天然瀝青與基質瀝青配伍性的應用研究

□文 /張亞鵬

為解決目前瀝青路面使用壽命短及早期病害嚴重的問題，瀝青路面普遍采用聚合物改性瀝青（多為SBS類），但國際石油價格的上升與改性劑等生產價格的上漲，促使道路建設者尋求新的改性瀝青材料替代產品。天然瀝青化學性質穩定，物理的耐老化、耐高溫等性能特別出眾，礦物質主要成分為石灰巖，不僅粒度細且吸附瀝青能力強，可有效提高瀝青的粘附性；同時天然瀝青與基質瀝青同屬石油衍生物的終端產物，兩者之間存在非常好的配伍性且混合時不存在離析現象，廣泛受到道路建設者的青睞。

1 試驗方案與原材料

采用2種瀝青性能評價指標體系，對天然瀝青改性基質瀝青后的瀝青進行配伍性研究：一是針入度評價指標體系；二是PG分級評價指標體系。

1.1 評價方法說明

針入度評價體系是最為普遍的瀝青評價標準，主要依據針入度、軟化點和延度3大基本指標。針入度是反映瀝青在等溫條件下軟硬程度，是評價瀝青等級的關鍵指標；軟化點則是測定瀝青的等粘溫度，主要用于評價瀝青的高溫穩定性；延度則反映瀝青在等溫條件下拉伸長度，主要用于評價瀝青的塑性變形能力。

美國在1987-1993年完成了耗資1.5億美元戰略公路SHRP研究計劃，開發了SUPERPAVE瀝青混合料技術，提出了瀝青PG分級的性能評價體系。PG分級是基于瀝青流變特性提出的，其理論基礎是彈性、塑性理論和流體力學，其中動態剪切流變儀DSR和彎曲梁流變儀BBR為建立某時段蠕變曲線和勁度模量提供了依據，Br ookf iel d旋轉粘度計通過計算剪應力和剪變率，能方便地測量瀝青高溫粘度。

1.2 試驗方案

本文旨在確定天然瀝青的適宜摻配比例范圍（本文所有摻配比例均為內摻法，即摻配量與瀝青總量的重量比）。主要研究對象為2種天然瀝青（特立尼達湖瀝青和印尼布敦巖瀝青），分別按不同摻量（0、20%、25%和30%）與基質瀝青（濱州70號A級）進行配伍，測試其指標予以評價并與SBS改性瀝青（倫特SBS類I-D級）對比研究。

1.3 原材料

所用的瀝青材料和試驗結果見表1-表3。

表1 瀝青檢測結果

表2 特立尼達湖瀝青檢測結果

表3 印尼布敦天然巖瀝青檢測結果

2 針入度評價指標分析

2.1 針入度

針入度試驗結果見圖1-圖3。

圖1 不同摻量瀝青針入度

圖2 針入度指數結果

圖3 針入度比結果

1）與基質瀝青和SBS改性瀝青相比，針入度降低顯著。在15℃時，不同摻量下2種天然瀝青的改性效果基本相同。但當溫度升高到25℃和30℃后，巖改性瀝青要明顯優于湖瀝青改性瀝青且隨溫度增加增長幅度逐漸加大后逐漸趨于平穩。但隨著天然瀝青摻量的逐漸增加，同種天然改性瀝青在相同溫度下，其瀝青針入度數值卻趨于減小且降低速率逐漸降低。

2）從針入度比來看，其數值明顯優于基質瀝青和SBS改性瀝青，但天然瀝青摻量每增加5%，針入度比平均約下降4%～5%，線形基本呈下降趨勢，這表明天然瀝青的摻量對天然改性瀝青的老化性能有一定影響，并非是摻量越多越好。湖瀝青改性相對于巖瀝青改性對于摻量的敏感性更強。同時，針入度比的下降并不能說明其抗老化能力的降低，因為天然瀝青中含有大量礦物質顆粒，對試驗造成一定影響。

3）對于針入度指數，其隨天然瀝青摻量增加，由負值向正值逐漸增大且增幅較快，當天然瀝青摻量接近30%時，指數＞0，湖瀝青改性比巖瀝青改性略優。由此可知天然瀝青的摻入，明顯改善了基質瀝青的感溫性能。

4）當量脆點指標隨天然瀝青摻量的增加而下降，說明其對基質瀝青低溫性能有一定影響，應控制加入量。

2.2 軟化點

軟化點試驗結果見圖4-圖6。

圖4 軟化點結果

圖5 當量軟化點結果

圖6 不同摻量瀝青軟化點與當量軟化點

1）普通瀝青摻加天然瀝青后，試驗結果顯著提高。不同摻量的湖瀝青改性，軟化點分別提高了18.9%、23.2%和28.4%且增長幅度逐漸加大，分別為2℃和2.5℃；不同摻量的巖瀝青改性，軟化點分別提高了16.8%、21.1%和25.3%，增長幅度保持在2℃左右。但軟化點增長幅度與摻量之間變化需進一步試驗確定。

2）由圖5可見，試驗結果也是顯著提高，與軟化點變化規律類似。不同摻量的湖瀝青改性與巖瀝青改性較普通瀝青，分別提高了13.7%、17.6%和21.5%和12.7%、15.8%和22.1%。說明天然瀝青可有效提高基質瀝青抗高溫變形的能力且隨摻量增加而增大。

