青川巖瀝青改性瀝青及其混合料技術性能研究

游 鵬， 楊亞平， 李瑞霞

(1.鄭州大學 水利與環境學院 河南 鄭州 450001； 2.洛陽市公路管理局 河南 洛陽 471000)

青川巖瀝青改性瀝青及其混合料技術性能研究

游 鵬1,2， 楊亞平1， 李瑞霞1

(1.鄭州大學 水利與環境學院 河南 鄭州 450001； 2.洛陽市公路管理局 河南 洛陽 471000)

為了探究青川巖瀝青對改性瀝青及其混合料性能的影響，對摻量為6%、8%、10%、12%的改性瀝青及基質瀝青分別進行動態剪切流變試驗和重復蠕變試驗，由此確定青川巖瀝青的最佳摻量，并對最佳摻量的青川巖瀝青改性瀝青混合料與基質瀝青混合料進行路用性能試驗研究.結果表明：摻量為8%時，改性瀝青的綜合性能最佳；巖瀝青的添加可有效改善瀝青混合料的高溫穩定性能、水穩定性能，但對低溫抗裂性能的影響，還需通過進一步的試驗研究加以驗證.

青川巖瀝青； 流變性能； 最佳摻量； 路用性能

0 引言

隨著我國交通事業的迅速發展及車輛大型化、重載化、渠化現象的加劇，瀝青混凝土路面的早期破壞現象越來越嚴重[1]，這對我國瀝青混凝土路面的性能提出了更高的要求.在此背景下，SBS等聚合物改性瀝青的應用越來越廣泛，不可否認，其在大大提高瀝青路面使用壽命的同時，仍存在一系列問題，比如：需要特殊的生產設備、易離析、儲運不便等，這與我國大力倡導的“資源節約型”社會發展戰略相違背.如何使用新材料、新技術、新工藝來提高并保證高等級瀝青路面的路用性能與使用壽命，成為各國科研工作者責無旁貸的重任.青川巖瀝青是地殼中的石油類物質在長期地質環境變化條件下，經過復雜的物理、化學變化后所形成的產物，瀝青質含量高達80%～90%，軟化點很高，由于長期與自然界共存，性質非常穩定.巖瀝青是石油的衍生物，與基質瀝青配伍性良好，有研究表明[2-6]：相比于國外研究應用較為成熟的北美巖瀝青和印尼布敦巖瀝青，青川巖瀝青對基質瀝青及瀝青混合料的改性效果略勝一籌.然而，國內對青川巖瀝青的研究應用尚處于初級階段[7]，且對其改性效果的評價尚未形成統一的標準與方法.基于此，對青川巖瀝青改性瀝青及其混合料技術性能的研究尤為必要.

1 原材料與試驗方案

1.1 試驗原材料

1.1.1 基質瀝青 試驗采用江陰生產的70#道路石油瀝青，經檢驗，其各項性能指標符合JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的技術要求.具體檢驗結果如表1所示.

1.1.2 青川巖瀝青 青川巖瀝青的性能指標見表2.

1.1.3 集料 試驗采用佛光生產的5檔石灰巖集料，集料規格為：10～20 mm、10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm、石屑、礦粉，各項性能指標的檢測結果滿足JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的技術要求.

1.2 青川巖瀝青改性瀝青的制備

將基質瀝青加熱至160 ℃，按預定比例分4次加入青川巖瀝青，在145～155 ℃內進行攪拌，攪拌時間一般為25～30 min，使青川巖瀝青均勻分散于基質瀝青中，再在160 ℃恒溫烘箱中保溫25～30 min.

表1 基質瀝青性能指標檢測結果

表2 青川巖瀝青性能指標檢測結果

1.3 試驗方案

1.3.1 瀝青流變性能試驗研究 對基質瀝青和摻量為6%、8%、10%、12%的青川巖瀝青改性瀝青(外摻法)分別進行動態剪切流變試驗和彎曲梁流變試驗，研究青川巖瀝青對基質瀝青流變性能的影響，并綜合考慮性能試驗結果及經濟因素，推薦青川巖瀝青的最佳摻量.

1.3.2 瀝青混合料技術性能試驗研究 對基質瀝青混合料和最佳摻量下的青川巖瀝青改性瀝青混合料分別進行車轍試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和小梁彎曲試驗，研究青川巖瀝青對瀝青混合料路用性能的影響.

