澆注式巖瀝青改性硬質瀝青的基本性能試驗研究

周曉靜，闞濤，喬弘，王彥敏，張愛勤

(山東交通學院 山東省高校路面結構與材料重點實驗室，山東 濟南 250357)

澆注式瀝青混凝土是以改性硬質瀝青為膠結料，與砂石骨料按一定配合比組合而成的一種新型瀝青混合料，在220～260 ℃高溫下拌合，瀝青含量高、礦粉含量多、空隙率較小，具有良好的流動性且無需碾壓成型，主要用作鋼橋面鋪裝材料[1]。目前改性硬質瀝青多以聚合物改性瀝青與天然湖瀝青摻配而成[2-4]，具有良好的黏結性、變形追從性、高溫穩定性、低溫抗裂性和抗疲勞性，用于國內外鋼橋面鋪裝，取得了良好的應用效果[5-6]。天然湖瀝青以進口為主，成本較高，我國天然巖瀝青資源豐富且高溫穩定性良好。

本文采用青川巖瀝青代替天然湖瀝青，對國產巖瀝青改性硬質瀝青的基本性能指標進行試驗研究，分析巖瀝青改性硬質瀝青組配比例對三大指標和質量損失的影響，探討澆注式改性硬質瀝青膠結料的組配方法。

1 澆注式巖瀝青混凝土對改性硬質瀝青的技術要求

改性硬質瀝青在澆注式瀝青混合料中具有極其重要的作用，既要具備高黏度，以提高澆注式瀝青混合料的強度，又要避免瀝青過稠而影響瀝青混合料高溫施工時較大的流動性[7-9]。目前公路鋼箱梁橋面鋪裝采用澆注式混凝土的改性硬質瀝青，主要采用聚合物改性瀝青與天然瀝青摻配或采用針入度為20～40(0.1mm)的瀝青摻入聚合物改性組配[10]。對于夏炎熱區，其技術要求見表1。

表1 改性硬質瀝青的技術要求

2 改性硬質瀝青的組成材料

2.1 巖瀝青

我國天然巖瀝青主要有青川巖瀝青和新疆巖瀝青，本試驗研究采用青川巖瀝青。青川巖瀝青含碳、氫、氧、氮、硫等化學成分，以瀝青質為主要化學組分。瀝青質呈固態，可以提高巖瀝青的軟化點。青川巖瀝青還含有多種能促進石油瀝青中活性基團交聯聚合的有機鏈，能夠增強瀝青的內聚力，改善改性瀝青的抗氧化性、抗流動性、黏附性和感溫性，尤其表現出優良的抗車轍性能[11]，但低溫性能有所劣化[12-14]。青川巖瀝青的性能指標見表2，能夠滿足天然瀝青的技術要求[15]。

表2 青川巖瀝青的性能指標

2.2 基質瀝青

研究巖瀝青改性硬質瀝青需要選用合適稠度的基質瀝青，參照目前聚合物改性瀝青與巖改瀝青的組配研究，基質瀝青主要選用70#、90#石油瀝青，可獲得良好的高溫穩定性[16-18]。由于青川巖瀝青硬度較高，因此本試驗研究選用90#石油瀝青作為基質瀝青進行改性。對90#石油瀝青采用15 ℃的延度試驗，薄膜加熱試驗中延度試驗溫度為10 ℃，90#石油瀝青性能指標見表3，其性能指標符合道路石油瀝青的技術要求[19]。

表3 90#石油瀝青的性能指標

2.3 改性劑

研究使用SAW瀝青改性劑、萜烯樹脂、SBS 3種改性劑，SAW瀝青改性劑主要改善瀝青的高溫性能和提高瀝青路面的抗變形能力，降低車轍、防止波浪、擁包現象，降低拌合及施工溫度，有效延長路面的使用壽命，降低工程造價，是一種具有優良綜合效益的改性劑；萜烯樹脂具有良好的抗氧化性、熱穩定性、溶解性和相容性等優點；SBS具有良好的拉伸強度和彈性，在高溫條件下氧化，可增加瀝青的硬度和黏度，可以較好改善瀝青的低溫性能、抗疲勞性能、水穩定性，同時能夠優化瀝青的高溫性能。為提高巖瀝青改性硬質瀝青的高溫穩定性，降低施工溫度，增強溶解性和相容性，改善其低溫性能,將SAW瀝青改性劑、萜烯樹脂、SBS 3種改性劑進行優化摻配形成復合改性劑，通過加入不同質量分數的復合改性劑和巖瀝青改性為巖瀝青改性硬質瀝青，并對巖瀝青改性硬質瀝青進行試驗研究。

3 改性硬質瀝青的試驗研究

3.1 巖瀝青改性硬質瀝青的摻配比例

對90#石油瀝青和復合改性劑進行組配，其中巖瀝青改性硬質瀝青中青川巖瀝青的質量分數分別為7.5%、10.0%、12.5%、15.0%[20]，復合改性劑的質量分數分別為0、3%和5%。試驗配合比見表4。

表4 巖瀝青改性硬質瀝青的配合比 %

3.2 試驗方法與結果分析

依據表4巖瀝青改性硬質瀝青的組配比例，對針入度、延度、軟化點、質量損失、閃點以及密度性能指標進行試驗研究。試驗條件為:針入度選擇25 ℃，100 g，5 s；延度選擇10 ℃，5 cm/min；軟化點采用環球法；質量損失采用旋轉薄膜加熱試驗，加熱溫度163 ℃，蒸發時間5 h；閃點采用克利夫蘭開口杯法；密度采用比重瓶測定，試驗溫度為15 ℃。巖瀝青改性硬質瀝青的主要技術指標試驗結果見表5。

