北美岩沥青改善混合料性能的实验研究

秦 力，喻建军,2

（1、广州市设计院 广州510620；2、华中科技大学 武汉430074）

0 引言

北美岩沥青作为一种优质的沥青在道路建设中广泛运用，此外，它还能作为传统沥青的改性材料运用［1］。在传统的沥青材料中加入北美岩沥青可以调整原沥青材料的油分比例，改善其高温稳定性和强度，缓解路面出现因高温而产生的病害现象。

国外很早便开始研究北美岩沥青的运用［2，3］，但是主要集中于其在高荷载，特别是横向荷载下的道路区段，研究发现该沥青材料具有良好的抗车辙能力，其使用寿命可以高出传统沥青25%［4］。黄文通等人［5］从耐久性的角度进行分析，着重研究多种改性材料对沥青性能的影响；Janke等人［6］通过实验分析得出了不同改性剂对沥青抗车辙能力的作用。同时，国内学者也开始研究天然岩沥青，黄文通等人［5］采用软化点实验和动态剪切温度扫描实验，分析北美岩沥青改性沥青的高温性能。韩彪［7］从北美岩沥青的性质机理如附着高温集料、表面自由能以及原料配合比方面进行研究，探寻其对改善混合料水稳定性的机理，进行归纳研究。于水泳［8］通过对比2种广泛运用的天然沥青材料，确定天然沥青添加剂的掺量。陶子政［9］设计研究了多种掺量岩沥青/SBS 复合改性沥青性能变化规律，探讨了复合改性机理。

然而，目前的研究主要针对天然沥青在路面上的运用情况，对其微观机理的研究不足。故本文采用实验方法从宏观角度分析北美岩沥青的改性机理，同时采用红外光谱实验分析、差热扫描、扫描电镜法从微观角度研究北美岩沥青的改性机理。

1 实验方法

使用普通沥青混凝土和北美岩沥青混凝土在实验室获得级配的各项数据进行对比，其中普通沥青底层级配（A 型）与普通沥青底层级配（B 型）区分依据是含油量，岩沥青底层（A 型）与岩沥青底层（B 型）的区分是在普通沥青级配的基础上添加岩沥青量来定义，如表1所示。并进行了试验段北美岩沥青改性沥青混合料的试验，将普通沥青混合料的室内试验与北美岩沥青室内试验数据进行对照评价，分析北美岩沥青的路用性能及对比SBS改性沥青的经济效益。

表1 级配区分Tab.1 Classification

各种型号的沥青混凝土级配如下：

⑴AC-13普通沥青混凝土比例为（13～18 mm）石料∶（8～13 mm）石料∶（4～8 mm）石料∶（0～4 mm）细石∶石粉∶水泥=31∶32∶8∶27∶1∶1。

⑵AC-20（A型）普通沥青混凝土比例为（17～25 mm）石料∶（11～17 mm）石料∶（8～11 mm）石料∶（4～8 mm）石料∶（0～4 mm）细石∶石粉∶水泥=13∶26.5∶25∶6.5∶26∶2∶1。

⑶AC-20（B型）普通沥青混凝土比例为（17～25 mm）石料∶（11～17 mm）石料∶（8～11 mm）石料∶（4～8 mm）石料∶（0～4 mm）细石∶石粉∶水泥＝13∶26.5∶25∶6.5∶26∶2∶1。

⑷AC-13+15%北美岩沥青改性沥青混凝土级配与室内试验普通沥青级配一样，比例为（13～18 mm）石料∶（8～13 mm）石料∶（4～8 mm）石料∶（0～4 mm）细石∶石粉∶水泥=31∶32∶8∶27∶1∶1。

⑸AC-20（A 型）北美岩沥青改性沥青混凝土级配与室内试验普通沥青级配一样，比例为（17～25 mm）石料∶（11～17 mm）石料∶（8～11 mm）石料∶（4～8 mm）石料∶（0～4 mm）细石∶石粉∶水泥=13∶26.5∶25∶6.5∶26∶2∶1。

⑹AC-20（B型）北美岩沥青改性沥青混凝土级配与室内试验普通沥青级配一样，比例为（17～25 mm）石料∶（11～17 mm）石料∶（8～11 mm）石料∶（4～8 mm）石料∶（0～4 mm）细石∶石粉∶水泥=13∶26.5∶25∶6.5∶26∶2∶1。

1.1 沥青检测

配合比采用的普通沥青为70#石油沥青，检测结果如表2所示。

1.2 粗/细石料检测

下面层AC-20（A/B 型）沥青混凝土配合比设计和上面层AC-13 级配设计筛分结果如表3所示，下面层及上面层设计采用石料分别如表4、表5所示。

表2 70#普通沥青检测结果Tab.2 Test Results of 70# Ordinary Asphalt

表3 石料筛分结果Tab.3 Stone Screening Results

1.3 北美岩沥青检测结果

试验段配合比设计以及室内试验岩沥青配合比设计均采用北美岩沥青为100目（英制筛）粉末状岩沥青，检测结果如表6及图1所示。

表4 下面层石料密度结果Tab.4 Density Result of Lower Stone

表5 上面层石料密度结果Tab.5 Density Result of Top Layer Stone

表6 北美岩沥青检测结果Tab.6 North American Rock Asphalt Test Results

图1 北美岩沥青为100目（英制筛）粉末Fig.1 North American Rock Asphalt is 100 mesh（Imperial Sieve）Powder

