基于低含量岩沥青的复合改性技术研究*

李 凯，齐安乐，胡 运，胡 芃，武昊翔，王晓亮

(1.北京市市政工程研究院，北京 100037； 2.中国五洲工程设计集团有限公司，北京 100053； 3.北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司，北京 100037)

1 传统低含量岩沥青存在的问题及解决思路

1.1 存在的问题

岩沥青属于天然沥青，由于长期存在于自然界并经受了恶劣自然环境的考验，性能极其稳定，耐老化性能突出。传统低含量岩沥青(以布敦岩沥青为代表)相对于SBS改性剂、抗车辙剂等聚合物改性技术有一定优点，与基质沥青同种同源，配伍性好、不离析、工艺简便、耐候性好，能有效改善沥青混合料的高温性能。然而，传统低含量岩沥青原料中的高黏度沥青质，会因矿脉生成地域不同而具有不稳定性，有效沥青改性物质含量较低，仅18%～28%，即使是同一批原料沥青改性物质含量差异也较大。在进行配合比设计和生产时，往往会因为岩沥青原料的不稳定性造成体积特性发生变化，从而导致混合料物理力学性能发生改变，实际动稳定度3 000～4 000次/mm， 未完全达到提高路面高温性能的目的，低于DB11/T 1373—2016《沥青路面抗车辙技术规范》中抗车辙处理路段中面层>6 000次/mm 指标要求(岩沥青常用于中面层)。

1.2 解决思路

为解决工程应用中存在的性能不足问题，以沥青质含量为20%±2%的布敦岩沥青BRA为研究对象，基于相似相容原理，通过掺加外掺剂A(中东岩沥青)、B(沥青质)、C(硅藻土)、D(化学促进剂环烷油),形成BRA+A+B+D，BRA+A+C+D，BRA+B+C+D 3种不同配合比方案，制备沥青质成分含量较高的复合岩沥青(以下简称“HBRA”)，比选出性能优良的融合方案，从多方面对最佳方案的HBRA进行评价，对其形成的混合料进行路用性能试验，最后进行成本效益分析。

2 改性材料相似相溶

1)布敦岩沥青BRA 布敦岩沥青BRA是产于印尼布敦岛的天然沥青，常温下为黑色粉末状材料(见图1)，由黏度较高的岩沥青(rock asphalt，RA)和布敦岩(buton rock，BR)融合而成，由于沥青物质含量较低，可通过“干法”将岩沥青直接投入拌合锅进行沥青混合料生产。

图1 BRA外观

BRA中的矿物成分表面凹凸不平，较粗糙，具有发育完善的空隙结构(见图2，3)，许多空隙深达矿物成分内部，且矿物成分结晶程度较高，以上特征决定了BRA矿物成分对基质沥青有极强的吸附能力。BRA颗粒内部成分探测如图4所示，由图可知，BRA中的C，S，O含量很高。由图3可知，矿物表面吸附着其他物质，说明BRA对高黏度的纯沥青有很强的吸附力，两种物质在经过数亿万年的热力、高压、氧化和细菌作用后形成沥青-矿物的共混体物质，这种物质比普通沥青更稳定，且黏结力更强，从而表现出更优性能。

图2 BRA 50.0μm ESEM照片

图3 BRA 5.0μm ESEM照片

图4 BRA颗粒内部成分探测

2)外掺剂A(中东岩沥青) 中东岩沥青为产于中东地区的天然沥青，沥青物质含量高达85%～95%，只能采用“湿法”预先将岩沥青与基质沥青高温下研磨融合成改性沥青后进行生产。中东岩沥青与BRA同属于同种同源的天然沥青类物质，因此，外掺剂A与BRA能采用相似相容原理进行融合。

3)外掺剂B(沥青质) 沥青质为道路石油沥青的四组分之一，沥青质含量越高，针入度越小，高温性能越强，沥青脆性越大。

4)外掺剂C(硅藻土，见图5，6) 外掺剂C(硅藻土)成分与岩沥青中矿物成分BR相似，且与BRA微观表面结构相似，均具有发达的空隙结构，微观表面上微孔密集、比表面积大，因此，具有较强的吸附能力，能吸附大量微细的胶体颗粒。

图5 外掺剂C 5.0μm SEM照片

图6 外掺剂C 200μm SEM照片

5)外掺剂D(环烷油) 环烷油来自天然石油，含芳香烃类，芳香烃为道路石油沥青的四组分之一，具有优异的低温性能。

将布敦岩沥青及外掺剂A,B,C进行脱水、粉碎、筛分备用，外掺剂D作为融合剂备用。首先将外掺剂A，B，C加入到布敦岩沥青中进行物理共混，使两者均匀度达到98%以上，将外掺剂D加入到融合物中加热搅拌至均匀，收集得到高含量布敦岩沥青改性剂(HBRA)。

