青川岩沥青在道路工程中的应用研究

摘要:本文重点分析了青川岩沥青在道路工程中应用的技术要点，通过岩改性沥青的性能试验以及岩改性沥青混合料的路用性能试验，探究岩沥青的掺量对基质沥青及混合料性能的影响，得出岩沥青的掺量不宜超过7.5%。通过对岩改性沥青拌合工艺的研究，确定其适宜的控制参数。通过试验发现岩改性沥青混凝土路面抗高温车辙性能好，使用寿命较普通的路面延长，因而从路面使用寿命的整体效益分析，岩改性沥青混凝土路面经济效益显著。

关键词：岩沥青；路用性能；工程应用

中图分类号： O434 文献标识码： A

0 前言

近几年来，天然沥青在道路建设中崭露头角，相关研究表明，天然岩沥青作改性剂可以大幅增强沥青混凝土的高温抗车辙性能，并可显著增加沥青与集料的粘附性以及抗老化性能。同时，岩沥青的经济造价相比较于聚合物改性剂低廉，对环境无污染。因此使用岩沥青作为道路石油沥青的改性剂具有良好的推广前景。下面对青川岩沥青在路工程中应用的技术要点进行探究：

1 岩沥青改性沥青的性能研究

1.1 天然岩沥青及其改性机理

天然岩沥青是以分子量高达一万的沥青质为主要组成成分，岩沥青的含氮量高接近2%[1-7]，是一般石油沥青含氮量的十几倍甚至几十倍。天然岩沥青形状类似块煤，密度在1.0左右，含蜡量极低。

天然岩沥青的N元素以官能团的形式存在，使得其具有很强的浸润性和对自由氧化基的高抵抗性；同时它的软化点高达230℃以上加入到基质沥青后，使其具有良好的抗高温抗老化性能。

将天然岩沥青加入普通的石油沥青中，由于温度与小分子溶剂的共同作用，使得天然岩沥青这些分子量很大的胶束破裂，而破裂的胶束上暴露出的许多活性点立刻被普通沥青中的小分子物质所填充、饱和，形成一种全新的组合，最终形成以天然岩沥青大胶束分子为中心，普通沥青小分子填充、包围的新的方式，这种结构有利于提高基质沥青的高温性能[8]。

1.2 岩沥青掺量对沥青性能的影响分析

根据现行规范要求，每种试样均进行三大指标试验：25℃针入度、软化点、15℃延度试验，来探究岩沥青掺量对基质沥青性能的影响，从而确定合理的沥青掺量。为了验证沥青低温性能，增加4℃针入度试验。选择齐鲁70#基质沥青，岩沥青的掺量从0.0%变化到12.5%进行指标试验，试验数据结果如表1所示。

表1齐鲁70#基质-岩沥青改性沥青试验数据

掺量 0.0% 3.7% 5.0% 7.5% 10.0% 12.5%

针入度 30℃ 0.1mm 113.0 71.0 55.0 46.7 43.0 28.3

25℃ 0.1mm 66 40 34 27.6 28 21

15℃ 0.1mm 22 16 12 11 11 8.7

4℃ 0.1mm 18 16 14 12 10

动力粘度 60℃ Pa´s 198.5 523 1352

135℃ Pa´s 0.45 0.825 1 1.45 1.9 3.275

175℃ Pa´s 0.0875 0.155 0.17 0.235 0.305 0.44

延度 10℃ cm 102 7 5.17 0.5 0.5 0

15℃ cm 150 25.0 8.7 7.1 6.2 3.8

软化点 ℃ 47.3 52.9 55.6 58.1 61.6 67.6

表1的常规试验指标显示，青川岩沥青可显著提高基质沥青的粘度和软化点，高温性能有所提高，同时低温延度指标有所弱化，脆点提高。说明青川岩沥青在改性效果上具有提高沥青凝胶化程度（突出表现为针入度指数的增加），降低针入度等级的效果。但是岩沥青的掺量增加不是无限制的，过大的掺量将会导致低温延度不满足一定的技术要求。

