天然岩沥青对沥青及沥青混合料性能的影响研究

魏国栋，张治强，马岩

（1.内蒙古自治区交通建设工程质量监测鉴定站，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古自治区道路结构与材料重点实验室；3.呼和浩特市机械工程职业技术学校）

1 引言

石油在地壳的不断活动中经过长期复杂的物理化学变化而形成了天然岩沥青[1]，其代表产品位于南太平洋印度尼西亚苏拉威西岛东南部的布敦岛，天然岩沥青在我国的新疆、青海、四川等地也有丰富的储量[2]。天然岩沥青通常呈固态，由沥青物质和矿物质组成[3]，经加工成粉末状后与普通基质沥青具有极好的相容性，起到增黏、增弹作用[4-7]。经国内外研究表明，天然岩沥青作为一种改性剂加入到基质沥青中能改善沥青混合料的抗剥离性、耐久性、抗车辙性、抗老化性能，可以防止沥青路面病害的发生以及提高路面的服务水平，对延长道路的使用寿命也起到了积极的作用。因此以天然岩沥青为改性剂的改性沥青由于其优良的路用性能，取得了良好的经济效益和社会效益，具有非常广阔的应用前景。

本文在前人研究的基础上，采用室内试验方法对不同掺量的天然岩沥青的性能及沥青混合料性能进行研究，得出沥青及沥青混合料的性能变化规律，从而为实际工程应用提供参考。

2 天然岩沥青对基质沥青性能的影响

2.1 基质沥青及天然岩沥青性能指标

试验选用辽宁鑫源90#基质沥青，天然岩沥青选用布敦岩沥青。90#基质沥青试验结果见表1，天然岩沥青试验结果见表2，各指标试验结果均满足规范要求。

表1 90#基质沥青试验结果

表2 天然岩沥青试验结果

2.2 天然岩沥青对基质沥青改性效果研究

天然岩沥青改性基质沥青步骤：首先将90#基质沥青加热到135℃，然后将布敦岩沥青按规定的不同掺配比例加入到90#基质沥青中，充分搅拌20min 使天然岩沥青均匀分散在基质沥青中至无颗粒物为止，其次将沥青混合物加热至175℃高速剪切20min，搅拌完成后将其置于175℃～180℃烘箱中发育1.5h，使之形成改性沥青[8]。为比较基质沥青与改性后沥青的性能变化，取改性后的沥青和基质沥青分别进行针入度、延度、软化点试验，试验结果见表3和图1～图3。

图1 不同掺量的岩沥青与针入度的关系图

图2 不同掺量的岩沥青与延度的关系图

图3 不同掺量的岩沥青与软化点的关系图

表3 天然岩沥青对基质沥青改性效果

由图1～图3得出，基质沥青中掺入不同比例的天然岩沥青后，针入度、延度降低，软化点总体呈缓慢增长趋势。

天然岩沥青改性基质沥青后，改性沥青的高温性能得到了改善，并且随着天然岩沥青掺量的增加，沥青的感温性能也随之增加。但是随着天然岩沥青掺量的增加，天然岩沥青对基质沥青的低温性能影响较大。

天然岩沥青是一种网状结构，在高温的作用下沥青小分子具有很多活性点，随着沥青小分子的填充、包裹形成这种空间网状结构，天然岩沥青掺入基质沥青中使沥青的稠度增加，针入度降低；天然岩沥青的主要成分为灰分含量，在基质沥青中掺入过多的天然岩沥青会改变沥青分子的结合能力导致沥青延度大幅下降；天然岩沥青含氮量较高，导致天然岩沥青具有很好的高温粘度，使其软化点升高，改善了沥青的高温性能[9]。

2.3 天然岩沥青改性沥青对集料黏附性的影响

集料的黏附性在公路工程中是指沥青与集料的黏附能力。黏附性等级的大小与沥青混合料的路用性能息息相关，反映粗集料的抗水剥离能力，从而影响沥青混凝土路面的耐久性能。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）对于最大粒径大于13.2mm的集料应用水煮法进行试验，将预先加热的集料浸入到145℃的沥青中45s 后轻轻拿出，使集料颗粒完全被沥青膜所包裹，在室温下冷却15min后浸煮3min，在水中观察集料颗粒上沥青膜的剥落程度并评定其黏附性等级[10]。试验结果见表4。

