布敦岩沥青改性沥青高温性能分析

吴源锋，廖 军，黄晚清，冯文凯，曹明明

(1.荣县交通运输局，四川 荣县 643100；2.成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都 610059；3.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

目前，沥青混凝土路面的车辙、坑槽等病害屡见不鲜，此类病害不仅产生在路面的表面层，也时常发生在中面层，修复起来较为困难，且维修成本较高[1].对此，科技人员开发出了许多性能优良的改性沥青，以防治沥青路面的病害.从沥青的改性方式来看，主要分为高分子聚合物改性和天然沥青改性.高分子聚合物改性沥青主要有： 废橡胶粉、SBS、SBR、PE改性沥青等.天然沥青改性沥青主要有： 岩沥青改性沥青与布敦岩沥青改性沥青.高分子聚合物SBS改性沥青以其优良的高温性能被广泛使用于各类道路工程领域，但SBS改性沥青也有许多缺点，如易分层离析，对拌和设备要求较高.岩沥青是石油在自然条件下生成的一种岩与沥青共混物，相关研究表明，其岩石矿物主要为呈碱性的CaCO3[2-3].布敦岩沥青改性沥青是一种天然的沥青改性剂，因其对基质沥青优良的改性性能，倍受道路工程领域青睐[4-9].本研究基于布敦岩沥青的微观结构和矿物成分，对布敦岩沥青改性沥青进行了相关试验，分析探讨了布敦岩沥青改性沥青的高温性能.

1 原材料及试验方案

1.1 试验原材料

本研究选用的沥青材料为布敦岩沥青，基质沥青为70#A级道路石油沥青，试验材料各项技术指标均满足相关规范要求[10-11]，具体如表1、表2所示.

表1 布敦岩沥青技术指标

表2 70#基质沥青技术指标

1.2 布敦岩沥青改性沥青的制备

选取布敦岩沥青和70#基质沥青在实验室制备布敦岩沥青改性沥青.其中，布敦岩沥青的掺量(布敦岩沥青与70#基质沥青的质量比)分别为0.0%，10.0%，20.0%，30.0%，40.0%，50.0%，60.0%.

布敦岩沥青改性沥青的制备方法为：将70#基质沥青放入烘箱中加热至180 ℃，按照设计比例称取一定质量的布敦岩沥青，加入到70#基质沥青中，并用玻璃棒搅拌均匀，采用转速为4 500 r/min的剪切机剪切、挤压30 min.剪切过程中确保沥青温度维持在180 ℃[10].

1.3 试验方案

本研究利用扫描电镜(SEM)观察布敦岩沥青及其岩石矿物的细观结构，并对布敦岩沥青中岩石矿物进行X射线衍射试验(XRD)分析其组成成分.通过对布敦岩沥青改性沥青进行常规性能试验、Brookfield旋转黏度试验以及动态剪切流变试验分析其高温性能.

2 布敦岩沥青的特性分析

2.1 布敦岩沥青微观形态分析

利用日立S-3000N型扫描电子显微镜，观察布敦岩沥青及其岩石矿物的微观形态，结果见图1.

图1布敦岩沥青的电镜扫描图像

由图1(a)可知，较大的布敦岩沥青颗粒是由较小的颗粒组成的，图中的黑色物质为岩石矿物表面黏附的沥青，表明布敦岩沥青是“沥青—矿物"的共混物.图1(b)显示，布敦岩沥青的岩石矿物表面凹凸不平，非常粗糙，为多空隙结构，且孔隙非常发达，深及岩石矿物内部.

2.2 布敦岩沥青岩石矿物成分分析

为研究布敦岩沥青中岩石矿物质的成分，采用DX-2700型X射线衍射仪对布敦岩沥青中的岩石矿物进行了测试.试验扫描方式为步进扫描，扫描范围为，2θ=5°～50°，步宽为，2θ=0.040°，其XRD衍射图谱如图2所示.

