天然岩沥青改性沥青混合料的性能研究

徐向前 张 菁 杨 宁 陈 涛 张昊宇

（中信建设有限责任公司，北京 100027）

0 引言

天然岩沥青是一种由无机混合物和沥青基质组成的材料，通常形成于岩石裂缝中[1]。天然岩沥青经过加工成粉末状后，与普通基质沥青具有良好的相容性，可以增加沥青混合料的黏稠度和弹性。研究表明，将天然岩沥青作为改性剂掺入基质沥青中，可以提高混合料的抗剥离性能、耐久性、抗剪力及其抗车辙和抗老化特性。这有利于降低路面病害的出现，同时提升道路的承重力和使用寿命。本文结合室内试验和试验路段铺筑两个方式，综合分析评价采用天然岩沥青对沥青混合料性能的改善效果。

1 工程概况

新堰南路北延线（ВK0+000~BK1+747.81）位于资阳临空经济区三草湾片区，起点于横三路，终点接娇子大道。新堰南路北延线为城市次干路，设计时速40km/h，新堰南路全长1747.81m，标准断面红线宽度29m。铺筑试验选用资阳市临空经济区新堰南路，上面层、中面层、下层面均采用天然岩沥青改性沥青。路面结构设计具体为：20cm 水泥稳定碎石底基层+20cm 水泥稳定碎石基层+20cm 级配碎石垫层+乳化沥青PCR-2（1.0L/m2）透层+7cm 中粒式天然岩改性沥青混合料AC-20C 下面层+5cm 中粒式天然岩沥青改性沥青混合料AC-13C 中面层+机械喷洒道路用改性乳化沥青黏油层（PCR-3）0.7L/m2+5cm天然岩改性沥青混合料AC-13C上面层，总厚度78cm。

2 天然岩沥青对基质沥青及集料产生的影响

2.1 天然岩沥青对基质沥青改性效果研究

采用埃索AH-70 号基质沥青，添加5%天然岩沥青。基质沥青的改性步骤如下：首先，根据预设的比例，将天然岩沥青加入基质沥青中，并进行持续25min的搅拌，以保证天然岩沥青在基质沥青中均匀分布，直至没有颗粒物存在。接着，将其混合物加热至175℃，并高速剪切20min，再将其置入175~180℃烘箱中，继续处理1.5h，最终得到改性沥青。为了明确基质沥青与经改性后沥青之间的性能差异，对两者都进行了针入度、延度以及软化点试验，试验结果见表1所示。

表1 埃索AH-70号沥青改性前后指标对照

通过使用天然岩沥青进行改性处理，改性后的沥青混合料抗高温性能较基质沥青明显提高。在加入天然岩沥青后，改性沥青的针入度和延度降低，而软化点升高。此外，随着天然岩沥青掺量的不断增加，沥青的感温性能也随之增加。

天然岩沥青具有网状结构，高温下具有多个活性点。混合天然岩沥青和基质沥青会增加沥青的黏稠度，降低针入度。但是若掺入基质沥青过多，就会改变沥青分子结合其他分子的能力，导致其延展度下降。天然岩沥青本身具有较高的含碳量，所以高温黏度较高，提高了沥青基质的高温性能和软化点。

2.2 天然岩沥青对不同粗细集料粘附性的影响

黏附性是指沥青所产生的结合集料的黏附力，该属性对沥青混凝土路面的使用耐久性影响较大。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，对于集料中最大粒径大于13.5mm 的颗粒，采用水煮法对基质沥青及天然岩沥青改性沥青的黏附性进行试验。该试验步骤为：先将沥青加热至145℃，然后把预热的集料浸入其中，保持15min 后取出，以确保集料完全被沥青包裹，然后在室温下冷却，最后在水中浸煮并观察沥青膜的剥落情况，以评定黏附性等级。该黏附性评定等级用来反映粗集料的抗水剥离能力，进而反映沥青混凝土路面的耐久性能。