1.4 填料检测

试验段配合比采用的填料是石灰石矿粉。检测结果如表7、表8所示。

表7 矿粉指标检测结果Tab.7 Test Results of Mineral Powder Index

表8 矿粉筛分结果Tab.8 Sieving Results of Mineral Powder

2 北美岩沥青改性沥青混凝土室内试验研究结论

AC-13、AC-20（A 型）、AC-20（B 型）的马歇尔试验指标、水稳定性以及车辙动稳定度都达到了改性沥青混凝土的技术要求，并且指标非常好，单从数据上分析，已经超过了其他同类改性混合料的对应规范数据。AC-20（B 型）的改性效果比AC-20（A 型）的改性效果有一定的优势，但是两者提高的性能相差较小，且AC-20（B 型）的成本比AC-20（A 型）的成本高，从性价比的角度出发，AC-20（A 型）的性价比高于AC-20（B 型）。如果沥青道路底层混合料添加了岩沥青，将会提高整个道路底层的综合性能，并且对道路的上面层有一定的帮助和支撑作用，间接增加了整条道路的使用寿命。如果沥青道路的底层和面层都添加岩沥青，那整条道路将会超过改性沥青道路的要求，而且道路所有的性能都将大幅提升，可推迟病害的到来时间，提高道路的耐用性。

3 北美岩沥青改善混合料机理的微观分析

3.1 红外光谱试验分析

红外光谱试验分析的原理是针对物质对不同波长红外辐射的反应不同，分析物质的官能团特征，根据指纹区（分子结构对应的吸收峰）吸收情况进一步确认该基团的存在以及其他基团的结合方式。

图2 为北美岩沥青改性沥青红外光谱，由图2 可知，沥青没有出现新官能团的吸收峰，说明北美岩沥青混合料和沥青之间为物理作用，即北美岩沥青混合料对沥青进行吸附进而溶胀。而对于北美岩沥青混合料来说，在964 cm-1处吸收减弱，这可能是由于C=C键在高温强研磨条件下和稳定剂的作用下被打开，北美岩沥青混合料之间进行了交联，形成了网络结构。

图2 北美岩沥青改性沥青红外光谱Fig.2 Infrared Spectrum of North American Rock Asphalt Modified Asphalt

3.2 差热扫描（DSC）分析

运用差示扫描量热法（Differential Scan⁃ning Calorimeter，简称DSC）可以分析改性沥青中聚集态组分的变化规律，进而探讨北美岩沥青混合料对沥青的热稳定性。

图3 中上端2 条曲线（绿线和蓝线）分别为AC-20（A 型）和AC-20（B 型）沥青的DSC 曲线，下端2 条曲线（红线和黄绿线）分别为北美岩沥青改性沥青和普通沥青的DSC曲线。从图3中可以看出：

⑴AC-20（A型）和AC-20（B型）沥青改性沥青的DSC曲线相对较平，没有明显的吸收峰变化，几乎可以忽略，说明2种改性沥青的热稳定性得到了提高；

⑵与普通沥青相比，加入北美岩沥青混合料后，DSC 曲线上吸热峰面积和峰值减小，由此可以得出，北美岩沥青改性沥青体系最为稳定，即北美岩沥青混合料的粒子与沥青的相容性好，没有发生相分离和分层、絮状和结团等现象，这也进一步反映了北美岩沥青改性沥青的储存稳定性较好。

图3 北美岩沥青改性沥青红外光谱Fig.3 Infrared Spectrum of North American Rock Asphalt Modified Asphalt

3.3 扫描电镜（SEM）分析

将北美岩沥青改性沥青粘在导电胶上，喷金后，进行冷场发射扫描电镜观测其形貌，观测结果如图4所示。

从图4 可以看出，相比普通沥青，北美岩沥青改性沥青表面更不平坦，有明显的突起，丝状分布较基质沥青明显，沥青粘度较高，同时，胶粉颗粒在沥青中变小。这一观测结果表明，北美岩沥青混合料加入到高温熔融的沥青中发生溶胀，形成均匀分散体系，见图4；当降温成型时北美岩沥青混合料中产生微相分离，形成物理交联网络，将沥青中低熔点、低粘度组分固着于网络中。此外，北美岩沥青改性沥青中加入单质硫等交联剂，使北美岩沥青混合料产生部分硫化，可形成硫化的大分子网络结构。