2 瀝青流變性能試驗結果及分析

2.1 動態剪切流變試驗

分別對基質瀝青和摻量為6%、8%、10%、12%的青川巖瀝青改性瀝青進行動態剪切流變試驗，以抗車轍因子G*/sinδ為指標，評價瀝青的抵抗永久變形能力.試驗采用應變控制模式，頻率取為10 rad/s.試驗結果如圖1所示.由圖1可以看出：

1) 在相同的試驗條件下，對于同一試驗溫度，抗車轍因子G*/sinδ均隨青川巖瀝青摻量的增加呈明顯遞增趨勢.其中，選64 ℃與70 ℃時的抗車轍因子G*/sinδ進行單獨分析.由試驗數據可知，64 ℃時，摻量為6%、8%、10%、12%改性瀝青的抗車轍因子G*/sinδ比基質瀝青分別提高了98.43%、129.32%、212.04%、307.25%；70 ℃時，摻量為6%、8%、10%、12%改性瀝青的抗車轍因子G*/sinδ比基質瀝青分別提高了97.83%、128.26%、209.78%、308.39%.這些數據充分說明青川巖瀝青可以顯著改善基質瀝青的高溫流變性.

2) 對于改性瀝青而言，64 ℃時，當摻量由0增加到6%時，抗車轍因子G*/sinδ增加了98.43%，當摻量由6%增加到8%時，抗車轍因子G*/sinδ增加了15.57%，當摻量由8%增加到10%時，抗車轍因子G*/sinδ增加了36.07%，當摻量由10%增加到12%時，抗車轍因子G*/sinδ增加了30.51%；70 ℃時，當摻量由0增加到6%時，抗車轍因子G*/sinδ增加了97.83%，當摻量由6%增加到8%時，抗車轍因子G*/sinδ增加了15.38%，當摻量由8%增加到10%時，抗車轍因子G*/sinδ增加了35.71%，當摻量由10%增加到12%時，抗車轍因子G*/sinδ增加了31.83%.這說明隨著巖瀝青摻量的增加，抗車轍因子G*/sinδ的提高幅度逐漸趨于平緩，由此也反映出巖瀝青摻量的增加與高溫流變性的改善并不成正比關系，綜合考慮性價比，巖瀝青存在一個最佳摻量.

2.2 重復蠕變恢復試驗

分別對基質瀝青和摻量為6%、8%、10%、12%的青川巖瀝青改性瀝青進行重復蠕變恢復試驗，以累積應變γ為指標，評價瀝青的流變性能.試驗控制應力為120 Pa，采用加載1 s、卸載9 s的重復加卸載模式對瀝青試樣進行100次重復循環，試驗溫度為30 ℃、40 ℃、50 ℃.圖2～4分別為不同瀝青試樣在不同試驗溫度下第10、20、30、40、50、60、70、80、90、100個加卸載周期的累計應變值圖.

圖1 不同試驗溫度下抗車轍因子G*/sin δ的試驗結果Fig.1 The change of anti-rutting factor G*/sin δ in DSR test at different temperatures

圖2 試驗溫度為30 ℃時累計應變γ在不同加卸載周期下的變化情況Fig.2 The change of accumulative strain γ with different loading and unloading cycles at 30 ℃

圖3 試驗溫度為40 ℃時累計應變γ在不同加卸載周期下的變化情況Fig.3 The change of accumulative strain γ with different loading and unloading cycles at 40 ℃

圖4 試驗溫度為50 ℃時累計應變γ在不同加卸載周期下的變化情況Fig.4 The change of accumulative strain γ under different loading and unloading cycles at 50 ℃

由圖2～圖4可以看出：

1) 在相同的試驗條件下，對于不同的試驗溫度，隨著加卸載周期的不斷增加，基質瀝青及不同摻量(6%、8%、10%、12%)的青川巖瀝青改性瀝青的累計應變值均呈線性增長趨勢.

2) 對于同一試驗溫度，在相同的加卸載周期下，青川巖瀝青改性瀝青的累積應變值均隨巖瀝青摻量的增加而減小，且均小于基質瀝青.就試驗溫度為50 ℃、加卸載周期為第50次而言，摻量為6%、8%、10%、12%改性瀝青的累積應變值分別比基質瀝青降低了54.25%、69.95%、75.07%、97.36%，這說明隨著青川巖瀝青摻量的增加，瀝青的抗變形能力得到顯著提高.

