布敦瀝青巖特性與技術(shù)標(biāo)準研究

陸學(xué)元，凌東強，胡應(yīng)德

(1. 安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088； 2. 安徽省銅陵市公路管理局，安徽 銅陵 244000；3. 南京東德道路工程咨詢服有限公司，江蘇 南京 210017)

0 引 言

布敦瀝青巖(Buton-Asphalt-Rock, BAR)是產(chǎn)自南太平洋印度尼西亞蘇拉威西省布敦島(Buton)經(jīng)長期變化和綜合作用下形成的一種由布敦瀝青和布敦巖礦組成的天然硬質(zhì)瀝青巖體。通過采用機械挖掘形成塊狀經(jīng)運輸至破碎機，將大小不同的塊狀布敦瀝青巖進行破碎、分離后進入烘干設(shè)備經(jīng)研磨、篩分、除塵、分揀等加工工藝，剔除部分黏土和水分等雜質(zhì)含量而形成今天市場上通常稱為、使用的天然布敦巖瀝青。因其該材料由少量布敦瀝青(BA)和多量布敦巖礦料(BR)構(gòu)成較為單一的黑褐色“BAR-3型布敦瀝青混合料”原材料，筆者定義為布敦瀝青巖(BAR)。與國內(nèi)外其它巖瀝青相比(如：四川青川、新疆和北美巖瀝青以及特立尼達和多巴哥等地區(qū)天然巖瀝青)，呈現(xiàn)出含有更多巖礦料(俗稱灰分)的特征[1-4]。文獻[5]說明“天然巖瀝青可單獨與石油瀝青混合料使用或與其他改性瀝青混融后使用”，但尚未形成技術(shù)標(biāo)準。研究成果與工程實踐表明：布敦瀝青巖中純天然巖瀝青作為一種硬質(zhì)瀝青，可替代部分石油瀝青并與其形成調(diào)和復(fù)合式改性瀝青，從而提高瀝青混合料路用性能[6-9]。

相關(guān)學(xué)者對布敦瀝青巖改性機理和絕大部分為布敦巖礦料的礦物成分進行了試驗研究[10-13]，對推廣布敦瀝青巖應(yīng)用提供了有利技術(shù)支撐。從實踐效果來看，目前國內(nèi)外工程中基本采用直投式生產(chǎn)工藝，尤其是布敦瀝青巖改性瀝青混合料表面層的工程項目，有成功案例也有失敗案例。目前因布敦瀝青中的添加量還存在較多差異性，且對布敦巖礦料的特性認知及布敦瀝青巖質(zhì)量與技術(shù)控制標(biāo)準尚未形成系統(tǒng)化，故尚未達到類似于SBS改性瀝青材料大規(guī)模應(yīng)用程度，僅限于試驗和推廣階段。隨著研究工作深入，布敦瀝青巖材料技術(shù)控制標(biāo)準、定義、命名和試驗方法及路用性能研究方面有了很大進展，但研究方法和成果還存在一定的差異性[14-20]，工程耐久性還需較長時間來驗證。綜上所述，有必要對布敦瀝青巖中的布敦巖礦料(BR)和布敦瀝青(BA)及BAR的材料特性和摻量等技術(shù)參數(shù)、試驗方法和技術(shù)與質(zhì)量控制標(biāo)準作進一步深入研究和探討，形成BAR技術(shù)控制標(biāo)準，以揭示BAR材料的使用價值。

1 試驗方法與材料特性

按照文獻[18]要求，以不同時間、不同批次的工程用布敦瀝青巖為研究對象，分別采用燃燒爐法、馬福爐法和C2HCl2離心分離法等方法，并同步進行布敦瀝青巖干法篩分和布敦巖礦料干法、水洗法級配篩分試驗，實測布敦瀝青含量(質(zhì)量分數(shù)，文中涉及的含量、摻量除特別說明外均為質(zhì)量分數(shù)，%)和密度，結(jié)果匯總?cè)绫?。其中：BAR含水率和親水系數(shù)分別為1.2%和0.87，表觀相對密度為1.364～1.750；BA相對密度為1.025，BR表觀相對密度為2.133～2.254。

表1 不同試驗方法的布敦瀝青巖材料試驗結(jié)果Table 1 Test results of different test methods about BAR materials

從上述23次施工用不同批次布敦瀝青巖材料，在不同時間內(nèi)進行BAR試驗結(jié)果可知：

1)燃燒爐法(T0735-2011)和瀝青灰分含量的馬福爐法(T0614-2011)實測布敦瀝青含量較瀝青混合料中瀝青含量試驗(T0722-1993) C2HCl2離心分離法所瀝青含量偏大。其中：馬福爐法最大(49.7%～54.8%)，燃燒法次之(21.10%～28.16%)，離心分離法最小(22.8%～31.0%)。經(jīng)燃燒爐后形成的剩余布敦巖礦料再經(jīng)馬福爐煅燒，其瀝青含量在49.5%～54.8%，這與文獻[12]試驗結(jié)果較接近。

