天然巖瀝青BRA對瀝青膠漿改性機(jī)理 及其性能研究

符德

摘 要：以天然巖瀝青BRA作為特殊的改性劑，采用BRA中的灰分分別取代0%、25%、50%、75%、100%的礦粉，分別制備BRA改性的瀝青膠漿BVM和BSVM，通過接觸角、熱重分析和紅外光譜試驗(yàn)，從宏觀和微觀角度研究BRA對瀝青膠漿改性機(jī)理及其性能。結(jié)果表明：BRA摻入后提升了瀝青膠漿的水穩(wěn)定性，當(dāng)灰分取代礦粉比例為100%時，BVM和BSVM與蒸餾水的接觸角分別為89.7°、96.3°;BVM和BSVM的質(zhì)量損失主要發(fā)生在300～500 ℃溫度區(qū)域內(nèi)，700 ℃以后TG曲線趨于平坦，DTG曲線在450 ℃左右達(dá)到峰值，質(zhì)量損失率最大，BRA的摻入使瀝青膠漿的熱穩(wěn)定性和耐老化性能得到提高;BRA對基質(zhì)及SBS瀝青膠漿的改性僅為物理共混的過程。

關(guān)鍵詞：天然巖瀝青BRA;瀝青膠漿;改性機(jī)理;熱重分析;紅外光譜分析

中圖分類號：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）05-0014-04

Research on modification mechanism and properties of asphalt mastic with BRA

Abstract： BRA was used as a special modifier， using the ash in BRA to replace 0%，25%，50%，75%，and 100% of mineral powder， respectively， to prepare BRA modified asphalt mastic BVM and BSVM. The modification mechanism and properties of BRA on asphalt mastic were studied from the macro and micro perspectives by contact angle， thermogravimetric analysis and infrared spectrum. The results show that the water stability of asphalt mastic is improved after the addition of BRA. The contact angles between BVM and BSVM and distilled water are 89.7° and 96.3°respectively， when the proportion of ash replacing mineral powder is 100%. The mass loss of BVM and BSVM mainly occurs in the temperature range of 300 ℃～500 ℃. TG curve tends to be flat after 700 ℃. DTG curve reaches the peak at about 450 ℃， and the mass loss rate is the largest. The addition of BRA improves the thermal stability and aging resistance of asphalt mastic. The modification of virgin and SBS asphalt mastic by BRA is only a process of physical blending.

Key words： BRA;asphalt mastic;modification mechanism;thermogravimetric analysis;infrared spectrum

布敦巖瀝青（BRA）是指所含無機(jī)礦物成分約為75%左右，而瀝青含量約為25%的天然瀝青[1-2]。研究表明，巖瀝青可以作為外加劑來提升瀝青混合料的路用性能，延長路面使用壽命[3-6];通過元素分析表明，BRA中的無機(jī)礦物組分主要為CaO[7-8];采用XRD及XRF研究發(fā)現(xiàn)，碳酸鈣為BRA中無機(jī)灰分占比最多的化學(xué)成分[9];BRA可以提升瀝青膠漿的高溫流變性能及瀝青混合料性能[10-11]。目前，我國對于天然巖瀝青已有相關(guān)的規(guī)范指南，但還沒有成套完善的混合料設(shè)計要求及標(biāo)準(zhǔn)體系指標(biāo)，關(guān)于天然巖瀝青BRA的改性機(jī)理及性能方面的研究還不全面[12]。

因此，本文以BRA作為特殊的改性劑分別對基質(zhì)及SBS瀝青膠漿進(jìn)行改性，采用BRA中的灰分分別取代0%、25%、50%、75%、100%的礦粉，制備BRA改性基質(zhì)瀝青膠漿（簡記為BVM）和BRA改性SBS瀝青膠漿（簡記為BSVM），通過接觸角、熱重分析和紅外光譜試驗(yàn)研究了天然巖瀝青BRA對瀝青膠漿改性機(jī)理及其性能，以期進(jìn)一步為BRA的推廣應(yīng)用提供參考。