综合工程对沥青的技术要求，以及改性沥青的试验效果、性能指标，青川岩沥青的掺加量不宜超过7.5%。在这个比例之下形成的改性沥青均匀性好，有很好的稳定性。

2 岩沥青的掺配工艺

目前国内外在沥青混凝土掺配天然沥青有两种方式：湿法工艺和干法工艺，湿法工艺即为在一定温度条件下，直接将岩沥青混合到液态基质沥青中，形成改性沥青，进而参与混合料的生产；干法工艺即为在沥青混合料拌合仓内干拌时投放，以沥青混合料填料部分加入，不再以改性沥青形式使用。由于青川岩沥青，其软化点多高于200℃，熔融性差，不适合干法工艺。因此，本文主要采用湿法工艺制备岩改性沥青。其试验流程如图1所示。

图1改性试验流程图

从沥青常规指标出发以及最终的性质稳定性要求考虑，试验选择沥青针入度、135℃布氏粘度、15℃延度、60℃低频剪切粘度(LSV)作为试验结果的评价指标。试验对同一掺量下的青川天然沥青改性沥青进行试验，内掺含量控制在7.5%。由于改性过程中，发育温度、发育时间、剪切温度、剪切时间对沥青的溶解性、相容性影响最大，继而可能影响到改性沥青的产品质量，所以本次试验选取这4个主要影响因素进行讨论，具体试验结果列于表2。

表2改性工艺正交试验结果及直观分析

试验号 因素 试验结果

发育温度℃ 发育时间min 剪切温度℃ 剪切时间min 针入度0.1mm 布氏粘度135℃Pa.s 延度cm LSV Pa.s

1 160 30 160 20 38 775 13 3653

2 160 60 170 30 44 687.5 26 2636

3 160 90 180 40 45 650 28 2807

4 170 30 170 40 40 750 15 3632

5 170 60 180 20 42 712.5 21 3225

6 170 90 160 30 38 712.5 24 3465

7 180 30 180 30 42 725 25 2891

8 180 60 160 40 43 750 23 3055

9 180 90 170 20 38 780 16 4493

通过对各因素进行极差分析，按照粘度最大、软化点最高、针入度最低、延度最大的要求，可以推断出每个要求下的可能的最佳改性工艺条件，如表3。

表3可能的最佳改性工艺参数设置

发育温度（℃） 发育时间（min） 剪切温度（℃） 剪切时间（min）

LSV 180 90 170 20

粘度 180 30 160 20

针入度 170 30 160 20

延度 160 60 180 30

3 岩沥青改性沥青混合料路用性能研究

通过对不同青川岩沥青掺量的改性沥青性能的研究，确定了岩沥青适宜的掺量，同时对岩沥青改性沥青的制备工艺和控制参数做了详细的分析，本文采用AC-13级配类型，对岩沥青改性沥青混合料的路用性能进行详细的研究。

3.1 岩沥青改性沥青掺量对混合料高温性能的影响

对外掺青川岩沥青5%、10%、15%的改性沥青混合料进行车辙试验，其试验结果动稳定度随岩沥青掺量的变化规律如图2所示。

图2不同掺量岩沥青改性沥青混合料动稳定度

由图2可知，随着岩沥青掺量的增加，混合料动稳定度迅速增加，15%青川岩沥青改性沥青混合料动稳定度是基质沥青混合料动稳定度的4.9倍，从图中数据还可以看出，青川岩沥青掺量每增加5%，动稳定度值都增加接近一倍。也就是说改性后的沥青抗高温性能得到了较好的改善，能够在沥青混合料承受高温以及重型荷载作用的同时具有良好的稳定性能，防止沥青路面产生变形现象。

3.2 岩沥青改性沥青掺量对混合料低温性能的影响

当对不同岩沥青掺量改性沥青混合料低温性能进行研究时，采用劈裂试验评价沥青混合料低温性能。试验采用-27℃、-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃四个温度。参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTJ 052-2000[9]的推荐值，采用1mm/min加载速率进行混合料低温劈裂试验。沥青混合料低温劈裂试验破坏强度变化规律如图3所示。