3) 選取試驗溫度為40 ℃時第50次加卸載周期的累積應變值進行分析，當摻量由0增加到6%時，累積應變值降低20.59%，當摻量由6%增加到8%時，累積應變值降低7.52%，當摻量由8%增加到10%時，累積應變值僅降低2.50%；當摻量由10%增加到12%時，累積應變值降低3.13%.這說明隨著巖瀝青摻量的增加，累積應變值的降低幅度逐漸趨于平緩，由此也反映出巖瀝青摻量的增加與抗變形能力的改善并不成正比關系；此外，綜合考慮3個試驗溫度下的累積應變值，盡管巖瀝青摻量為12%時瀝青抗變形能力相比于摻量為10%時顯著提高，但瀝青硬度的大幅度增加對低溫性能的改善顯然是非常不利的.綜合考慮性價比，巖瀝青存在一個最佳摻量.

基于瀝青的動態剪切流變試驗結果和重復蠕變試驗結果，并綜合考慮經濟效益，推薦巖瀝青的最佳摻量為8%.

3 瀝青混合料技術性能試驗結果及分析

3.1 瀝青混合料配合比設計

試驗采用AC-20C型級配，礦料級配如表3所示，最佳油石比為4.6%，設計空隙率為5%.巖瀝青采用“干法”工藝進行摻配，摻量取為8%.

表3 瀝青混合料礦料級配

3.2 高溫穩定性能

目前，車轍問題是我國瀝青路面損壞最為突出的一個問題.本文采用車轍試驗，以動穩定度為指標來評價青川巖瀝青對瀝青混合料高溫穩定性能的影響.試驗結果如表4所示，其中，J代表基質瀝青混合料，Y代表青川巖瀝青改性瀝青混合料.

由表4可以看出：在相同的試驗條件下，改性瀝青混合料的動穩定度明顯高于基質瀝青混合料的動穩定度，就平均動穩定度來說，摻加8%青川巖瀝青的改性瀝青混合料比基質瀝青混合料提高44.63%.這說明青川巖瀝青的摻加提高了瀝青混合料抗永久變形的能力，從而有效地改善了瀝青混合料的高溫穩定性.

表4 瀝青混合料的車轍試驗結果

Tab.4 The results of asphalt mixture rutting test

試件編號變形量d1/mm變形量d2/mm動穩定度/(次·mm-1)平均動穩定度/(次·mm-1)J-11.7811.9534090J-21.6921.8364375J-31.6931.83743754280Y-11.0421.1426300Y-21.0061.1125943Y-31.0431.14363016181

青川巖瀝青對瀝青混合料高溫穩定性的改善作用可作如下解釋[8-10]：

1) 青川巖瀝青中的瀝青質含量和膠質含量遠大于基質瀝青，改性后瀝青膠團的極性增強，使膠體結構由溶膠型逐步向溶凝膠型和凝膠型轉變，瀝青膠漿的高溫穩定性增強，高溫流變性得到改善.

2) 天然巖瀝青的相對分子質量較大，當其在高溫及小分子包圍作用下，易造成天然巖瀝青大膠束的破裂，使其暴露出更多活性點，而這些活性點將與混合料中的小分子物質結合形成“半聚合”作用，這不僅增強了青川巖瀝青與基質瀝青的相容性，而且增加了瀝青膠漿與集料之間的黏附性，進而提高了瀝青混合料的整體性.

3.3 水穩定性能

水損害是瀝青路面的主要病害之一，本文采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，分別以殘留穩定度MS0與凍融劈裂強度比TSR為指標來評價青川巖瀝青對瀝青混合料水穩定性能的影響.試驗結果見表5、表6.

由表5及表6可以看出：在相同的試驗條件下，改性瀝青混合料的殘留穩定度MS0、殘留劈裂強度比TSR均明顯高于基質瀝青混合料，具體表現為摻加為8%的改性瀝青混合料分別比基質瀝青混合料提高17.42%、9.84%，表明青川巖瀝青的添加提高了瀝青混合料抗水損壞的能力，有效改善了瀝青混合料的水穩定性.

青川巖瀝青對瀝青混合料水穩定的改善作用可解釋為[10-11]：

1) 在天然瀝青中，氮元素以官能團形式存在，這種存在使天然瀝青具有很強的浸潤性和對自由氧化基的高抵抗性，其他元素的官能團及側鏈的存在共同發育了上述特征，具體表現就是瀝青黏度增大，抗氧化性增強，特別是集料的黏附性及抗剝離性得到明顯改善.