3 初步确定HBRA沥青质含量合理范围

初步探索HBRA中高黏度沥青质的合理范围，实现岩沥青较高含量条件下的“干法”工艺生产；改性沥青混合料动稳定度与抗车辙技术相当，动稳定度控制在≥6 000次/mm。

1)为实现沥青混合料“干法”工艺，应控制HBRA中沥青质含量。当HBRA中沥青质含量>60%，岩沥青颗粒加工完堆放后易发生团聚现象。

2)为实现沥青混合料动稳定度≥6 000次/mm，需探索HBRA高温性能。将BRA(沥青质含量20%)与中东岩沥青(沥青质含量90%)进行简单复合，形成沥青质含量35.4%，40.6%，48.0%，58.0%，65.0%的粗制HBRA，按HBRA中纯沥青质RA∶基质沥青=25∶75 (工程常用)进行沥青混合料拌制，后进行车辙试验。探索试验结果表明，沥青质含量保持在45%±2%的粗制HBRA改性剂，其动稳定度可达≥6 000次/mm。

4 HBRA配合比优化设计

根据初步确定的HBRA沥青质含量合理范围，选用不同改性剂，形成3种方案。在每种方案下，根据沥青质含量不同，有5种不同组合(5种组合下总有效沥青质含量变化很小，但各种外掺剂比例变化很大)。

1)方案1 HBRA1=BRA+A+B+D。组合1：HBRA1(沥青质含量为43.5%)= 70%BRA+5%A+25%B+D；组合2：HBRA1(沥青质含量为45%)= 65%BRA+30%A+5%B+D；组合3：HBRA1(沥青质含量为46%)= 65%BRA+20%A+15%B+D；组合4：HBRA1(沥青质含量为46.5%)= 65%BRA+15%A+20%B+D；组合5：HBRA1(沥青质含量为47%)= 65%BRA+10%A+25%B+D。

2)方案2 HBRA2=BRA+A+C+D。组合1：HBRA2(沥青质含量为43.5%)= 60%BRA+35%A+5%C+D；组合2：HBRA2(沥青质含量为44%)= 40%BRA+40%A+20%C+D；组合3：HBRA2(沥青质含量为45%)= 45%BRA+40%A+15%C+D；组合4：HBRA2(沥青质含量为46%)= 50%BRA+40%A+10%C+D；组合5：HBRA2(沥青质含量为47%)= 55%BRA+40%A+5%C+D。

3)方案3 HBRA3=BRA+B+C+D。组合1：HBRA3(沥青质含量为43%)= 65%BRA+30%B+5%C+D；组合2：HBRA3(沥青质含量为44%)= 45%BRA+35%B+20%C+D；组合3：HBRA3(沥青质含量为45%)= 50%BRA+35%B+15%C+D；组合4：HBRA3(沥青质含量为46%)= 55%BRA+35%B+10%C+D；组合5：HBRA3(沥青质含量为47%)= 60%BRA+35%B+5%C+D。

5 方案比选及改性沥青性能评价

采用针入度等级评价指标体系对3种方案进行比选，选出性能优良的融合方案。

5.1 试样制备

采用QHD A-70作为基质沥青，首先将HBRA样品通过0.3mm方孔筛去除筛余，然后将HBRA粉末缓慢加入140～150℃的热基质沥青中，手动搅拌至HBRA粉末被基质沥青裹覆且无结团时，换用沥青剪切机在3 000r/min状态下对其高速剪切30min，待HBRA在基质沥青中完全分散均匀且相融合后，放在温度为150～160℃的烘箱中，烘干60min。

5.2 针入度试验

根据对沥青针入度测试试验方法的规定，对不同沥青含量的HBRA1，HBRA2，HBRA3，QHD A-70基质沥青进行针入度试验，试验结果如图7～9所示。

图7 HBRA针入度指数PI趋势

图8 HBRA当量软化点T800趋势

图9 HBRA当量脆点T1.2趋势

由图7～9可知：

1)以针入度指数PI对3种配合比方案进行排序为方案2>方案1>方案3，以当量软化点T800对3种配合比方案进行排序为方案2>方案1>方案3，以当量脆点T1.2对3种配合比方案进行排序为方案3>方案2>方案1。

2)通过针入度试验对配合比方案2中的各组合进行排序，结果为：组合5>组合4>组合1>组合 3>组合2。

5.3 软化点试验

软化点反映了沥青在高温条件下的黏流特性，是沥青黏度的量化指标，软化点与黏度成正比，软化点越高黏度越大，则沥青在高温下抗变形能力越强。

根据对沥青软化点测试试验方法的规定，对不同沥青含量的HBRA1，HBRA2，HBRA3，QHD A-70基质沥青进行软化点测试，试验结果如图10所示。

图10 HBRA软化点趋势

由图10可知：

1)3种配合比方案下，各组合形成的HBRA改性沥青软化点TR&B比基质沥青高。在配合比方案1条件下，组合2的软化点最高，组合1的软化点最低，组合2形成的HBRA改性沥青软化点为基质沥青的1.36倍，组合1形成的HBRA改性沥青软化点为基质沥青的1.17倍；在配合比方案2条件下，组合5软化点最高，组合2软化点最低，组合5形成的HBRA改性沥青软化点为基质沥青的1.58倍，组合2形成的HBRA改性沥青软化点为基质沥青的1.33倍；在配合比方案3条件下，组合4软化点最高，组合1软化点最低，组合4形成的HBRA改性沥青软化点为基质沥青的1.24倍，组合1形成的HBRA改性沥青软化点为基质沥青的1.14倍。

