天然巖瀝青BRA 對(duì)瀝青膠漿改性機(jī)理及其性能研究

符 德

（南召縣農(nóng)村公路管理所，河南 南召 474650）

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。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(zhǎng)路面使用壽命；通過元素分析表明，BRA中的無機(jī)礦物組分主要為CaO；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；BRA可以提升瀝青膠漿的高溫流變性能及瀝青混合料性能。目前，我國(guó)對(duì)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(jì)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。

因此，本文以BRA作為特殊的改性劑分別對(duì)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(jiǎn)記為BVM）和BRA改性SBS瀝青膠漿（簡(jiǎn)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(duì)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(duì)其主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of asphalt technical indicators

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(duì)BRA的級(jí)配組成進(jìn)行篩分分析，并對(duì)其含水率和密度關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 BRA技術(shù)指標(biāo)及篩分結(jié)果Tab.2 Technical indicators and screening results of BRA

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(duì)其表觀密度及顆粒級(jí)配進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 石灰?guī)r礦粉的性能指標(biāo)Tab.3 Performance indexes of limestone mineral powder

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(jiǎn)記為BVM）和BRA改性SBS瀝青膠漿（簡(jiǎn)記為BSVM），共8組試樣。

采用電磁攪拌設(shè)備及自動(dòng)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(shí)間；備用。不同瀝青膠漿的制備工藝如表4所示。

表4 BRA改性膠漿制備工藝Tab.4 Preparation technology of RA modified mortar

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(cè)定儀，以蒸餾水為測(cè)試液，通過圖像法分別測(cè)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(píng)價(jià)BRA對(duì)瀝青膠漿抗水損壞性能方面的影響，接觸角試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 BVM和BSVM接觸角試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig.1 Test results of the BVM and BSVM contact angle tests

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(shí)，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(duì)瀝青膠漿的潤(rùn)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(cè)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(píng)價(jià)BRA摻量對(duì)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。BVM和BSVM的TG曲線基本在700 ℃以后趨于平坦，對(duì)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。

圖2 BVM的TG-DTG曲線圖Fig.2 The TG-DTG curve of the BVM

圖3 BSVM的TG-DTG曲線圖Fig.3 The TG-DTG cyuve of the BSVM

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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(duì)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。

圖4 BRA及BVM的紅外光譜圖Fig.4 FT-IR spectrum of BRA and BVM

圖5 BRA及BSVM的紅外光譜圖Fig.5 FT-IR spectrum of of the BRA and the BSVM

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(shí)，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(shí)，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；