度，在相同的加卸载周期下，青川岩沥青改性沥青的累积应变值均随岩沥青掺量的增加而减小，且均小于基质沥青.就试验温度为50 ℃、加卸载周期为第50次而言，掺量为6%、8%、10%、12%改性沥青的累积应变值分别比基质沥青降低了54.25%、69.95%、75.07%、97.36%，这说明随着青川岩沥青掺量的增加，沥青的抗变形能力得到显著提高.

3) 选取试验温度为40 ℃时第50次加卸载周期的累积应变值进行分析，当掺量由0增加到6%时，累积应变值降低20.59%，当掺量由6%增加到8%时，累积应变值降低7.52%，当掺量由8%增加到10%时，累积应变值仅降低2.50%；当掺量由10%增加到12%时，累积应变值降低3.13%.这说明随着岩沥青掺量的增加，累积应变值的降低幅度逐渐趋于平缓，由此也反映出岩沥青掺量的增加与抗变形能力的改善并不成正比关系；此外，综合考虑3个试验温度下的累积应变值，尽管岩沥青掺量为12%时沥青抗变形能力相比于掺量为10%时显著提高，但沥青硬度的大幅度增加对低温性能的改善显然是非常不利的.综合考虑性价比，岩沥青存在一个最佳掺量.

基于沥青的动态剪切流变试验结果和重复蠕变试验结果，并综合考虑经济效益，推荐岩沥青的最佳掺量为8%.

3 沥青混合料技术性能试验结果及分析

3.1 沥青混合料配合比设计

试验采用AC-20C型级配，矿料级配如表3所示，最佳油石比为4.6%，设计空隙率为5%.岩沥青采用“干法”工艺进行掺配，掺量取为8%.

表3 沥青混合料矿料级配

3.2 高温稳定性能

目前，车辙问题是我国沥青路面损坏最为突出的一个问题.本文采用车辙试验，以动稳定度为指标来评价青川岩沥青对沥青混合料高温稳定性能的影响.试验结果如表4所示，其中，J代表基质沥青混合料，Y代表青川岩沥青改性沥青混合料.

由表4可以看出：在相同的试验条件下，改性沥青混合料的动稳定度明显高于基质沥青混合料的动稳定度，就平均动稳定度来说，掺加8%青川岩沥青的改性沥青混合料比基质沥青混合料提高44.63%.这说明青川岩沥青的掺加提高了沥青混合料抗永久变形的能力，从而有效地改善了沥青混合料的高温稳定性.

表4 沥青混合料的车辙试验结果

Tab.4 The results of asphalt mixture rutting test

试件编号变形量d1/mm变形量d2/mm动稳定度/(次·mm-1)平均动稳定度/(次·mm-1)J-11.7811.9534090J-21.6921.8364375J-31.6931.83743754280Y-11.0421.1426300Y-21.0061.1125943Y-31.0431.14363016181

青川岩沥青对沥青混合料高温稳定性的改善作用可作如下解释[8-10]：

1) 青川岩沥青中的沥青质含量和胶质含量远大于基质沥青，改性后沥青胶团的极性增强，使胶体结构由溶胶型逐步向溶凝胶型和凝胶型转变，沥青胶浆的高温稳定性增强，高温流变性得到改善.

2) 天然岩沥青的相对分子质量较大，当其在高温及小分子包围作用下，易造成天然岩沥青大胶束的破裂，使其暴露出更多活性点，而这些活性点将与混合料中的小分子物质结合形成“半聚合”作用，这不仅增强了青川岩沥青与基质沥青的相容性，而且增加了沥青胶浆与集料之间的黏附性，进而提高了沥青混合料的整体性.

3.3 水稳定性能

水损害是沥青路面的主要病害之一，本文采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，分别以残留稳定度MS0与冻融劈裂强度比TSR为指标来评价青川岩沥青对沥青混合料水稳定性能的影响.试验结果见表5、表6.

由表5及表6可以看出：在相同的试验条件下，改性沥青混合料的残留稳定度MS0、残留劈裂强度比TSR均明显高于基质沥青混合料，具体表现为掺加为8%的改性沥青混合料分别比基质沥青混合料提高17.42%、9.84%，表明青川岩沥青的添加提高了沥青混合料抗水损坏的能力，有效改善了沥青混合料的水稳定性.

