委內(nèi)瑞拉巖瀝青及其改性瀝青性能分析

查旭東，陳海萍，胡恒武，鄧杰元，宋小金，王文強

(1. 長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114；2. 湖南中大檢測技術(shù)集團有限公司，湖南 長沙 410125；3. 佛山市路橋建設(shè)有限公司，廣東 佛山 528313)

巖瀝青是一種由瀝青物質(zhì)和礦物質(zhì)組成的天然固態(tài)瀝青類物質(zhì)[1]，在瀝青混合料中可起到替代部分石油瀝青、礦粉和細集料及改性的作用，故在瀝青路面工程中巖瀝青得到越來越多的應(yīng)用[2]。巖瀝青在世界范圍內(nèi)分布較廣，品種眾多。國外的巖瀝青有北美巖瀝青和布敦巖瀝青等，中國的巖瀝青有青川巖瀝青和烏爾禾巖瀝青等[3-5]。大量的研究和應(yīng)用表明：巖瀝青中天然瀝青物質(zhì)聚合度高、性質(zhì)穩(wěn)定，且與石油瀝青同屬石油衍生物，二者配伍性和相容性優(yōu)良，可起到增黏、增彈作用[6-9]；同時，其礦物質(zhì)極性強，吸附性好，可起到增韌、增勁作用[10-12]。因此，巖瀝青改性可有效改善瀝青及其混合料的高溫、老化、水穩(wěn)及耐久等路用性能[13-15]。然而，由于地質(zhì)、地層、壓力、溫度及觸媒等生成條件的差異，使得不同產(chǎn)地巖瀝青中的天然瀝青物質(zhì)和礦物質(zhì)的組成比例、成分、性質(zhì)及其改性效果存在著較大的差異，在實際應(yīng)用中，必須通過對各種巖瀝青的性質(zhì)特點進行針對性研究，才能合理確定適宜的改性摻量和摻配工藝。

委內(nèi)瑞拉巖瀝青(Venezuela rock asphalt，簡稱為 VRA)產(chǎn)于南美洲委內(nèi)瑞拉奧利諾科河流域，是一種批量開采時間不長的巖瀝青，相關(guān)研究和應(yīng)用甚少[16]。因此，作者擬通過室內(nèi)試驗對VRA及其改性瀝青性能進行研究，以期揭示其性質(zhì)特點和改性機理，為其路用推廣提供參考。

1 VRA原材料及其組成成分分析

1.1 原材料性質(zhì)分析

VRA呈黑色固態(tài)粉末，質(zhì)地輕軟；VRA樣品的密度為1.193 g/cm3，含水率為0.62%，溶解度為96.84%。粒徑＜2.36 mm 的礦物質(zhì)通過率為100%，粒徑＜1.18 mm 的礦物質(zhì)通過率為 94.2%。因此，VRA的密度較小，略大于石油瀝青的，且溶解度高達 95%以上。表明：其瀝青含量(質(zhì)量比例)高，礦物質(zhì)顆粒較細，與礦粉級配接近。

1.2 瀝青含量及四組分分析

VRA中瀝青含量的測試結(jié)果見表1。從表1中可以看出，538 ℃和900 ℃燃燒法測試結(jié)果分別比離心抽提法的大0.09%和0.53%，其原因是燃燒法的高溫煅燒作用會造成少量礦物質(zhì)分解損失，使其結(jié)果略微偏高，但總體相差不大。為更準確地快速測試VRA瀝青含量，建議采用538 ℃燃燒法。同時，VRA中天然瀝青物質(zhì)的含量約占 97%，明顯高于其他常用的天然瀝青的，表明其應(yīng)用價值更高，并較適宜于濕法摻拌改性工藝。

表1 VRA中瀝青含量的測試結(jié)果Table1 Test results of VRA asphalt content

采用溶劑沉淀法，測得 VRA中天然瀝青物質(zhì)四組分的含量見表2。與布敦、青川和北美3種常用天然巖瀝青及泰普克 A-70#石油瀝青的四組分進行對比可知，VRA中瀝青質(zhì)的含量最高(高出約17%)，而其他 3種巖瀝青的相當；VRA中瀝青質(zhì)和膠質(zhì)組成的硬質(zhì)組分達到83.2%，也是4種巖瀝青中含量最高的，且為石油瀝青的2.7倍。表明：VRA中的天然瀝青是一種聚合度高的硬質(zhì)瀝青。若將其摻入石油瀝青中，可使瀝青膠體的極性增強，提高瀝青的黏性和抗變形能力，從而改善瀝青的高溫、老化及感溫等性能。但因該巖瀝青的飽和分和芳香分的軟質(zhì)組分含量較低，對其延展性不利，故其摻量應(yīng)較常用巖瀝青的適當減少。

