李亞非，閆瑾，陳景

(交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京市 100029)

巖瀝青是石油流入巖石夾縫經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)億萬年的沉積、變化，在熱、壓力、氧化、觸媒、細(xì)菌的綜合作用下生成的瀝青類物質(zhì)，作為天然瀝青的一種，由于其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)瀝青會(huì)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，社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益均十分顯著。布敦巖瀝青作為巖瀝青中的代表產(chǎn)品，產(chǎn)于印度尼西亞布敦島，由侏亻羅紀(jì)海生動(dòng)物化石沉積而成，具有瀝青含量高、含氮量高、含樹脂、不含蠟等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外均將其摻加到普通瀝青混合料中作為外摻劑使用，以期提高瀝青混合料的高溫性能與水穩(wěn)定性能，俗稱“干法”施工工藝，但從應(yīng)用效果上看，由于存在施工拌和均勻性等施工變異性問題，布敦巖瀝青無法發(fā)揮其最大效益。

該文針對(duì)“干法”工藝生產(chǎn)布敦巖瀝青改性瀝青無法避免的施工變異性，創(chuàng)新性地通過活化工藝將巖瀝青進(jìn)行預(yù)處理，初步將巖瀝青磨細(xì)并活化，再將活化后的巖瀝青與基質(zhì)瀝青混溶，經(jīng)過膠體磨研磨生產(chǎn)巖瀝青改性瀝青，即“濕法”加工工藝。該工藝可將巖瀝青與基質(zhì)瀝青充分融合，有效促進(jìn)巖瀝青極性官能團(tuán)與基質(zhì)瀝青中活性基團(tuán)(羧基、醛、羰基、萘等)的交聯(lián)聚合，以改善基質(zhì)瀝青分子的排列方式和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(結(jié)點(diǎn)和強(qiáng)度)，增強(qiáng)瀝青黏聚力，使巖瀝青改性瀝青的抗流動(dòng)性、抗氧化性、黏附性和感溫性等獲得明顯的提高，進(jìn)而提高巖瀝青改性瀝青混合料的抗高溫、抗水損壞及抗疲勞性能，更適合規(guī)?；a(chǎn)。

1 布敦巖瀝青活化預(yù)處理

1.1 原材料

布敦巖瀝青(BRA)原材料采用湖北產(chǎn)巖瀝青干粉，具體性能指標(biāo)見表1，技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表1 巖瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 “活化”預(yù)處理

“活化”預(yù)處理旨在提高巖瀝青與基質(zhì)瀝青之間的膠合度，進(jìn)而充分發(fā)揮巖瀝青的改性能力。具體措施：將巖瀝青進(jìn)行破碎、脫水等處治，并在高溫下進(jìn)行熱細(xì)磨。將“活化”后的巖瀝青改性瀝青樣品涂片，通過掃描電鏡觀測(cè)，放大倍數(shù)為500～100 000倍，觀察發(fā)現(xiàn)經(jīng)過高溫“活化”后的巖瀝青分子極性極強(qiáng)，將基質(zhì)瀝青中的瀝青分子與巖瀝青中的樹脂、灰分都連接在一起，形成一種穩(wěn)定的多維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效提高了基質(zhì)瀝青的性能，見圖1、2。

圖1 活化后巖瀝青

圖2 多維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

2 布敦巖瀝青“濕法”加工工藝

該文研發(fā)的布敦巖瀝青“濕法”加工工藝為：通過加熱系統(tǒng)將基質(zhì)瀝青預(yù)熱至150～160 ℃后泵送至瀝青罐中，同時(shí)將已進(jìn)行破碎、脫水等活化處治的布敦巖瀝青干粉提升至入料口緩慢加入基質(zhì)瀝青中，開動(dòng)攪拌裝置，攪拌0.5～1 h，隨后將預(yù)混料泵入自主研發(fā)的膠體磨內(nèi)，進(jìn)行充分的研磨，將巖瀝青顆粒磨至100目以下，均勻地懸浮在基質(zhì)瀝青中，進(jìn)而得到巖瀝青改性瀝青，最后，將制備好的布敦巖瀝青改性瀝青移入貯存罐內(nèi)，進(jìn)行合理的儲(chǔ)存，以備后用。具體設(shè)備設(shè)計(jì)圖見圖3。

圖3 巖瀝青改性瀝青設(shè)備設(shè)計(jì)圖

3 布敦巖瀝青改性瀝青及瀝青混合料路用性能

為了對(duì)比不同布敦巖瀝青摻量對(duì)改性瀝青及瀝青混合料性能的影響，并確定巖瀝青的最佳摻量，分別選擇外摻10%、20%、30%、40%、50%活化后巖瀝青至70#道路石油瀝青中，按照“濕法”工藝加工布敦巖瀝青改性瀝青，測(cè)試改性瀝青及改性瀝青混合料性能。

3.1 布敦巖瀝青改性瀝青性能分析

按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)70#道路石油瀝青與不同摻量巖瀝青改性瀝青進(jìn)行有關(guān)測(cè)試，結(jié)果見表2。

表2 不同摻量布敦巖瀝青改性瀝青性能指標(biāo)