图2布敦岩沥青XRD衍射图谱

由图2可知，布敦岩沥青中岩石矿物主要成分为CaCO3，表明布敦岩沥青中岩石矿物呈碱性.此表明，试验制得的布敦岩沥青改性沥青也呈碱性，这使得沥青与集料之间的黏附性和抗剥离性能得到显著增强.

3 布敦岩沥青改性沥青高温性能研究

3.1 布敦岩沥青改性沥青的软化点试验

软化点(TR & B)是反映沥青高温稳定性的一个指标[12].本研究对各掺量布敦岩沥青改性沥青进行了软化点试验，试验结果见表3.

表3 布敦岩沥青改性沥青软化点试验结果

由表3可知，布敦岩沥青改性沥青软化点明显高于70#基质沥青，表明布敦岩沥青改性沥青高温性能优于70#基质沥青，且随着布敦岩沥青掺量的增加，改进沥青的高温性能将进一步增强.

3.2 布敦岩沥青改性沥青当量软化点

研究表明，采用环球法测蜡含量较高的沥青软化点，其结果往往比真实值偏高.当量软化点(T800)定义为与沥青针入度值为800时对应的温度，可认为用当量软化点代替软化点表示沥青高温性能，既发挥了环球法软化点的功能，又克服了蜡的影响[13].因此，本研究对不同掺量布敦岩沥青改性沥青进行针入度试验，获取试验温度分别15 ℃、25 ℃、30 ℃的针入度值，并计算出各掺量布敦岩沥青改性沥青当量软化点，结果如表4所示.

表4 布敦岩沥青改性沥青当量软化点试验结果

由表4可知，布敦岩沥青改性沥青当量软化点明显高于70#基质沥青，表明布敦岩沥青改性沥青高温性能优于70#基质沥青，且随着布敦岩沥青掺量的增加，改性沥青的高温性能将进一步增强.

3.3 布敦岩沥青改性沥青旋转黏度试验

本研究使用Brookfield旋转黏度仪测量各掺量布敦岩沥青改性沥青的135 ℃旋转黏度.Brookfield旋转黏度试验方法按照相关规范[14]执行，对每份掺量布敦岩沥青改性沥青均做3组平行试验，然后取平均值，试验结果如表5所示.

表5 布敦岩沥青改性沥青135 ℃旋转黏度

由表5可知，当布敦岩沥青掺量分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%时，改性沥青黏度分别是70#基质沥青(布敦岩沥青掺量为0%)黏度的100.51%、130.90%、185.91%、309.75%、338.74%、386.08%，表明布敦岩沥青改性沥青的高温抗车辙性能明显优于70#基质沥青.

3.4 布敦岩沥青改性沥青动态剪切流变试验

3.4.1 车辙因子G*/sinδ.

车辙因子(G*/sinδ)是评价沥青高温性能的指标，通过对沥青进行动态剪切流变试验来获得，其值越大表示沥青高温抗车辙性能越好.复数剪切模量(G*)是材料重复剪切变形时总阻力的度量，是剪应力最大值与剪应变最大值之比τmax/γmax，它包括两部分：弹性(可恢复)部分和黏性(不可恢复)部分.相位角(δ)是弹性和黏性变形数量的相对指标，δ越小，表明材料越接近于弹性体.本研究使用美国TA公司的AR-1500ex型动态剪切流变仪，依据AASHTO T315规范对原样布敦岩沥青改性沥青以及旋转薄膜烘箱老化(RTFOT)后的布敦岩沥青改性沥青进行试验[15]，获取车辙因子G*/sinδ以及相位角δ.试验结果见图3，其中图3(a)、图3(b)分别表示原样布敦岩沥青改性沥青G*/sinδ以及δ随试验温度变化的趋势图，图3(c)、图3(d)分别表示RTFOT老化后的布敦岩沥青改性沥青G*/sinδ以及δ随试验温度变化的趋势图.