图3沥青混合料低温劈裂试验破坏强度变化规律

从图3的关系图可以看出沥青混合料劈裂破坏强度随温度的变化较为明显。该试验中岩沥青改性沥青的脆化点为20℃左右，基质沥青在-27℃时破坏强度已经增长较为缓慢，从而认为其脆化点也在该温度附近，而SBS沥青强度增长速率还较为明显，其脆化点温度应该更低，从该结果可以认为SBS沥青的低温性能最优，而岩沥青的低温性能最差。

3.3 岩沥青改性沥青掺量对混合料水稳定性的影响

对不同岩沥青掺量改性沥青混合料进行冻融劈裂试验，来评价其抗水损害能力，试验结果见表4。

表4岩沥青改性沥青混合料的冻融劈裂试验

沥青种类 基质沥青 5%岩沥青 7.5%岩沥青 10%岩沥青

RT1，MPa 0.98 1.32 1.29 1.62

RT2， MPa 0.88 1.23 1.24 1.46

TSR，% 89.5 92.8 96.2 90.3

试验结果表明，岩沥青改性沥青混合料抗水损害性能得到了明显的改善，随着掺量的增加，混合料抗水损害性能逐渐增强，当掺量为7.5%时TSR值到达峰值，当岩沥青掺量继续增加，混合料TSR值迅速降低，从试验结果来看，岩沥青掺量过高会导致混合料抗水损害能力的降低，因此建议岩沥青掺量不应过高且不宜超过7.5%。

综合对以上岩沥青改性沥青混合料路用性能的研究发现，岩沥青改性沥青混合料抗车辙和水损害的性能得到了较好的改善，但是该混合料的低温性能较差。综合考虑以上因素建议岩沥青掺量不应过高且不宜超过7.5%。

4 结论

由于沥青路面高温稳定性不足出现的车辙不仅影响行车的舒适性和快速性，而且影响行车安全。沥青混合料的高温性能受到诸多因素的影响，这些因素涉及到材料、设计、施工及气候、荷载等方面。显然，改善沥青混合料的高温性能应针对这些因素采取相应的措施，岩沥青是一种适宜推广的改善沥青路面高温稳定性的材料，通过对青川岩沥青改性沥青及其混合料的研究得出如下结论：

（1）通过对不同掺量的岩沥青改性沥青性能进行研究得出：随着岩沥青掺量的增加，改性沥青的针入度减小、温度敏感性明显降低；软化点增大、高温稳定性大幅提高；低温性能有所改善。并且当综合考虑以上各性能指标，青川岩沥青的掺加量不宜超过7.5%。同时在该范围掺量下，改性沥青不易离析；便于储存。

（2）通过对岩沥青改性沥青拌合工艺的研究，确定了其拌合流程。同时当以针入度、135℃布氏粘度、15℃延度、60℃低频剪切粘度(LSV)作为试验结果的评价指标时，得到了沥青拌合中发育温度、发育时间、剪切温度、剪切时间的影响程度及控制参数。

（3）通过对不同掺量的岩沥青改性沥青混合料路用性能进行研究得出：岩沥青改性沥青可以提高混合料抗车辙和水损害的性能，但是对提高混合料的低温性能作用不大。

参考文献

[1] 马敬坤，李中秋．国产天然沥青路用性能试验研究．公路交通科技，2004，21（9）：25~27

[2] 克列采尔(原苏联) ．地沥青、沥青及柏油[M]．北京:高等教育出版社，1958

[3] 陈旭，姜开明．布敦岩沥青改性沥青混凝土配合比设计．山东交通学院学报，2005，13（2）：35~38

[4] 董志伟.印尼布敦岩沥青(BRA)在路面工程中的应用研究[J].山西交通科技，2004，(1)

[5] 樊亮，申全军，张燕燕.天然岩沥青改性对沥青路面性能的影响[J].建筑材料学报，2007，10(6)

[6] 周富强，周必功，李保国等.岩沥青改性沥青应用研究[J].公路，2006(12)

[7] 王晓燕.国内外天然沥青路用性能比较研究[D]：[硕士学位论文].西安：长安大学，2006

[8] 王从曾．材料性能学．北京：北京工业大学出版社，2001

[9] 中华人民共和国行业标准．《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011人民交通出版社,2011