天然岩沥青BRA对沥青胶浆改性机理 及其性能研究

符德

摘 要：以天然岩沥青BRA作为特殊的改性剂，采用BRA中的灰分分别取代0%、25%、50%、75%、100%的矿粉，分别制备BRA改性的沥青胶浆BVM和BSVM，通过接触角、热重分析和红外光谱试验，从宏观和微观角度研究BRA对沥青胶浆改性机理及其性能。结果表明：BRA掺入后提升了沥青胶浆的水稳定性，当灰分取代矿粉比例为100%时，BVM和BSVM與蒸馏水的接触角分别为89.7°、96.3°;BVM和BSVM的质量损失主要发生在300～500 ℃温度区域内，700 ℃以后TG曲线趋于平坦，DTG曲线在450 ℃左右达到峰值，质量损失率最大，BRA的掺入使沥青胶浆的热稳定性和耐老化性能得到提高;BRA对基质及SBS沥青胶浆的改性仅为物理共混的过程。

关键词：天然岩沥青BRA;沥青胶浆;改性机理;热重分析;红外光谱分析

中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）05-0014-04

Research on modification mechanism and properties of asphalt mastic with BRA

Abstract： BRA was used as a special modifier， using the ash in BRA to replace 0%，25%，50%，75%，and 100% of mineral powder， respectively， to prepare BRA modified asphalt mastic BVM and BSVM. The modification mechanism and properties of BRA on asphalt mastic were studied from the macro and micro perspectives by contact angle， thermogravimetric analysis and infrared spectrum. The results show that the water stability of asphalt mastic is improved after the addition of BRA. The contact angles between BVM and BSVM and distilled water are 89.7° and 96.3°respectively， when the proportion of ash replacing mineral powder is 100%. The mass loss of BVM and BSVM mainly occurs in the temperature range of 300 ℃～500 ℃. TG curve tends to be flat after 700 ℃. DTG curve reaches the peak at about 450 ℃， and the mass loss rate is the largest. The addition of BRA improves the thermal stability and aging resistance of asphalt mastic. The modification of virgin and SBS asphalt mastic by BRA is only a process of physical blending.

Key words： BRA;asphalt mastic;modification mechanism;thermogravimetric analysis;infrared spectrum

布敦岩沥青（BRA）是指所含无机矿物成分约为75%左右，而沥青含量约为25%的天然沥青[1-2]。研究表明，岩沥青可以作为外加剂来提升沥青混合料的路用性能，延长路面使用寿命[3-6];通过元素分析表明，BRA中的无机矿物组分主要为CaO[7-8];采用XRD及XRF研究发现，碳酸钙为BRA中无机灰分占比最多的化学成分[9];BRA可以提升沥青胶浆的高温流变性能及沥青混合料性能[10-11]。目前，我国对于天然岩沥青已有相关的规范指南，但还没有成套完善的混合料设计要求及标准体系指标，关于天然岩沥青BRA的改性机理及性能方面的研究还不全面[12]。

因此，本文以BRA作为特殊的改性剂分别对基质及SBS沥青胶浆进行改性，采用BRA中的灰分分别取代0%、25%、50%、75%、100%的矿粉，制备BRA改性基质沥青胶浆（简记为BVM）和BRA改性SBS沥青胶浆（简记为BSVM），通过接触角、热重分析和红外光谱试验研究了天然岩沥青BRA对沥青胶浆改性机理及其性能，以期进一步为BRA的推广应用提供参考。

1 原材料

1.1 沥青

采用中石化70#基质沥青及质量分数为4%SBS的改性沥青，分别对其主要技术指标进行检测，试验结果如表1所示。

1.2 天然岩沥青BRA

天然岩沥青选用印尼BRA，其灰分质量分数占75%以上，沥青质量分数约为25%。采用方孔筛对BRA的级配组成进行筛分分析，并对其含水率和密度关键性指标进行检测，试验结果如表2所示。

1.3 石灰岩矿粉

选用生产商供应的人工磨细石灰岩矿粉作为填料，对其表观密度及颗粒级配进行检测，试验结果如表3所示。

2 BRA改性沥青胶浆制备

按照粉胶比1.2，采用BRA中的灰分分别取代0%、25%、50%、75%、100%的矿粉，制备BRA改性基质沥青胶浆（简记为BVM）和BRA改性SBS沥青胶浆（简记为BSVM），共8组试样。

采用电磁搅拌设备及自动控温电炉进行沥青胶浆的制备。首先将称量的沥青加热，随后加入不同配比的BRA及矿粉，然后升温至搅拌温度，并以4 000～5 000 r/min的搅拌速率进行搅拌制得BRA改性沥青胶浆，再置入烘箱内发育一定时间;备用。不同沥青胶浆的制备工艺如表4所示。

3 试验结果及分析

3.1 接触角试验

本试验采用CA-100C型接触角测定仪，以蒸馏水为测试液，通过图像法分别测试蒸馏水与BRA改性的不同沥青胶浆之间的接触角，以此来评价BRA对沥青胶浆抗水损坏性能方面的影响，接触角试验测试结果如图1所示。