试验结果表明，相较于基质沥青，天然岩沥青改性沥青对各种集料的黏附性表现更为出色，但同时集料的特性对黏附性也起着重要作用。天然岩沥青改性沥青与石灰岩在黏附性方面表现最佳，玄武岩的黏附性居中，花岗岩的黏附性则最低。不同成分的天然岩，其性能会有不同的表现。石灰岩是一种坚硬的沉积岩，含有碳酸钙（CaCO3），属于疏水性材料；而花岗岩主要成分包括长石、云母和石英，是一种岩浆岩。因此，沥青与集料的黏附性与集料本身的性质有一定的相关性。

3 天然岩沥青改性沥青混合料性能研究

设计选用AC-13C型基质沥青，加入不同量的天然岩沥青来进行试验，以此评估天然岩沥青对混合料路面性能的改善效果。

3.1 不同掺量的天然岩沥青改性沥青混合料高温性能

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE 20-2011），在确定的基准配合比情况下，添加不同用量的天然岩沥青（分别为3.5%、4.5%、5.5%），以分析在高温下，各种不同掺量的天然岩沥青对沥青基质混合料的影响情况。具体试验结果见表2。从表2的数据来看，把天然岩沥青加入基质沥青后，能够显著提升混合料的动态稳定性和抵抗变形的能力，这样就能增强混合料在高温环境中的抗车辙性能[2]。另外，随着天然岩沥青的加入量增大，混合料的高温表现也逐步得到提升。

表2 天然岩沥青改性沥青混合料的高温性能试验

3.2 不同掺量的天然岩沥青改性沥青混合料水稳定性

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE 20-2011），在确定的基准配合比下，分别添加3.5%、4.5%和5.5%的天然岩沥青，本试验旨在研究天然岩沥青在复杂环境特殊条件下对改性沥青混合料水稳定性能的影响。试验结果见表3所示。

表3 天然岩沥青改性沥青混合料水稳定性试验

根据表3 的数据，可以得出结论：天然岩沥青的加入对混合料的水稳定性影响较小，整体呈现先增强后减弱的趋势。这是由于天然岩沥青增加了胶结料的黏度，进而提高了混合料的水稳定性。

4 试验路铺筑后期观测

试验段选取资阳市临空经济区新堰南路段BK0+000~BK1+747.81，依据施工配比设计，天然岩沥青的掺量设定为整个沥青混合料的4.7%。然而，根据实际的施工情况，将天然岩沥青的掺量调整为4.6%，基质沥青的掺量为3.9%（因为天然岩沥青中包含的沥青成分可以替换掉相同数量的基质沥青）。

4.1 车辙试验检测

团队在试验现场借由保温桶采样进行了轮迹试验，制作出3块试样，其动态稳定度分别为7795次/mm、8940 次/mm 以及9050 次/mm，平均值达8595 次/mm。在非测试区段，选用了普通沥青配合料，其动态稳定度为3957 次/mm。依据现场采样试验的结果来看，天然岩沥青的加入使得混合料的动态稳定度提高至8595次/mm，而一般的沥青配合料的动态稳定度则为3957次/mm。因此，添加天然岩沥青的混合料的动态稳定度是常规沥青的2.1 倍。这意味着天然岩沥青对沥青混合料的抗车辙性能有显著改善效果。

4.2 路面压实度检测

在取样试验后，得出芯样的原体积密度为2.439，而试验室标准密度为2.424，最大理论密度为2.611。通过计算，试验路的压实性能达到了试验室标准密度的99.8%，超越了标准规定的97%，同时相对于最大理论密度的压实性能也达到了93.4%，也超过了所规定的93%[3]。

4.3 路面抗渗水性能检测

为了评估试验路段中上面层沥青混合料的渗水系数，故进行渗水系数试验，测得结果为144ml/min 和139ml/min，符合设计要求的渗水系数<250ml/min。

5 结束语

综合上述试验分析，得出以下结论：

（1）天然岩沥青能提高基质沥青的软化点，其高温性能随着掺量的增加不断升高，针入度和延度会降低。

（2）通过加入天然岩沥青，可以增强沥青集料的粘附力，但过量会降低这种粘性。

（3）添加天然岩沥青有助于提高沥青混合料在高温下的稳定性，且提升效果显著。随着掺入量的增加，这种效果会更加显著。

（4）沥青基质混合料水稳定性随着天然岩沥青的掺入，其水稳定性出现先升后降的趋势，存在最佳的掺配比例。