由图3可知，RTFOT老化前后，70#基质沥青(布敦岩沥青掺量为0%)的G*/sinδ明显小于其余各掺量布敦岩沥青改性沥青，而其δ明显大于其余各掺量布敦岩沥青改性沥青，表明布敦岩沥青改性沥青高温性能明显优于70#基质沥青.RTFOT老化前后，各掺量布敦岩沥青改性沥青G*/sinδ均随着试验温度的升高而减小，而其δ均随着试验温度的升高而增大，表明其黏性变形的比例在增加，即抗永久变形能力在下降，高温抗车辙能力在降低.各掺量布敦岩沥青改性沥青的G*/sinδ随试验温度的升高呈现指数减小，且相关性系数较高，即G*/sinδ=AeBx，式中x为试验温度，A、B为回归系数，具体见表6.

图3 RTFOT老化前后布敦岩沥青改性沥青G*/sinδ以及δ随温度的变化

表6 布敦岩沥青改性沥青G*/sinδ随试验温度变化的回归系数A，B

为进一步分析布敦岩沥青改性沥青G*/sinδ及δ与布敦岩沥青掺量的关系，现将RTFOT老化前后的布敦岩沥青改性沥青G*/sinδ及δ随布敦岩沥青掺量的变化绘制图4，图4(a)、图4(b)分别表示原样布敦岩沥青改性沥青G*/sinδ以及δ随布敦岩沥青掺量的变化，图4(c)、图4(d)分别表示RTFOT老化后布敦岩沥青改性沥青G*/sinδ以及δ随布敦岩沥青掺量的变化.

由图4可知，试验温度相同时，RTFOT老化前后的布敦岩沥青改性沥青G*/sinδ均随着布敦岩沥青掺量的增加而增加，而其δ均随着布敦岩沥青掺量的增加而减小，表明其黏性变形的比例逐渐减小，抗永久变形能力逐渐增强，即高温抗车辙能力逐渐增强.试验温度相同时，布敦岩沥青改性沥青的G*/sinδ随着布敦岩沥青掺量的增加呈线性增加，且相关性系数较高，即G*/sinδ=Ax+B，式中x为布敦岩沥青掺量，A、B为回归系数，具体见表7.

图4 RTFOT老化前后布敦岩沥青改性沥青G*/sinδ以及δ随掺量的变化

表7 布敦岩沥青改性沥青G*/sinδ随布敦岩沥青掺量变化的回归系数A，B

由表7可知，随着试验温度的提高，改变布敦岩沥青掺量对沥青G*/sinδ变化的影响程度在降低，也就是对沥青高温抗车辙能力的影响程度在降低.

3.4.2 等车辙因子临界温度TG*/sinδ.

相关研究表明，根据车辙因子和温度之间的规律，预估车辙因子达到Superpave规范标准值(原样1.0 kPa，RTFOT 2.2 kPa)时的温度[16].本试验中的7种布敦岩沥青掺量的布敦岩沥青改性沥青等车辙因子临界温度TG*/sinδ如图5所示.

由图5可知，布敦岩沥青改性沥青等车辙因子临界温度TG*/sinδ随着布敦岩沥青掺量的增加呈线性增加，且相关性系数较高，表明沥青由于布敦岩沥青的掺入，其高温性能明显增强，且布敦岩沥青掺量越高的改性沥青较70#基质沥青高温性能越强.

图5布敦岩沥青改性沥青的TG*/sinδ随布敦岩沥青掺量的变化

4 结 语

本研究通过对试验结果的分析得出以下结论：

1)布敦岩沥青是“沥青—矿物"共混物，其岩石矿物表面凹凸不平，为多空隙结构，主要成分为CaCO3.

2)沥青的软化点、当量软化点、135 ℃旋转黏度值、G*/sinδ、TG*/sinδ等指标均表明布敦岩沥青改性沥青高温性能明显优于70#基质沥青，且布敦岩沥青掺量越高，高温性能越好.

3)RTFOT老化前后的布敦岩沥青改性沥青G*/sinδ与试验温度之间呈现较好的指数函数关系，与布敦岩沥青掺量之间呈现较好的线性函数关系；布敦岩沥青改性沥青的等车辙因子临界温度TG*/sinδ与布敦岩沥青掺量之间呈现较好的线性函数关系.

4)试验温度较低时，布敦岩沥青掺量的变化对布敦岩沥青改性沥青高温性能的影响更为显著.