表5 巖瀝青改性硬質瀝青的試驗結果

3.2.1 巖瀝青及復合改性劑對針入度的影響

巖瀝青及復合改性劑的質量分數與針入度曲線如圖1所示。由圖1可知，巖瀝青改性硬質瀝青的針入度隨著巖瀝青質量分數的增加逐漸降低。若不摻加復合改性劑，巖瀝青質量分數從7.5%增加到15.0%時，其針入度從45(0.1 mm)減小到25(0.1 mm)，減幅為44.4%?？梢?，巖瀝青的質量分數對改性瀝青的針入度影響較大，巖瀝青的質量分數越大，針入度越小。試驗結果表明，當巖瀝青的質量分數為10%～15%時，針入度滿足改性硬質瀝青的指標要求。摻加復合改性劑后，針入度有所變化，隨復合改性劑質量分數的增加，針入度增大；當其質量分數繼續增大，針入度減小。因此，當復合改性劑的質量分數為5%時，巖瀝青的質量分數為10%～15%，針入度滿足改性硬質瀝青的指標要求。

3.2.2 巖瀝青及復合改性劑對軟化點的影響

巖瀝青及復合改性劑的質量分數與軟化點的關系如圖2所示。由圖2可知，巖瀝青改性硬質瀝青的軟化點隨著巖瀝青質量分數的增加而升高，同時，隨復合改性劑質量分數的增加，軟化點也逐漸升高，且復合改性劑的質量分數為3%～5%時，對軟化點的影響較0～3%時大。當復合改性劑的質量分數為5%時，青川巖瀝青的質量分數為7.5%～15%時，巖瀝青改性硬質瀝青軟化點均大于72 ℃的指標要求。

圖1 巖瀝青改性硬質瀝青針入度試驗曲線

圖2 巖瀝青改性硬質瀝青軟化點試驗曲線

3.2.3 巖瀝青及復合改性劑對延度的影響

圖3 巖瀝青改性硬質瀝青延度試驗曲線

巖瀝青及復合改性劑的質量分數與延度的關系如圖3所示。由圖3可知，巖瀝青改性硬質瀝青的延度隨巖瀝青質量分數的增加而減小。若不摻加復合改性劑，巖瀝青的質量分數從7.5%增加到15.0%時，其延度由16.5 cm減小到7.3 cm，減幅為55.8%?？梢?，巖瀝青的質量分數對改性瀝青的延度影響較大，其中巖瀝青的質量分數為7.5%～12.5%時，可以滿足改性硬質瀝青的指標要求。隨著復合改性劑質量分數的增加，延度有所降低，但其質量分數為5%、巖瀝青的質量分數為12.5%時，延度明顯改善。試驗結果表明，當復合改性劑的質量分數為3%、巖瀝青的質量分數為7.5%～12.5%時，其延度大于10 cm；當復合改性劑的質量分數為5%、巖瀝青的質量分數為7.5%～13.0%時，延度基本滿足改性硬質瀝青的指標要求。

圖4 巖瀝青改性硬質瀝青質量損失試驗曲線

3.2.4 巖瀝青及復合改性劑對其他性能指標的影響

巖瀝青改性硬質中巖瀝青及復合改性劑的質量分數與瀝青質量損失的關系曲線如圖4所示。

分析表5試驗結果，巖瀝青改性硬質瀝青的質量損失均滿足指標要求。由圖4可知，巖瀝青改性硬質瀝青的質量損失隨著巖瀝青質量分數的增加不斷減小；同時，隨著復合改性劑質量分數的增加，巖瀝青改性硬質瀝青的質量損失逐漸降低。隨著巖瀝青質量分數的增加，復合改性劑質量分數不同的巖瀝青改性硬質瀝青的質量損失變化趨勢大致相同。當復合改性劑的質量分數為0～5%時，巖瀝青的質量分數從7.5%增加到15.0%時，巖瀝青改性硬質瀝青的質量損失從-0.281%變化到-0.180%，質量損失減少了0.101%。主要原因為:摻入巖瀝青及復合改性劑，使輕質成分的含量減少，在老化過程中由輕質成分轉化為硬質成分的數量減少，因而其質量損失有所下降。

表5試驗結果表明，隨著巖瀝青質量分數的增加，巖瀝青改性硬質瀝青的閃點逐漸增高，表明巖瀝青改性硬質瀝青具有良好的施工安全性，但閃點隨復合改性劑質量分數的增加，提高幅度較小。巖瀝青改性硬質瀝青密度較大，其密度均大于1.00 g/cm3。綜合分析改性硬質瀝青的基本性能指標及其影響規律，得出巖瀝青改性硬質瀝青中m(石油瀝青):m(天然巖瀝青):m(復合改性劑)=82.5:12.5:5.0時，可以獲得良好的高溫性能。

4 結論

1)巖瀝青改性硬質瀝青的軟化點隨著巖瀝青質量分數的增加而升高，改善了巖瀝青改性硬質瀝青的高溫性能，針入度、延度和質量損失量隨著巖瀝青質量分數的增加逐漸降低。

2)隨著復合改性劑質量分數的增加，巖瀝青改性硬質瀝青的軟化點大幅度提高，針入度有所增大，延度和質量損失略有下降。

3)巖瀝青改性硬質瀝青中m(石油瀝青):m(天然巖瀝青):m(復合改性劑)=82.5:12.5:5.0時，可滿足改性硬質瀝青的主要技術指標要求，可獲得良好的性能。

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