1 原材料

1.1 瀝青

采用中石化70#基質(zhì)瀝青及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%SBS的改性瀝青，分別對其主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

1.2 天然巖瀝青BRA

天然巖瀝青選用印尼BRA，其灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)占75%以上，瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為25%。采用方孔篩對BRA的級配組成進(jìn)行篩分分析，并對其含水率和密度關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

1.3 石灰?guī)r礦粉

選用生產(chǎn)商供應(yīng)的人工磨細(xì)石灰?guī)r礦粉作為填料，對其表觀密度及顆粒級配進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

2 BRA改性瀝青膠漿制備

按照粉膠比1.2，采用BRA中的灰分分別取代0%、25%、50%、75%、100%的礦粉，制備BRA改性基質(zhì)瀝青膠漿（簡記為BVM）和BRA改性SBS瀝青膠漿（簡記為BSVM），共8組試樣。

采用電磁攪拌設(shè)備及自動控溫電爐進(jìn)行瀝青膠漿的制備。首先將稱量的瀝青加熱，隨后加入不同配比的BRA及礦粉，然后升溫至攪拌溫度，并以4 000～5 000 r/min的攪拌速率進(jìn)行攪拌制得BRA改性瀝青膠漿，再置入烘箱內(nèi)發(fā)育一定時間;備用。不同瀝青膠漿的制備工藝如表4所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 接觸角試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用CA-100C型接觸角測定儀，以蒸餾水為測試液，通過圖像法分別測試蒸餾水與BRA改性的不同瀝青膠漿之間的接觸角，以此來評價BRA對瀝青膠漿抗水損壞性能方面的影響，接觸角試驗(yàn)測試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著BRA中灰分取代礦粉比例的不斷增加，BRA改性的不同瀝青膠漿與蒸餾水之間的接觸角逐漸增大，表明BRA的摻入提升了瀝青膠漿的憎水性能;當(dāng)BRA中灰分取代礦粉比例為100%時，瀝青膠漿BVM和BSVM與蒸餾水的接觸角分別為89.7°、96.3°，蒸餾水對瀝青膠漿的潤濕效果變差，形成較好的疏水界面，說明BRA可使瀝青膠漿的抗剝落性能得到改善，提高水穩(wěn)定性。

3.2 熱重分析

本試驗(yàn)采用TG209F3型熱重分析儀，以20 ℃/min的加熱速率，使試樣在氮?dú)夥諊袕?0 ℃的試驗(yàn)溫度升溫至800 ℃，在此條件下測定BRA改性的不同瀝青膠漿BVM和BSVM的質(zhì)量變化情況，以此來評價BRA摻量對瀝青膠漿熱穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

BVM和BSVM的熱重曲線TG及微商熱重曲線DTG分別如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可以看出，BVM和BSVM的質(zhì)量損失主要發(fā)生在300～500 ℃溫度區(qū)域內(nèi)，另外瀝青膠漿質(zhì)量損失隨著試驗(yàn)溫度的升高逐漸增加，由DTG曲線可知BVM和BSVM的質(zhì)量損失率在450 ℃左右達(dá)到最大，該階段導(dǎo)致瀝青膠漿質(zhì)量嚴(yán)重?fù)p失的主要原因是由于瀝青中輕質(zhì)組分的揮發(fā)以及瀝青質(zhì)的分解[13]。BVM和BSVM的TG曲線基本在700 ℃以后趨于平坦，對于BVM在650～750 ℃溫區(qū)內(nèi)的DTG曲線上有峰，存在質(zhì)量損失，而BSVM在此溫度區(qū)域內(nèi)的質(zhì)量損失不明顯，這主要是由于殘存瀝青質(zhì)的揮發(fā)及碳化導(dǎo)致了該階段的質(zhì)量損失。