图4 胶粉改性复合沥青的形貌Fig.4 The Morphology of Rubber Powder Modified Composite Asphalt

4 实验分析总结

4.1 对比分析

室内试验普通沥青和室内试验岩沥青的3 组对比试件及车辙板生产和成型，均按照室内实验的要求进行，所选用的骨料、沥青、环境温度以及级配都是在相对应一致的前提下进行试件成型，再对试件进行3组实验检测，所得到的数据做参照对比分析，证明添加北美岩的沥青混合料比普通沥青混合料的各项技术检测数据都有所提高，如图5～8图和表9所示，特别是车辙试验的直观表现，具体结论如下：

图5 动稳定度对比Fig.5 Comparison of Dynamic Stability

图6 马歇尔稳定度对比Fig.6 Marshall Stability Comparison

⑴含有15%岩沥青的上面层混合料车辙数分别比普通沥青混合料车辙数上升了36.6%，分别含有15%和18%岩沥青的底层混合料车辙数分别比普通沥青混合料车辙数提高了99.9%、101.9%，如图5所示。

从图5 可知，3 个级配中含岩沥青的沥青混合料车辙数比不含岩沥青的沥青混合料的车辙数高，抗变形作用优异。

由图6 可知，含有岩沥青的沥青混凝土马歇尔稳定度比普通沥青混合料高。

由图7 可知，添加岩沥青的沥青混凝土浸水马歇尔稳定度比普通沥青混合料高。

由图8 可知，含有岩沥青的沥青混合料比不含岩沥青的普通沥青混合料更具有抗水损害的作用。

⑵如图9 所示，在普通沥青混合料里面只要有岩沥青的参与作用，将会增加沥青混合料的强度，抗车辙能力大大提升，而且最理想的添加量是15%，沥青混合料的抗车辙能力增强，比普通沥青混合料的疲劳寿命高，综合价格最优，既降低了材料费用又取得了很好的效果。

图7 浸水马歇尔稳定度对比Fig.7 Comparison of Marshall Stability Under Water

图8 劈裂强度对比Fig.8 Split Strength Comparison

图9 AC-13和AC-20混合料车辙变化Fig.9 Change of Rut of AC-13 and AC-20 Mixture

表9 普通沥青混凝土与北美岩沥青混凝土试验结果对比Tab.9 Comparison of Test Results of Ordinary Asphalt Concrete and North American Rock Asphalt Concrete

4.2 经济分析

以实验室试验配合比AC-13 油石比为5.1%的沥青混凝土为例，岩沥青改性混凝土与SBS 改性沥青混凝土进行经济对比分析，每吨SBS 改性沥青混合料需要SBS 改性沥青48.5 kg，按照目前国内市场单价为2 800 元/t 计算。每吨北美岩沥青改性沥青混凝土需要岩沥青改性沥青48.5 kg，其中北美岩沥青占普通沥青量的15%，即北美岩沥青用量为7.275 kg，70#普通沥青用量为41.23 kg，按照北美岩沥青目前国内市场单价3 500元/t，70#普通沥青目前国内市场单价2 000元/t进行分析，结果如表10所示。

从表10 中得出，1 t的SBS 改性沥青混凝土中SBS改性沥青的实际价格为135.9 元，1 t 北美岩沥青改性沥青混凝土中岩沥青改性沥青的实际价格为108 元。生产1 t 改性沥青混凝土，使用北美岩沥青改性沥青比使用SBS 改性沥青要节约27.9 元。北美岩沥青是一种自然资源，作为沥青混合料外加剂使用，丰富了公路建设材料的选择空间，减少对石油副产品的依赖。因此无论从科学层面、经济层面、社会层面等其他角度进行分析，北美岩沥青都具有较高的推广价值和潜力开发价值。

表10 北美岩沥青与SBS改性沥青的改性成本分析Tab.10 Modification Cost Analysis of North American Rock Asphalt and SBS Modified Asphalt

5 结论

本文采用马歇尔等多种方法设计了北美岩沥青改性剂沥青混合料，并深入研究了北美岩沥青混合料的路用性能。通过室内试验普通沥青混凝土与岩沥青混凝土的各项检测数据对比，表明北美岩沥青的改性混合料具有良好的改性效果，并用试验获得的数据对岩沥青的改性效果作进一步的证明，并分析了北美岩沥青改性混合料的直接经济性。对北美岩沥青混合料的路用性能，研究总结如下：

⑴从材料分析可知北美岩沥青是筛分目数很细的粉末材料，与沥青性质相差不大，只是形态上有所不同，因此北美岩沥青可袋装、罐装，运输途中不用像沥青那样加热或者保温，添加到混合料中生产过程简单，免去了沥青搅拌站增加其他的费用开支，生产工艺和施工工艺均和正常工艺一致。

⑵生产工艺简单，没有SBS 改性沥青高剪切的制造工艺流程，对沥青加热温度要求不高，产生废料的几率小，利于对生产过程中的温度进行控制。

⑶含有北美岩的混合料能达到改性混合料的作用，并较不含北美岩的混合料各项指标有较大程度的提升，大大超越了改性材料的技术要求，证明北美岩改性混合料能有效延长沥青道路的使用寿命，对道路的发展有着深远的意义。