“活化”濕法布敦巖瀝青改性瀝青的制備工藝及高低溫性能

（交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029）

0 引言

布敦巖瀝青（Buton Rock Asphalt,BRA）作為天然瀝青的一種，與瀝青融合度高且不經(jīng)過化學(xué)加工，是一種綠色、節(jié)能、環(huán)保的路面新材料，用于改性基質(zhì)瀝青可提高其路用性能，尤其是高溫穩(wěn)定性、抗水損壞和耐久性能[1-2]。

布敦巖瀝青產(chǎn)于印度尼西亞布敦島，由海生動物化石沉積而成，是巖瀝青中的代表產(chǎn)品[2]。目前已有不少學(xué)者對巖瀝青改性瀝青的性能進(jìn)行了研究。黃文通等研究了布敦巖瀝青的改性機(jī)理，指出將布敦巖瀝青加入基質(zhì)瀝青后，由于溫度與小分子溶劑的共同作用，使得布敦巖瀝青中相對分子質(zhì)量很大的膠束破裂，而破裂的膠束上暴露出的許多活性點(diǎn)立刻被基質(zhì)瀝青中的小分子所填充、飽和，形成一種全新的組合，最終形成以布敦巖瀝青大膠束分子為中心，基質(zhì)瀝青小分子填充、包圍的新方式，從而起到改性的作用[3]。在巖瀝青改性瀝青的制備與應(yīng)用方面，以往工程多采用“干法”工藝制備巖瀝青改性瀝青，即將天然巖瀝青作為混合料的外摻劑使用，在混合料的拌制過程中添加。王曉燕等通過試驗(yàn)研究，提出“干法”制備巖瀝青可明顯提高瀝青路面的高溫抗車轍及抗水損害能力，且施工工藝簡單，易于操作[4]。

但是，隨著研究的進(jìn)一步深入及“干法”巖瀝青在實(shí)體工程中應(yīng)用的反饋，“干法”存在的研磨不細(xì)、拌和不均勻、施工變異性等問題逐漸呈現(xiàn)出來。鄒桂蓮等研究發(fā)現(xiàn)，由于“干法”的添加方式是直接投入，巖瀝青直接裹覆在礦質(zhì)集料表面，會對瀝青與礦質(zhì)集料的界面產(chǎn)生較大影響。由于拌和樓攪拌時(shí)的線速度遠(yuǎn)高于室內(nèi)小拌和鍋的線速度，且攪拌旋轉(zhuǎn)方式存在差異，這將極大影響巖瀝青在集料表面的界面活性與裹覆狀態(tài)，影響巖瀝青功能的發(fā)揮[5]。孫輝等亦通過研究指出，由于“干法”布敦巖瀝青通常無法與基質(zhì)瀝青充分融合，應(yīng)警惕混合料發(fā)生離析[6]。

在巖瀝青改性瀝青的性能評價(jià)研究方面，鐘科等指出，我國現(xiàn)行規(guī)范使用的針入度、延度和軟化點(diǎn)指標(biāo)，都是根據(jù)瀝青的物理性能提出的，雖然操作簡單，但是具有局限性，不適于評價(jià)改性瀝青。巖瀝青是天然瀝青，巖瀝青改性瀝青具有良好的高溫抗變形能力和抗溫度敏感性能。瀝青的流變性質(zhì)直接影響瀝青路面的使用性能[7]，而動態(tài)剪切流變儀和彎曲梁流變儀能為建立某時(shí)段瀝青的蠕變曲線和反映勁度模量提供依據(jù)。

基于以上研究，為改進(jìn)巖瀝青的加工工藝，使天然布敦巖瀝青與基質(zhì)瀝青能更加充分地融合、改性，以降低施工變異性，保證改性瀝青的整體性能，本文提出采用“活化”濕法制備巖瀝青改性瀝青，主要對制備工藝進(jìn)行闡述，并通過瀝青的常規(guī)性能試驗(yàn)與SHRP 流變性能試驗(yàn)評價(jià)其改性瀝青的高低溫使用性能及疲勞性能。