青川岩沥青对沥青混合料水稳定的改善作用可解释为[10-11]：

1) 在天然沥青中，氮元素以官能团形式存在，这种存在使天然沥青具有很强的浸润性和对自由氧化基的高抵抗性，其他元素的官能团及侧链的存在共同发育了上述特征，具体表现就是沥青黏度增大，抗氧化性增强，特别是集料的黏附性及抗剥离性得到明显改善.

表5 沥青混合料浸水马歇尔试验结果

表6 沥青混合料冻融劈裂试验结果

Tab.6 The results of asphalt mixture freeze-thaw splitting test

试件编号非冻融作用冻融作用劈裂强度RT1/MPa均值/MPa劈裂强度RT2/MPa均值/MPaTSR/%J-10.000616J-20.000616J-30.0006280.000620.0005290.0005250.0004870.00051482.90Y-10.001041Y-20.000953Y-30.0010660.001020.0009400.0009270.0009190.00092991.06

2) 天然沥青中沥青质的杂原子集团含量高，芳香性和极性强，可改善沥青在集料表面的吸附作用，增强沥青的抗水剥离性.

3.4 低温抗裂性能

本文采用小梁弯曲试验，以破坏应变为指标来评价青川岩沥青对沥青混合料低温抗裂性的影响.试验结果见表7.

表7 沥青混合料小梁弯曲试验结果

由表7可以看出：在相同的试验条件下，改性沥青混合料的破坏应变均明显低于基质沥青混合料，其中，掺加8%青川岩沥青的改性沥青混合料的平均破坏应变比基质沥青混合料降低了8.26%.这说明青川岩沥青的添加对沥青混合料的低温抗裂性具有一定的不利影响.关于天然岩沥青能否改善沥青混合料的低温性能，目前所得结论还不完全统一.基于这种现象，一种说法认为天然岩沥青中所含的灰分影响了试验结果[10]，另一种说法认为目前测试沥青混合料低温性能的相关试验及指标并不适用于评价天然沥青改性沥青混合料[12].因此，对于青川岩沥青改性沥青混合料是否具有低温缺陷，还需要通过进一步的试验研究加以验证.

4 结论

本文通过室内试验分析了青川岩沥青对基质沥青及其混合料技术性能的影响，得出以下结论：

1) 青川岩沥青可以显著改善基质沥青的高温流变性能.综合性价比，推荐青川岩沥青的最佳掺量为8%.

2) 青川岩沥青可以有效增强沥青混合料的高温稳定性能和水稳定性能，尤其是高温稳定性能.

3) 青川岩沥青对沥青混合料的低温抗裂性能具有一定程度的不利影响.

4) 考虑到目前国内外关于添加适量的天然岩沥青是否有助于改善沥青混合料低温性能的研究结论还不完全统一，我们需要采用其他方法对不同掺量的青川岩沥青改性沥青混合料进行低温抗裂性能的评价分析，以澄清青川岩沥青是否具有低温性能的缺陷.

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(责任编辑：王浩毅)

Research on the Performance of Qingchuan Rock Asphalt Modified Asphalt Binder and Its Mixture

YOU Peng1,2， YANG Yaping1， LI Ruixia1

(1.SchoolofWaterConservancy&Environment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;2.LuoyangHighwayAdministrationBureau,Luoyang471000,China)

In order to research the influence of Qingchuan rock asphalt on the performance of asphalt binder and its mixture, the dynamic shear rheometer test and bending beam rheometer test were carried out on rock asphalt modified asphalt binder with the concentration 6%, 8% and 10% and control asphalt binder, and thereby to determine the optimal concentration of Qingchuan rock asphalt. Based on this, rock asphalt modified mixture at the optimal concentration and control asphalt mixture were subjected to pavement performance tests. The results showed that the comprehensive performance of rock asphalt modified mixture was the best when the concentration was 8%; rock asphalt could significantly improve the high temperature performance and water stability performance of asphalt mixture. However, for the effect on low temperature performance, it was necessary to carry out further tests to study.

Qingchuan rock asphalt; rheological properties; optimal concentration; pavement performance

2016-12-01

河南省科技厅科技攻关计划项目(162102210157).

游鹏(1972—)，男，河南新安人，高级工程师，主要从事公路工程建设与养护技术研究，E-mail：13608469880@139.com；通信作者：李瑞霞(1985—)，女，河南开封人，讲师，主要从事沥青及沥青混合料性能与结构研究，E-mail: liruixia031@163.com.

U414.1

A

1671-6841(2017)03-0117-06

10.13705/j.issn.1671-6841.2016238