表2 不同瀝青四組分含量測試結(jié)果Table 2 Test results of four-component contents for different asphalts

1.3 礦物質(zhì)組成分析

通過對VRA粉末和經(jīng)538 ℃燃燒后的礦物質(zhì)樣品進行X射線衍射分析，得到XRD圖譜，如圖1所示。從圖1中可以看出，雖然高含量非晶體結(jié)構(gòu)的天然瀝青物質(zhì)使得礦物質(zhì)的衍射峰比 VRA粉末的更多、更強，但2種樣品的衍射峰一致。表明：VRA經(jīng)538 ℃燃燒后的礦物質(zhì)成分并未發(fā)生改變，再次證明采用該法進行瀝青含量的快速測定是可靠的。由礦物質(zhì)圖譜可以判定：26.6°,29.4°和31.3°衍射峰分別表明VRA中含有SiO2,CaCO3和CaS；25.4°,38.6°,40.7°,48.6°,52.2°和 55.7°等衍射峰則表明VRA中含有CaSO4。結(jié)合各衍射峰強表明，VRA礦物質(zhì)中主要含有 SiO2,CaSO4和 CaS及少量CaCO3，其中：CaSO4和CaCO3均能提高瀝青和集料之間的粘附性，增強瀝青混合料的抗水損性能。

圖1 VRA及其礦物質(zhì)XRD衍射圖譜Fig. 1 XRD diffraction patterns of VRA and its minerals

2 VRA改性瀝青性能試驗

2.1 改性瀝青制備

選用 A-70#道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青。根據(jù)VRA材料性質(zhì)特點，參照已有的巖瀝青改性瀝青制備工藝，通過試配，確定 VRA改性瀝青的制備步驟為：①將基質(zhì)瀝青加熱融化后，置于150 ℃烘箱中保溫備用；②將結(jié)團的 VRA適當研磨，并按預(yù)定摻量將其投入到融解的基質(zhì)瀝青中，邊加熱邊攪拌；③升溫至170～180 ℃，以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速對VRA與基質(zhì)瀝青的混合物持續(xù)高速剪切 30～60 min，待攪拌均勻后，即制成VRA改性瀝青備用。

2.2 路用性能試驗

改性制備過程中發(fā)現(xiàn)：當VRA摻量(VRA與其改性瀝青的質(zhì)量比，即內(nèi)摻法)高于 20%時，少量VRA難以與基質(zhì)瀝青混融，改性瀝青也喪失了流動性而難以攪拌，故VRA摻量應(yīng)控制在20%以內(nèi)。為此，在0%～20%范圍內(nèi)，按5%等步距選取5種VRA摻量，并制備VRA改性瀝青進行各項路用性能試驗，其結(jié)果見表3。

從表3中可以看出，隨著VRA摻量的增加，VRA改性瀝青的針入度呈遞減趨勢，135 ℃黏度呈遞增變化。其原因是：VRA中含有大量的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)，增加了其改性瀝青中的硬質(zhì)組分，使得改性瀝青的稠度和黏度顯著增加，從而可極大地改善瀝青的抗變形能力；但當其摻量達到20%時，其黏度超過3 Pa·s近70%，難以滿足泵送施工要求，即再次表明VRA摻量不應(yīng)超過20%。同時，VRA改性瀝青的軟化點呈遞增變化，其摻量每增加 5%，軟化點平均增幅為5.8 ℃，且與當量軟化點接近，變化規(guī)律一致，表明其改性瀝青的高溫性能得到了顯著提高。此外，VRA改性瀝青的針入度指數(shù)隨其摻量的增加而逐步增加，呈現(xiàn)較明顯的凝膠特征而降低了溫度敏感性，提高了感溫性能。經(jīng)TFOT老化后，VRA改性瀝青的質(zhì)量損失緩慢減小，但總體變化不大，而老化后的針入度比快速增長，并明顯超出A-70#石油瀝青殘留針入度比不小于61%的老化性能要求，表明 VRA可顯著改善瀝青的抗老化能力。

表3 VRA改性瀝青路用性能試驗結(jié)果Table 3 Test results of pavement performances for VRA modified asphalt

將 VRA摻入到基質(zhì)瀝青后，其改性瀝青的延度快速下降到10%以下。當VRA摻量為15%時，試件出現(xiàn)了脆斷現(xiàn)象；當VRA摻量達到20%時，其延度很小。同時，其改性瀝青的當量脆點也呈逐步增大的變化趨勢。表明：VRA對瀝青的延度影響極大，會導(dǎo)致其低溫性能降低。