1 “活化”濕法布敦巖瀝青改性瀝青的制備

濕法制備巖瀝青即將巖瀝青天然材料經(jīng)加工后作為改性劑使用，與基質(zhì)瀝青按一定比例通過攪拌、研磨等相融合，制成改性瀝青。

本文研發(fā)的“活化”濕法布敦巖瀝青改性瀝青的制備工藝可以概括為以下方面。

（1）破碎篩分。利用自研發(fā)的專用破碎篩分設(shè)備將布敦巖瀝青破碎、篩分至所需粒徑。

根據(jù)交通運(yùn)輸部頒布的《瀝青混合料改性添加劑第五部分：天然瀝青》（JT/T 860.5—2014）[8]，將布敦巖瀝青作為基質(zhì)瀝青的改性劑，需先將其破碎篩分至規(guī)定粒度范圍；同時(shí)，由于布敦巖瀝青是富含瀝青的礦石，如果只采用傳統(tǒng)的礦石鄂破+反擊破+振動篩分的破碎篩分方式，會造成設(shè)備黏結(jié)，產(chǎn)能受限。

為滿足規(guī)范要求，并解決原礦破碎篩分問題，本文研發(fā)出一種將巖瀝青原料多層次破碎的設(shè)備，解決了現(xiàn)有設(shè)備不能完全破碎巖瀝青、使其與瀝青充分膠合的技術(shù)問題[9]。設(shè)備如圖1所示。

圖1 原礦多級循環(huán)破碎篩分控制系統(tǒng)示意圖

如圖1 所示，一～三級破碎機(jī)分別采用鄂式、錘式、反擊破式破碎機(jī)，破碎規(guī)格分別為10mm,5mm,3mm；一級振動篩具有A,B,C 三檔篩口，二級振動篩具有A,D,E三檔篩口，三級振動篩具有A,D 兩檔篩口。將布敦巖瀝青原礦通過給料皮帶機(jī)，依次輸送給一級破碎機(jī)和一級振動篩進(jìn)行破碎篩分，經(jīng)過多次篩分后，最終得到滿足規(guī)范要求的成品料。

（2）“活化”。在高溫下用專用設(shè)備活化布敦巖瀝青，使瀝青分子與巖瀝青中的樹脂和灰分連接，形成穩(wěn)定的多維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可有效提高基礎(chǔ)瀝青的性能。

（3）過膠體磨。將“活化”后的布敦巖瀝青與基質(zhì)瀝青混合后，用高細(xì)度膠體研磨，巖瀝青顆粒進(jìn)一步細(xì)化，從而促進(jìn)巖瀝青與基質(zhì)瀝青進(jìn)一步融合，最終混溶為巖瀝青改性瀝青。巖瀝青“活化”濕法加工流程如圖2所示。

圖2 巖瀝青改性瀝青“活化”濕法加工示意圖

以上工藝通過多形式、多級破碎，提高了巖瀝青天然材料的破碎細(xì)度，工藝中增加了高溫“活化”及共同過膠體磨過程，提高了巖瀝青與基質(zhì)瀝青之間的膠合度，可有效減少離析的產(chǎn)生，使巖瀝青的改性能力得以充分發(fā)揮，提高基質(zhì)瀝青的相關(guān)性能。

為進(jìn)一步驗(yàn)證濕法工藝制備的巖瀝青改性瀝青的使用性能，本文將通過瀝青的基本性能試驗(yàn)及SHRP 試驗(yàn)，將濕法巖瀝青改性瀝青與基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青的高低溫性能進(jìn)行對比，進(jìn)而對其改性效果進(jìn)行評價(jià)。

2 “活化”濕法布敦巖瀝青改性瀝青的基本性能

依據(jù)《公路濕法巖瀝青改性瀝青路面施工技術(shù)指南》（T/CHTS 10013—2019）[10]、《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）[11]提出的瀝青基本性能評價(jià)技術(shù)指標(biāo)及《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）[12]提出的試驗(yàn)方法，對濕法巖瀝青改性瀝青的基本性能進(jìn)行評價(jià)。

基質(zhì)瀝青采用韓國雙龍A 級70號瀝青，改性劑為湖北正康天然瀝青科技有限公司加工的天然布敦巖瀝青。基質(zhì)瀝青與使用“活化”濕法生產(chǎn)的不同摻量下巖瀝青改性瀝青的基本性能試驗(yàn)結(jié)果如表1、圖3、圖4所示。

表1 不同BRA摻量下巖瀝青改性瀝青性能指標(biāo)