表2表明：① 布敦巖瀝青改性瀝青的針入度與延度隨著巖瀝青的摻量增加而降低，軟化點(diǎn)和黏度隨著巖瀝青的摻量增加而增加，說明瀝青的黏稠度隨著巖瀝青的增加而提高，有利于瀝青的高溫抗變形能力的提高；② 在旋轉(zhuǎn)薄膜老化后，5種摻量下的布敦巖瀝青改性瀝青的殘留針入度均比基質(zhì)瀝青要高，說明布敦巖瀝青改性瀝青的抗老化性能都有明顯的改善；③ 布敦巖瀝青改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性隨著巖瀝青摻量的提升在下降，外摻40%與50%的巖瀝青后，布敦巖瀝青改性瀝青離析較為嚴(yán)重，不建議作為最佳巖瀝青摻量。

3.2 布敦巖瀝青改性瀝青混合料性能分析

根據(jù)上文分析，40%與50%摻量布敦巖瀝青改性瀝青離析較為嚴(yán)重，故而，在對(duì)布敦巖瀝青改性瀝青進(jìn)行性能分析時(shí)，該文僅對(duì)比10%、20%、30%3種摻量布敦巖瀝青改性瀝青混合料性能優(yōu)劣，并以此為依據(jù)，確定布敦巖瀝青改性瀝青的最佳摻量。試驗(yàn)選擇AC-13型瀝青混合料，根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定不同摻量布敦巖瀝青改性瀝青的最佳油石比，并分別開展高溫車轍、低溫小梁彎曲以及浸水馬歇爾與凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4可知：布敦巖瀝青改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度隨巖瀝青摻量增加而增加，小梁低溫彎曲破壞隨巖瀝青摻量增加而降低，說明基質(zhì)瀝青在摻加巖瀝青后，改性瀝青混合料的抗高溫性能與抗水損壞性能隨巖瀝青摻量的增加而大幅提升，低溫抗裂性能隨巖瀝青摻量的增加而降低，當(dāng)巖瀝青摻量為30%時(shí)，布敦巖瀝青改性瀝青混合料的高溫抗車轍性能與抗水損壞性能最優(yōu)，低溫抗裂性能也滿足規(guī)范要求，建議將30%巖瀝青摻量作為最佳摻量。

圖4 不同布敦巖瀝青摻量下改性瀝青性能變化

4 工程案例

4.1 工程概況

該技術(shù)試驗(yàn)路段選擇在安徽省六安市某大修工程中實(shí)施，該路段按照二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建造，設(shè)計(jì)速度60 km/h，銑刨后加鋪4 cmAC-13型瀝青混合料，瀝青采用70#道路石油瀝青，粗細(xì)集料采用石灰?guī)r。

4.2 室內(nèi)試驗(yàn)

根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚪煌ㄌ攸c(diǎn)，選擇外摻30%巖瀝青制備巖瀝青改性瀝青，改性瀝青具體指標(biāo)見表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)布敦巖瀝青改性瀝青性能指標(biāo)

根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為4.8%，并驗(yàn)證相關(guān)路用性能，具體數(shù)據(jù)見表4。滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 改性瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

4.3 現(xiàn)場(chǎng)施工

根據(jù)試拌結(jié)果，布敦巖瀝青改性瀝青加熱溫度確定為140～150 ℃，集料加熱溫度為170～180 ℃，集料干拌時(shí)間為7 s，濕拌時(shí)間為42 s，出料溫度確定為150～160 ℃?，F(xiàn)場(chǎng)施工工藝為13 t單鋼輪碾壓兩遍、26 t膠輪碾壓6遍，11 t單鋼輪碾壓1遍收光。

現(xiàn)場(chǎng)攤鋪混合料分布均勻無離析(圖5)，取芯后壓實(shí)度達(dá)到98%。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)攤鋪效果

5 結(jié)論

(1)對(duì)布敦巖瀝青干粉進(jìn)行活化處理，有效增強(qiáng)了巖瀝青分子極性，促進(jìn)了巖瀝青中樹脂、灰分與基質(zhì)瀝青分子聯(lián)結(jié)，進(jìn)而形成一種穩(wěn)定的多維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了基質(zhì)瀝青的性能。

(2)通過自主研發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)改性設(shè)備，“濕法”工藝將活化后的布敦巖瀝青改性瀝青添加到基質(zhì)瀝青中，制備布敦巖瀝青改性瀝青，該改性瀝青的抗高溫穩(wěn)定性能與抗老化性能顯著提升。

(3)外摻40%巖瀝青以上制備的改性瀝青離析較為嚴(yán)重，通過路用性能對(duì)比試驗(yàn)得出外摻30%巖瀝青制備的改性瀝青各項(xiàng)性能較為均衡，推薦為“濕法”工藝制備巖瀝青改性瀝青的最佳摻量。

(4)通過實(shí)體工程驗(yàn)證，“濕法”工藝制備布敦巖瀝青改性瀝青混合料施工和易性較好，適合于規(guī)?；a(chǎn)。但由于試驗(yàn)段完成時(shí)間較短，短期內(nèi)無法體現(xiàn)路面性能優(yōu)劣，后續(xù)還將開展對(duì)試驗(yàn)路段的長(zhǎng)期性能觀測(cè)。