表5 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果

表6 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

Tab.6 The results of asphalt mixture freeze-thaw splitting test

試件編號非凍融作用凍融作用劈裂強度RT1/MPa均值/MPa劈裂強度RT2/MPa均值/MPaTSR/%J-10.000616J-20.000616J-30.0006280.000620.0005290.0005250.0004870.00051482.90Y-10.001041Y-20.000953Y-30.0010660.001020.0009400.0009270.0009190.00092991.06

2) 天然瀝青中瀝青質的雜原子集團含量高，芳香性和極性強，可改善瀝青在集料表面的吸附作用，增強瀝青的抗水剝離性.

3.4 低溫抗裂性能

本文采用小梁彎曲試驗，以破壞應變為指標來評價青川巖瀝青對瀝青混合料低溫抗裂性的影響.試驗結果見表7.

表7 瀝青混合料小梁彎曲試驗結果

由表7可以看出：在相同的試驗條件下，改性瀝青混合料的破壞應變均明顯低于基質瀝青混合料，其中，摻加8%青川巖瀝青的改性瀝青混合料的平均破壞應變比基質瀝青混合料降低了8.26%.這說明青川巖瀝青的添加對瀝青混合料的低溫抗裂性具有一定的不利影響.關于天然巖瀝青能否改善瀝青混合料的低溫性能，目前所得結論還不完全統一.基于這種現象，一種說法認為天然巖瀝青中所含的灰分影響了試驗結果[10]，另一種說法認為目前測試瀝青混合料低溫性能的相關試驗及指標并不適用于評價天然瀝青改性瀝青混合料[12].因此，對于青川巖瀝青改性瀝青混合料是否具有低溫缺陷，還需要通過進一步的試驗研究加以驗證.

4 結論

本文通過室內試驗分析了青川巖瀝青對基質瀝青及其混合料技術性能的影響，得出以下結論：

1) 青川巖瀝青可以顯著改善基質瀝青的高溫流變性能.綜合性價比，推薦青川巖瀝青的最佳摻量為8%.

2) 青川巖瀝青可以有效增強瀝青混合料的高溫穩定性能和水穩定性能，尤其是高溫穩定性能.

3) 青川巖瀝青對瀝青混合料的低溫抗裂性能具有一定程度的不利影響.

4) 考慮到目前國內外關于添加適量的天然巖瀝青是否有助于改善瀝青混合料低溫性能的研究結論還不完全統一，我們需要采用其他方法對不同摻量的青川巖瀝青改性瀝青混合料進行低溫抗裂性能的評價分析，以澄清青川巖瀝青是否具有低溫性能的缺陷.

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(責任編輯：王浩毅)

Research on the Performance of Qingchuan Rock Asphalt Modified Asphalt Binder and Its Mixture

YOU Peng1,2， YANG Yaping1， LI Ruixia1

(1.SchoolofWaterConservancy&Environment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;2.LuoyangHighwayAdministrationBureau,Luoyang471000,China)

In order to research the influence of Qingchuan rock asphalt on the performance of asphalt binder and its mixture, the dynamic shear rheometer test and bending beam rheometer test were carried out on rock asphalt modified asphalt binder with the concentration 6%, 8% and 10% and control asphalt binder, and thereby to determine the optimal concentration of Qingchuan rock asphalt. Based on this, rock asphalt modified mixture at the optimal concentration and control asphalt mixture were subjected to pavement performance tests. The results showed that the comprehensive performance of rock asphalt modified mixture was the best when the concentration was 8%; rock asphalt could significantly improve the high temperature performance and water stability performance of asphalt mixture. However, for the effect on low temperature performance, it was necessary to carry out further tests to study.

Qingchuan rock asphalt; rheological properties; optimal concentration; pavement performance

2016-12-01

河南省科技廳科技攻關計劃項目(162102210157).

游鵬(1972—)，男，河南新安人，高級工程師，主要從事公路工程建設與養護技術研究，E-mail：13608469880@139.com；通信作者：李瑞霞(1985—)，女，河南開封人，講師，主要從事瀝青及瀝青混合料性能與結構研究，E-mail: liruixia031@163.com.

U414.1

A

1671-6841(2017)03-0117-06

10.13705/j.issn.1671-6841.2016238