2.3 流變性質(zhì)試驗

為進一步分析VRA對其改性瀝青性能的影響，對 A-70#基質(zhì)瀝青及 VRA 摻量為 5%,10%,15%和20%的 4種改性瀝青分別進行了動態(tài)剪切流變(dynamic shear rheometer，簡稱為DSR)試驗和彎曲梁流變 (bending beam rheometer，簡稱為 BBR)試驗，其結(jié)果分別見表4和如圖2,3所示。

表4 VRA改性瀝青動態(tài)剪切流變性質(zhì)試驗結(jié)果Table 4 Test results of dynamic shear rheological properties for VRA modified asphalt

圖2 彎曲蠕變勁度與VRA摻量的變化關(guān)系Fig. 2 The relationship between bending creep stiffness and VRA mixing amount

圖3 彎曲蠕變速率與VRA摻量的變化關(guān)系Fig. 3 The relationship between bending creep rate and VRA mixing amount

從表4中可以看出，隨著VRA摻量的增加，老化前、后 VRA改性瀝青的車轍因子變化規(guī)律一致，均呈顯著的加速增長趨勢，且PG高溫等級也隨之升高。其原因是：VRA中的高硬質(zhì)組分提高了改性瀝青的黏性成分，顯著改善了高溫性能，增強了其在高溫地區(qū)的適用能力。從圖2,3中可以看出，3種溫度下VRA改性瀝青的蠕變勁度均逐漸增加，而蠕變速率則逐漸降低，表明 VRA中的硬質(zhì)組分使其改性瀝青變硬、變脆，提高了其抵抗荷載的能力，但應(yīng)變松弛能力下降，進而降低了其低溫性能，即進一步證明了 VRA對其改性瀝青的低溫性能有不利影響。因此，建議 VRA摻量不宜超過其改性瀝青總質(zhì)量的15%。除延度指標外，摻量為2%～8%和 8%～15%的 VRA改性瀝青可分別達到 A-50#和A-30#石油瀝青的針入度、軟化點及老化性能等技術(shù)指標的要求，故可采用 VRA配制較適合于南方濕熱地區(qū)應(yīng)用的低標號硬質(zhì)瀝青。

3 VRA改性機理紅外光譜分析

為了揭示 VRA的改性機理，采用紅外光譜試驗測試分析 A-70#基質(zhì)瀝青、VRA原材料及 VRA摻量分別為10%和20%的VRA改性瀝青的化學官能團，得到紅外光譜圖，如圖4所示。

從圖4中可以看出，在2 923和2 853,1 598,1 459和1 375及1 030 cm-1附近的吸收峰分別對應(yīng)著—CH2—對稱與不對稱伸縮振動、C=C雙鍵伸縮振動、—CH3—中C—H面內(nèi)彎曲振動及C—O伸縮振動的結(jié)果，812 cm-1附近的吸收峰是苯環(huán)取代區(qū)。

圖4 基質(zhì)瀝青、VRA及其改性瀝青紅外光譜圖Fig. 4 Infrared spectrums of base asphalt, VRA and its modified asphalt

同時，基質(zhì)瀝青與 VRA原材料的紅外光譜圖波形一致，波峰位置也很接近。表明：VRA與基質(zhì)瀝青化學官能團相近，兩者可以很好地混融；將VRA摻入到基質(zhì)瀝青后，其改性瀝青的紅外光譜圖波形也與基質(zhì)瀝青及 VRA的相近，即瀝青的官能團未發(fā)生變化，二者混融后并未發(fā)生化學反應(yīng)，只是簡單的物理混融過程。

4 結(jié)論

1) VRA質(zhì)地輕軟，呈黑色粉末狀；其瀝青含量和硬質(zhì)組分的含量分別高達96.9%和83.2%，具有聚合度高和黏性強等特性，較適宜于濕法摻拌改性工藝；其礦物質(zhì)粒度與礦粉接近，主要化學成分為SiO2,CaSO4和CaS，并含有少量的CaCO3，因此可增強瀝青混合料的抗水損性能。

2) 隨著VRA摻量的增加，其改性瀝青的針入度指數(shù)、當量軟化點、當量脆點、軟化點、黏度、針入度比、車轍因子及蠕變勁度等均得到了明顯提高，而針入度、延度和蠕變速率等均呈顯著降低的變化趨勢。表明：VRA可有效改善其改性瀝青的高溫性能、抗老化性能和溫度敏感性，但對延展性和低溫性能不利。因此，VRA摻量宜控制在其改性瀝青總質(zhì)量的15%以內(nèi)，并較適合于南方濕熱地區(qū)配制低標號硬質(zhì)瀝青。

3) VRA及其改性瀝青與基質(zhì)瀝青的官能團一致，有著相似的性質(zhì)，二者可以很好地混融，證實了 VRA對基質(zhì)瀝青的改性只是簡單的物理混融，而未發(fā)生化學變化。