由图1可知，随着BRA中灰分取代矿粉比例的不断增加，BRA改性的不同沥青胶浆与蒸馏水之间的接触角逐渐增大，表明BRA的掺入提升了沥青胶浆的憎水性能;当BRA中灰分取代矿粉比例为100%时，沥青胶浆BVM和BSVM与蒸馏水的接触角分别为89.7°、96.3°，蒸馏水对沥青胶浆的润湿效果变差，形成较好的疏水界面，说明BRA可使沥青胶浆的抗剥落性能得到改善，提高水稳定性。

3.2 热重分析

本试验采用TG209F3型热重分析仪，以20 ℃/min的加热速率，使试样在氮气氛围中从30 ℃的试验温度升温至800 ℃，在此条件下测定BRA改性的不同沥青胶浆BVM和BSVM的质量变化情况，以此来评价BRA掺量对沥青胶浆热稳定性的影响规律。

BVM和BSVM的热重曲线TG及微商热重曲线DTG分别如图2和图3所示。从图2和图3可以看出，BVM和BSVM的质量损失主要发生在300～500 ℃温度区域内，另外沥青胶浆质量损失随着试验温度的升高逐渐增加，由DTG曲线可知BVM和BSVM的质量损失率在450 ℃左右达到最大，该阶段导致沥青胶浆质量严重损失的主要原因是由于沥青中轻质组分的挥发以及沥青质的分解[13]。BVM和BSVM的TG曲线基本在700 ℃以后趋于平坦，对于BVM在650～750 ℃温区内的DTG曲线上有峰，存在质量损失，而BSVM在此温度区域内的质量损失不明显，这主要是由于残存沥青质的挥发及碳化导致了该阶段的质量损失。

由图2和图3还可以看出，在300～500 ℃温度区域内，当BRA中灰分取代矿粉比例为0%时，BVM和BSVM的质量损失分别约为45%、40%;当BRA中灰分取代矿粉比例为100%时，BVM和BSVM的质量损失分别约为35%、33%。即当BRA中灰分取代矿粉比例从0%增加至100%时，BVM和BSVM的质量损失分别降低了约为10%、7%，说明经过BRA改性的基质及SBS沥青胶浆的热稳定性提高，高温热降解难度增大，提升了沥青胶浆的高温抗老化性能。

3.3 傅里叶变换红外光谱分析

本文采用傅里叶变换红外光谱仪，从微观角度研究了BRA对沥青胶浆的改性机理。BRA与BVM及BSVM的红外光谱图分别如图4和图5所示。

从图4中可以看出，BRA和BVM-100%的红外光谱图在波数3 400 cm-1处出现了O—H伸缩振动峰，这主要是由于在样品测试过程中空气湿度过大所造成的;沥青中饱和烷烃及苯环上C—H键的伸缩振动在2 923 cm-1和2 852 cm-1波数处出现了吸收峰;受空气中二氧化碳浓度的影响，在2 512 cm-1波数处出现了CO2吸收峰;在1 797 cm-1波数附近处存在酯类C—O双键振动吸收峰;在1 600 cm-1～1 400cm-1波段处出现了烯烃及芳香烃C—C双键的振动吸收峰;由于脂肪族的S—O双键的伸缩振动在1 030 cm-1处出现了吸收峰;由于沥青胶浆中存在BRA的灰分及新掺的石灰岩矿粉，在873 cm-1和711 cm-1波数处出现了碳酸盐矿物CO32-振动的特征吸收峰。由图5可知，BSVM的红外光谱吸收峰的位置基本与BRA改性的基质沥青胶浆BVM相类似，只不过在1 646cm-1波数处出现了烯烃中C—C双键振动吸收峰的偏移。

通过红外光谱测试分析可知，BRA的掺入对基质沥青胶浆吸收峰的位置并未造成影响，而BRA掺入后使SBS沥青胶浆烯烃中C—C双键的吸收峰发生偏移，但均没有新的红外吸收峰产生，说明BRA对基质及SBS沥青胶浆的改性而非化学作用，仅是一个物理共混的过程。

4 结語

（1）通过接触角试验，表明掺入BRA后提升了沥青胶浆的憎水性能，当灰分取代矿粉比例为100%时，BVM和BSVM与蒸馏水的接触角分别为89.7°、96.3°，提高了水稳定性;

（2）采用TG和DTG曲线分析可知，BVM和BSVM的质量损失主要发生在300～500 ℃温度区域内，700 ℃以后TG曲线趋于平坦，DTG曲线在450 ℃左右达到峰值，质量损失率最大;

（3）通过TG曲线分析，BRA中灰分取代矿粉比例从0%增加至100%时，BVM和BSVM的质量损失分别降低了约为10%、7%，说明BRA的掺入使沥青胶浆的热稳定性和耐老化性能得到了提高;

（4）采用红外光谱分析可知，BRA掺入SBS沥青胶浆后仅使烯烃中C—C双键的吸收峰发生偏移，并未有新的吸收峰产生，表明BRA对基质及SBS沥青胶浆的改性仅为物理共混的过程。

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收稿日期：2021-12-07;修回日期：2022-04-19

作者简介：符 德（1970-），男，本科，高级工程师，主要从事公路桥梁方面的工作。