（1）針入度、軟化點(diǎn)用于評價(jià)瀝青的高溫性能

針入度是劃分瀝青標(biāo)號采用的一項(xiàng)重要指標(biāo)，測定的針入度值越大，表示瀝青越軟，稠度也就越小；反之則越硬。25℃接近路面平均服務(wù)溫度，此時(shí)的針入度值可以評價(jià)不同瀝青材料的使用性能。由圖3 可以看出，隨著巖瀝青改性劑摻量的增加，改性瀝青的針入度逐漸變小，瀝青逐漸變硬。

圖3 瀝青針入度與BRA摻量關(guān)系圖

軟化點(diǎn)與路面瀝青膠結(jié)料高溫穩(wěn)定性緊密關(guān)聯(lián)。一般認(rèn)為，軟化點(diǎn)越高，其高溫穩(wěn)定性就越好，瀝青混合料乃至路面結(jié)構(gòu)抗高溫變形能力就越強(qiáng)，反之則越弱。由圖4 可以看出，隨著巖瀝青改性劑摻量的增加，改性瀝青的軟化點(diǎn)明顯升高，說明BRA的添加，顯著提高了瀝青的高溫性能。

圖4 瀝青軟化點(diǎn)與BRA摻量關(guān)系圖

（2）延度用于評價(jià)瀝青的低溫性能

巖瀝青改性瀝青與其他種類的改性瀝青相比，特點(diǎn)在于含有灰分，通過膠體磨的研磨作用，灰分顆粒粒度一般在120 目以上，均勻分布在瀝青中，因此，巖瀝青改性瀝青的性質(zhì)與這種材料的分布特征具有直接關(guān)系。當(dāng)采用延度試驗(yàn)檢測巖瀝青改性瀝青的延度時(shí)，往往會在灰分顆粒處產(chǎn)生應(yīng)力集中，試件被拉斷，不同組的試驗(yàn)結(jié)果離散性極大，因此，在巖瀝青改性瀝青技術(shù)指標(biāo)中不再提出延度的技術(shù)要求，而通過瀝青的SHRP 流變性能BBR 試驗(yàn)來評價(jià)BRA 改性瀝青的低溫性能。

（3）135℃運(yùn)動黏度用于評價(jià)瀝青的施工和易性

由表1 可以看出，隨著巖瀝青改性劑摻量的增加，改性瀝青135℃運(yùn)動黏度值增大，說明改性劑越多，瀝青越黏稠，施工和易性受到一定影響，但仍然滿足不大于3Pa·s 的技術(shù)要求。綜合以上高溫性能與施工和易性的判斷，BRA 在瀝青質(zhì)量的20%或30%時(shí)均為適合摻量，具體使用時(shí)還應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚝徒煌l件等，通過試驗(yàn)檢測進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3 “活化”濕法布敦巖瀝青改性瀝青的流變性能

由于巖瀝青材料含砂的特點(diǎn)，規(guī)范中基本性能指標(biāo)并不能反映瀝青的使用品質(zhì)，本文增加了流變性能研究，從不同角度評價(jià)其改性瀝青的高低溫性能[7,13-14]。

采用SHRP 試驗(yàn)的動態(tài)剪切流變儀（DSR）和低溫彎曲流變儀（BBR）對BRA 巖瀝青改性瀝青的流變學(xué)性能進(jìn)行評價(jià)，從而從多角度驗(yàn)證“活化”濕法巖瀝青改性瀝青的高低溫性能。

動態(tài)剪切流變儀是用來測試瀝青膠結(jié)料黏性和彈性特征的儀器，試驗(yàn)結(jié)果可用復(fù)數(shù)剪切模量G*表示，G*/sinδ值越大（也稱為車轍因子，δ為相位角），表明材料抵抗流動變形的能力越強(qiáng)，主要用于評價(jià)瀝青的高溫性能，并以此評估分級。同時(shí)，動態(tài)剪切流變儀也可以測試瀝青的疲勞性能，采用G*·sinδ表示。瀝青在試驗(yàn)過程中老化，G*·sinδ不斷增大，在達(dá)到5 000kPa時(shí)將會發(fā)生疲勞破壞。即在常溫溫度域的較低溫度狀態(tài)下，瀝青經(jīng)過使用期老化后仍然具有較大的柔性，即復(fù)數(shù)模量G*越小，相位角越大的瀝青結(jié)合料，耐疲勞性能越好。