2)通过软化点试验对3种配合比方案进行排序为方案2>方案1>方案3，在方案2中对各组合进行排序为组合5>组合4>组合1>组合3>组合2。

5.4 测力延度试验

沥青在低温条件下的性能是以测力延度试验得到的延度和拉力指标来进行综合评价。延度反映了沥青柔软特性，拉力反映了沥青劲度特性，具体表现为延度与拉力的反比关系越显著，则沥青低温抗裂性能越好。

根据对沥青延度试验方法的规定，对不同沥青含量的HBRA1，HBRA2，HBRA3，QHD A-70基质沥青进行测力延度测试，试验结果如图11～13所示。

图11 HBRA 10℃延度趋势

图12 HBRA 10℃最大拉力趋势

图13 不同组合HBRA 10℃拉伸柔量趋势

由11～13可知：

1)配合比方案2中的组合2，3和配合比方案3中的组合1，2，3，5形成的HBRA改性沥青其延度均大于基质沥青在同样温度条件下的延度，表明同条件下以上配合比方案组合中形成的HBRA能改善基质沥青低温性能。

2)配合比方案2中各组合形成的HBRA改性沥青在10℃条件下的最大拉力普遍高于同条件下配合比方案1，3中各组合形成的HBRA最大拉力，表明配合比方案2下各组合形成的HBRA改性沥青的劲度特性优于配合比方案1，3。

3)配合比方案3中的各组合拉伸柔量变化趋势明显小于配合比方案1，2的变化趋势，表明配合比方案3的低温性能优于配合比方案1，2。

6 综合比选

按排名得分的方式对各配合比方案中的组合进行打分，排名第1得6分，依次按1分的梯度进行递减，针入度、软化点、延度试验结果满足高温性能且低温性能优于基质沥青的各组合得分如表1所示。

由表1可知：

表1 各组合综合得分排名

1)在满足高温性能且低温性能优于基质沥青的条件下，配合比方案2形成的HBRA改性沥青优于配合比方案3形成的HBRA改性沥青。

2)在配合比方案2，3中，对各组分高、低温性能均满足要求的情况下进行综合排序为：配合比方案2中的组合3>配合比方案2中的组合2>配合比方案3中的组合1=配合比方案3中的组合3>配合比方案3中的组合2=配合比方案3中的组合5。

7 推广应用技术经济性分析

7.1 技术指标对比分析

对QHD A-70(基质沥青)、25%BRA(布敦岩沥青)、25%HBRA(高性能岩沥青)、抗车辙剂、SBS改性沥青、25%TLA(湖沥青)改性AC-20沥青混合料的动稳定度、低温弯曲破坏应变、残留稳定度(浸水、冻融)和疲劳寿命等路用性能指标进行对比分析，试验结果如表2所示。

表2 不同类型的改性沥青混合料技术指标试验对比

7.2 技术指标对比分析

对几种常用改性沥青混合料综合成本进行分析，如表3所示。

表3 价格排名及综合得分

根据常用改性沥青混合料高温稳定性、低温稳定性、水稳定性及疲劳性能等路用性能指标，依次按指标从高到低的顺序对各种改性沥青混合料进行打分，排名第1得6分，依次以1分的梯度进行递减，结合价格打分，以不同权重确定综合评价分数。如表4所示。

表4 不同分配权重下各种改性剂得分

由表4可知，高性能岩沥青最佳掺量下的HBRA改性沥青混合料的综合路用性能和TLA改性沥青混合料的改性效果相当，高于SBS改性剂和抗车辙剂改性沥青混合料。综合考虑路用性能优良的同时兼顾经济性，使用HBRA改性沥青混合料最优。HBRA混合料已成功应用于2020年北京城市道路大修工程中面层，累计使用HBRA混合料近万吨。

8 结语

1)通过微观分析、对比试验表明，HBRA(沥青质含量为45%)= 45%BRA+40%中东岩沥青+15%硅藻土+环烷油可行。

2)即使岩沥青中有效物质含量差异较大，也可通过此技术复配，使沥青类有效物质含量稳定在45%，动稳定度提高至6 000次/mm以上，达到《沥青路面抗车辙技术规范》的要求，并可实现较高沥青质含量条件下岩沥青的干拌生产。

3)HBRA技术先进、可行、经济合理，特别适用于易发生车辙病害的渠化交通、重载交通沥青路面。2层结构的路面推荐优先应用于下面层，3层结构的路面推荐优先应用于中面层。