3）與SBS改性瀝青相比，其軟化點和當量軟化點，隨摻量的提高已逐漸接近或超過改性瀝青水平，說明摻加天然瀝青做改性劑，其高溫性能已接近或超出SBS改性瀝青標準，但其實際使用效果和瀝青混合料性能仍需進一步試驗確定。

2.3 延度

延度試驗結果見圖7。

圖7 不同摻量瀝青延度與當量脆點

1）摻加天然瀝青后，延度指標大幅度下降且隨摻量增加而減小，延展能力降低。

2）摻加量＜20%時，其下降趨勢較快，但當＞20%后，下降幅度減小且趨于平緩。因為天然瀝青中含有大量礦物質細小顆粒，使其在拉伸中易出現應力集中的現象，從而影響檢測結果準確性。

3 PG分級體系研究

3.1 動態剪切流變DSR試驗

動態剪切流變DSR試驗結果見圖8和圖9。

圖8 不同摻量-不同溫度下湖瀝青改性瀝青DSR試驗

圖9 不同摻量-不同溫度下巖瀝青改性瀝青DSR試驗

1）在相同溫度下，隨著天然改性瀝青摻量的增加，老化前后的抗車轍因子亦逐漸增加且湖瀝青的增加相對巖瀝青更明顯。以70℃為例，摻量20%、25%、30%的湖瀝青改性瀝青原樣瀝青的抗車轍因子較基質瀝青分別提高 84.6%、131.6%、196.6%，RTFOT后的分別提高61.2%、109.0%、293.0%；摻量 20%、25%、30%的巖瀝青改性瀝青原樣瀝青的抗車轍因子較基質瀝青分別提高64.1%，97.4%、161.5%，RTFOT后的分別提高 46.8%、77.6%、218.9%。

2）相對于基質瀝青，摻加不同劑量的天然瀝青后，其高溫性能得到顯著提升，抗車轍性能得到顯著改善。抗車轍因子隨天然瀝青摻量增加而提高，這意味著當路面作用相同的載荷時，其可恢復的變形增加，抗車轍性能增強。

3）摻入天然瀝青后，其瀝青的PG高溫等級較基質瀝青都有明顯提升隨摻量的提高等級也逐漸提高。湖瀝青改性瀝青摻量為20%時，其高溫等級為PG70，比基質瀝青的PG64高出一個等級；摻量為25%、30%時，其高溫等級為PG76，比基質瀝青的PG64高出兩個等級，與改性瀝青同一等級。巖瀝青改性瀝青摻量為20%、25%時，其高溫等級為PG70，比基質瀝青的PG64高出一個等級；摻量為30%時，其高溫等級為PG76，比基質瀝青的PG64高出兩個等級，與改性瀝青同一等級。

3.2 彎曲流變BBR試驗

彎曲流變BBR試驗結果見表4。

表4 不同摻配方式與摻配比例下天然改性瀝青BBR

1）在試驗范圍內，基質瀝青摻入天然瀝青后，蠕變勁度s與蠕變速率m均有不同程度下降且下降趨勢一個是隨摻量增加而降低，另一個是隨試驗溫度下降而降低；兩者下降趨勢，以溫度影響下降尤為明顯。故在使用天然改性瀝青時，應特別關注使用地區的環境溫度和摻配比例，不是摻量越大，路用效果就越好。

2）在試驗范圍內，相同試驗溫度、相同摻量下，湖瀝青改性瀝青的低溫老化性要優于巖瀝青改性瀝青，但天然改性瀝青的摻量應予以控制，建議不超過25%。同時與相同試驗溫度下的基質瀝青或改性瀝青相比，仍有一定差距，這一方面也是下階段應繼續研究的。

3）在試驗范圍內，基質瀝青摻入天然瀝青后，低溫性能的改善不明顯，甚至有所下降。

3.3 布洛克菲爾德旋轉粘度試驗

布洛克菲爾德旋轉粘度試驗結果見圖10。

圖10 不同摻量下瀝青粘度試驗

在試驗范圍內，同一溫度下，不同摻量的天然改性瀝青的粘度均大于基質瀝青且隨著摻量的增加而增加。以135℃ 粘度為例，摻量20%、25%、30%的湖瀝青改性瀝青粘度分別比基質瀝青提高了99.7%、109.9%、139.7%；摻量20%、25%、30%的巖瀝青改性瀝青粘度分別比基質瀝青提高了121.6%、139.9%、156.0%。這表明天然瀝青可有效提高瀝青的粘度，增強瀝青與集料間的粘附性能，提高施工和易性，改善瀝青混合料的高溫抗車轍性能且巖瀝青改性瀝青粘度在同溫同摻量下要略高于湖瀝青改性瀝青。

4 結論

1）基質瀝青摻加天然瀝青后，可明顯提高瀝青的高溫抗車轍性能和抗老化性能，針入度、軟化點、粘度都有不同程度的提高，瀝青PG分級的高溫等級至少提高一個等級；同時對于瀝青的感溫性與施工和易性也有改善。

2）摻加天然瀝青后，雖然高溫性能顯著提高，但其低溫性能受到一定程度影響，故在使用天然改性瀝青時，應特別關注使用地區的環境溫度和摻配比例，不是摻量越大，路用效果就越好，就室內試驗結果而言，建議摻量不超過25%。

3）就本次試驗結果分析，湖瀝青改性瀝青的整體改性效果要優于巖瀝青改性瀝青，從不同摻配方式與比例的角度分析，25%摻量的湖瀝青最好，20%和25%摻量的巖瀝青、20%摻量的湖瀝青次之。