由圖2和圖3還可以看出，在300～500 ℃溫度區(qū)域內(nèi)，當(dāng)BRA中灰分取代礦粉比例為0%時，BVM和BSVM的質(zhì)量損失分別約為45%、40%;當(dāng)BRA中灰分取代礦粉比例為100%時，BVM和BSVM的質(zhì)量損失分別約為35%、33%。即當(dāng)BRA中灰分取代礦粉比例從0%增加至100%時，BVM和BSVM的質(zhì)量損失分別降低了約為10%、7%，說明經(jīng)過BRA改性的基質(zhì)及SBS瀝青膠漿的熱穩(wěn)定性提高，高溫?zé)峤到怆y度增大，提升了瀝青膠漿的高溫抗老化性能。

3.3 傅里葉變換紅外光譜分析

本文采用傅里葉變換紅外光譜儀，從微觀角度研究了BRA對瀝青膠漿的改性機(jī)理。BRA與BVM及BSVM的紅外光譜圖分別如圖4和圖5所示。

從圖4中可以看出，BRA和BVM-100%的紅外光譜圖在波數(shù)3 400 cm-1處出現(xiàn)了O—H伸縮振動峰，這主要是由于在樣品測試過程中空氣濕度過大所造成的;瀝青中飽和烷烴及苯環(huán)上C—H鍵的伸縮振動在2 923 cm-1和2 852 cm-1波數(shù)處出現(xiàn)了吸收峰;受空氣中二氧化碳濃度的影響，在2 512 cm-1波數(shù)處出現(xiàn)了CO2吸收峰;在1 797 cm-1波數(shù)附近處存在酯類C—O雙鍵振動吸收峰;在1 600 cm-1～1 400cm-1波段處出現(xiàn)了烯烴及芳香烴C—C雙鍵的振動吸收峰;由于脂肪族的S—O雙鍵的伸縮振動在1 030 cm-1處出現(xiàn)了吸收峰;由于瀝青膠漿中存在BRA的灰分及新?lián)降氖規(guī)r礦粉，在873 cm-1和711 cm-1波數(shù)處出現(xiàn)了碳酸鹽礦物CO32-振動的特征吸收峰。由圖5可知，BSVM的紅外光譜吸收峰的位置基本與BRA改性的基質(zhì)瀝青膠漿BVM相類似，只不過在1 646cm-1波數(shù)處出現(xiàn)了烯烴中C—C雙鍵振動吸收峰的偏移。

通過紅外光譜測試分析可知，BRA的摻入對基質(zhì)瀝青膠漿吸收峰的位置并未造成影響，而BRA摻入后使SBS瀝青膠漿烯烴中C—C雙鍵的吸收峰發(fā)生偏移，但均沒有新的紅外吸收峰產(chǎn)生，說明BRA對基質(zhì)及SBS瀝青膠漿的改性而非化學(xué)作用，僅是一個物理共混的過程。

4 結(jié)語

（1）通過接觸角試驗(yàn)，表明摻入BRA后提升了瀝青膠漿的憎水性能，當(dāng)灰分取代礦粉比例為100%時，BVM和BSVM與蒸餾水的接觸角分別為89.7°、96.3°，提高了水穩(wěn)定性;

（2）采用TG和DTG曲線分析可知，BVM和BSVM的質(zhì)量損失主要發(fā)生在300～500 ℃溫度區(qū)域內(nèi)，700 ℃以后TG曲線趨于平坦，DTG曲線在450 ℃左右達(dá)到峰值，質(zhì)量損失率最大;

（3）通過TG曲線分析，BRA中灰分取代礦粉比例從0%增加至100%時，BVM和BSVM的質(zhì)量損失分別降低了約為10%、7%，說明BRA的摻入使瀝青膠漿的熱穩(wěn)定性和耐老化性能得到了提高;

（4）采用紅外光譜分析可知，BRA摻入SBS瀝青膠漿后僅使烯烴中C—C雙鍵的吸收峰發(fā)生偏移，并未有新的吸收峰產(chǎn)生，表明BRA對基質(zhì)及SBS瀝青膠漿的改性僅為物理共混的過程。

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收稿日期：2021-12-07;修回日期：2022-04-19

作者簡介：符 德（1970-），男，本科，高級工程師，主要從事公路橋梁方面的工作。