表4 基质沥青、天然岩沥青改性沥青与集料的黏附性对比试验结果

由表4 得出，基质沥青、天然岩沥青改性沥青与石灰岩的黏附性等级最高，与玄武岩的黏附性等级居中，与花岗岩的黏附性等级最低。但天然岩沥青改性沥青与不同集料的黏附性更优。黏附性与集料的性质有关，石灰岩是一种比较坚硬的岩石，按成因分类属于沉积岩，主要成分是碳酸钙（CaCO3），是一种憎水性材料；而花岗岩属于酸性岩浆岩中的侵入岩，主要成分是长石、云母和石英，是一种亲水性材料。由此表明，沥青与集料的黏附性与集料本身的性质也有一定相关性。

3 天然岩沥青改性沥青混合料性能研究

选用AC-16C型沥青混合料，经过配合比设计确定出AC-16C型沥青混合料的最佳沥青用量为4.8%，在基准配合比确定的情况下依次加入不同掺量的天然岩沥青来分析天然岩沥青对沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性的影响，进而评价天然岩沥青对沥青混合料路用性能的改善效果。

3.1 不同掺量的天然岩沥青改性沥青混合料高温性能的对比分析

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011），在确定的基准配合比情况下分别掺入3.0%、4.0%、5.0%用量的天然岩沥青来分析天然岩沥青对沥青混合料的高温性能的影响，试验结果见表5和图4。

表5 不同掺量的天然岩沥青改性沥青混合料高温性能试验结果

图4 不同掺量的天然岩沥青改性沥青混合料高温性能关系图

由表5、图4 得出，在基质沥青中加入天然岩沥青后，天然岩沥青混合料动稳定度显著提高，抗变形能力增强，能够在高温作用下提高沥青混合料的抗车辙能力[11]，且随着天然岩沥青掺量的增加，沥青混合料高温性能逐渐增大。

3.2 不同掺量的天然岩沥青改性沥青混合料低温性能的对比分析

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011），在确定的基准配合比情况下分别掺入3.0%、4.0%、5.0%用量的天然岩沥青来分析天然岩沥青对改性沥青混合料的低温性能的影响，试验结果见表6和图5。

表6 不同掺量的天然岩沥青改性沥青混合料低温性能试验结果

图5 不同掺量的天然岩沥青改性沥青混合料低温性能关系图

由表6、图5 得出，在基质沥青中加入天然岩沥青后，天然岩沥青混合料低温性能缓慢下降，且随着天然岩沥青掺量增加，天然岩沥青混合料低温性能下降趋势更加明显。

3.3 不同掺量的天然岩沥青改性沥青混合料水稳定性能的对比分析

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011），在确定的基准配合比情况下分别掺入3.0%、4.0%、5.0%用量的天然岩沥青来分析天然岩沥青对改性沥青混合料的水稳定性能的影响，试验结果见表7、表8、图6和图7。

图7 不同掺量的天然岩沥青改性沥青混合料水稳定性能（劈裂强度）关系图

表8 不同掺量的天然岩沥青改性沥青混合料水稳定性能（劈裂强度）试验结果

图6 不同掺量的天然岩沥青改性沥青混合料水稳定性能关系图

表7 不同掺量的天然岩沥青改性沥青混合料水稳定性能（稳定度）试验结果

由表7、表8、图6、图7 得出，在基质沥青中加入天然岩沥青对沥青混合料水稳定性能的影响比较小，总体呈先上升后下降的趋势，其原因是天然岩沥青增加了沥青胶结料的黏度，提升了沥青混合料的抗水损害能力。但是随着天然岩沥青掺量的增加，沥青混合料内部的空隙率增加，导致沥青混合料的水稳定性下降[12]，总体变化幅度较低，但能满足沥青混合料对水稳定性能的要求。

4 结语

综上所述，本文从天然岩沥青对基质沥青的影响以及天然岩沥青对沥青混合料性能的影响研究结果中得出：

①天然岩沥青能改善基质沥青的软化点，且随着天然岩沥青掺量的增加，沥青的感温性能也随之增加，针入度及延度性能下降。

②天然岩沥青能改善基质沥青和集料的黏附性能。

③天然岩沥青对沥青混合料高温稳定性有较好的改善作用，且随着天然岩沥青掺量的增加，改善效果显著。

④天然岩沥青会降低沥青混合料的低温性能，且随着天然岩沥青掺量增加，沥青混合料低温性能的下降趋势更加明显。因此，在使用过程中要严格控制天然岩沥青的掺量，以求达到最佳的改性效果。

⑤天然岩沥青对沥青混合料水稳定性能的影响总体较小，总体呈先上升后下降的趋势，存在最佳的掺配比例。