低溫彎曲流變儀用來測定瀝青膠結(jié)料的低溫蠕變勁度，以評價(jià)瀝青的低溫抗裂性能。若瀝青材料勁度（Stiffness）太大，則呈現(xiàn)脆性，容易開裂破壞；而表征勁度隨時(shí)間的變化率m值（mvalue）越大，則意味著材料低溫開裂的可能性降低[15]。

采用20%BRA 摻量的巖瀝青改性瀝青、70#基質(zhì)瀝青與SBS I-C 改性瀝青作對比，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同種類瀝青SHRP試驗(yàn)檢測結(jié)果

表2（續(xù)）

通過分析20%BRA 摻量的巖瀝青改性瀝青、70#基質(zhì)瀝青與SBS I-C改性瀝青在RTFOT老化前后的PG 等級達(dá)標(biāo)情況，對上述不同瀝青的SHRP試驗(yàn)PG分級匯總，結(jié)果如表3所示。

表3 不同種類瀝青SHRP試驗(yàn)PG分級結(jié)果匯總

由表3 可以看出，從流變角度，20%BRA 的高低溫性能及疲勞性能情況如下。

（1）與基質(zhì)瀝青的對比表明，在老化前和老化后，70#基質(zhì)瀝青PG 分級都是PG64-22，摻加20%巖瀝青的BRA 改性瀝青都是PG70-22，其老化前后的高溫性能均比70#基質(zhì)瀝青提高了一個(gè)等級。

（2）與高聚物改性瀝青的對比表明，對于SBS I-C改性瀝青，其PG分級老化前是PG64-22，低于20%BRA 改性瀝青的PG70-22 水平；老化后兩者等級相同。試驗(yàn)結(jié)果印證了“活化”濕法巖瀝青可提高瀝青高溫性能的特點(diǎn)，達(dá)到了強(qiáng)于基質(zhì)瀝青，等同于SBS I-C的預(yù)設(shè)目標(biāo)。

（3）從PAV 老化后得到的疲勞數(shù)據(jù)可看出，巖瀝青改性瀝青為PG25，相較于基質(zhì)瀝青和SBS I-C 改性瀝青的疲勞性能，分別降低了兩個(gè)等級和一個(gè)等級，說明其易發(fā)生疲勞破壞，應(yīng)格外注意其疲勞性能，使用時(shí)應(yīng)配合混合料疲勞試驗(yàn)加以綜合考慮。

4 結(jié)論

本文討論了“活化”濕法巖瀝青改性瀝青的制備方法及其改性瀝青的高低溫性能，主要結(jié)論如下。

（1）自研發(fā)的“活化”濕法加工工藝，采用破碎篩分裝置，結(jié)合三重工序、多種破碎方式，經(jīng)過“活化”、研磨過程，可使巖瀝青更充分、均勻地分布在瀝青中。

（2）通過對“活化”濕法巖瀝青改性瀝青的常規(guī)性能分析，得到隨著巖瀝青改性劑的加入，瀝青軟化點(diǎn)升高，但是黏度變大，綜合比較推薦了改性劑的最佳摻量。

（3）由于巖瀝青本身材料存在灰分的特點(diǎn)，延度不適用于評價(jià)其低溫性能，因此選用SHRP試驗(yàn)的PG分級評價(jià)其高低溫性能。

（4）通過流變性能試驗(yàn)，得到巖瀝青改性瀝青在老化前后PG分級均為PG70-22，高溫性能均高于70#基質(zhì)瀝青的PG64-22；且高于SBS I-C 老化前的PG64-22。驗(yàn)證了“活化”濕法巖瀝青可提高瀝青高溫性能的特點(diǎn)，強(qiáng)于基質(zhì)瀝青，達(dá)到或強(qiáng)于SBS I-C的預(yù)設(shè)目標(biāo)。

（5）從疲勞因子方面分析，巖瀝青改性瀝青的疲勞等級比基質(zhì)瀝青和SBS I-C 改性瀝青均有下降，說明應(yīng)注意其耐久性。其總體使用性能還應(yīng)結(jié)合混合料試驗(yàn)綜合評價(jià)。