筆者認為，造成馬福爐法實測純布敦瀝青含量明顯偏大的主要原因為：其兩階段煅燒且滿足兩次連續(xù)稱量之差不大于0.3 mg的時間較長以及溫度過高(900 ℃±10 ℃)，使得包含純巖瀝青的非瀝青成分(含碳物和不溶物、水分和CO2以及存在的易氧元素氧化等)物質(zhì)全部揮發(fā)，僅留下殘留物無黑色的無機物(灰分含量)偏小，從而相應(yīng)燒失量即所謂的瀝青含量明顯增大，純布敦瀝青含量偏離真值最遠，即便增加試樣代表性(50 g左右)，測得的揮發(fā)物視為所謂瀝青含量仍然偏大。雖然燃燒爐法的試樣代表性增至1 500 g左右，但由于各廠家的燃燒爐之間均存在不規(guī)律溫沖，即按規(guī)定設(shè)定為538 ℃±5 ℃，在放入托盤布敦瀝青巖材料時，燃燒爐門打開瞬間，溫度急劇下降，在鎖定燃燒室門后加熱燃燒時，很難立刻維持在538 ℃，往往會沖到550 ℃～580 ℃，然后燃燒爐再自身緩慢調(diào)節(jié)維持在538 ℃，這很容易導(dǎo)致所測得數(shù)據(jù)離散性較大，且剩余殘留物部分含有黑色物質(zhì)，也說明實測的所謂瀝青含量結(jié)果較馬福爐高溫煅燒小，瀝青含量也離真值較遠；以C2HCl2為溶劑的離心分離法試驗溫度遠較上述兩種方法偏低且與施工工藝相一致，測定的瀝青含量與真值較為接近，可作為瀝青含量的標(biāo)準試驗方法。

2)布敦瀝青巖干法篩分級配明顯較燃燒爐法后和離心分離法后的水洗級配偏粗，但與燃燒爐法后干法篩分級配中各篩孔質(zhì)量通過百分率接近；采用離心分離法剩余布敦巖礦料干篩法篩分與對容器中剩余布敦巖礦料再用水洗法篩分，二者級配相差不大；離心分離法后布敦巖礦料級配較燃燒爐法后水洗級配明顯偏細。

筆者認為，燃燒后剩余布敦巖礦料采用干法篩分時，盡管布敦瀝青已揮發(fā)，若未對托盤內(nèi)剩余的布敦巖礦料用手指將其揉搓變細而直接采用干法篩分，時有部分巖礦料(灰分)會出現(xiàn)團結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致與布敦瀝青巖干法篩分結(jié)果較接近。離心分離法后的干法篩分和水洗篩分級配差異不大的主要原因是：C2HCl2抽提后的布敦巖礦料已較為潔凈、清澈，直接采用容器中剩余的巖布敦礦料干篩法篩分以及容器中剩余布敦巖礦料再用水洗法篩分較小所致，從而導(dǎo)致離心分離法后的BR級配較燃燒爐法后級配明顯偏細。結(jié)果表明：布敦巖礦料級配呈現(xiàn)出粗于礦粉、細于機制砂細集料級配[5]的一種礦質(zhì)集料。布敦瀝青巖其含有的巖礦料表面裹覆著布敦瀝青，一般只能采用干法篩分來評價布敦巖的顆粒粒度級配范圍；采用離心分離法能夠?qū)R與BA徹底剝離和分離，再用水洗篩分級配評價BR級配范圍較為科學(xué)合理。

3)從BAR材料表觀相對密度、含水率、BA和BR相對密度、親水系數(shù)等物理參數(shù)可知，布敦瀝青巖和布敦巖礦料密度均明顯大于純布敦瀝青和基質(zhì)瀝青密度，且布敦瀝青巖在水中的膨脹體積小于在煤油中的膨脹體積。這表明：布敦瀝青巖對瀝青的親和力大于對水的親和力，在工程應(yīng)用時難以采用濕法工藝進行施工。

2 布敦瀝青與基質(zhì)瀝青改性技術(shù)

為正確分析布敦瀝青巖中回收布敦瀝青的試驗方法和過程對瀝青結(jié)合料指標(biāo)的影響，筆者采用文獻[21]中從瀝青混合料中回收瀝青的方法(阿布森法)對回收布敦瀝青進行了空白比對標(biāo)定試驗。

試驗方案采用70#道路石油瀝青，試樣3 kg，分為3等分。第1份為對比瀝青原試樣，直接進行常規(guī)試驗；第2份在常溫下溶解于工業(yè)用C2HCl2(其濃度為1∶5)溶劑中并靜置24 h，之后采用阿布森法回收瀝青；第3份采用添加4%礦粉+瀝青攪拌均勻后(165 ℃)冷卻至常溫，再將其溶解于C2HCl2溶劑中靜置24 h，并以阿布森法回收其中瀝青，試驗結(jié)果如表2。

表2 70 #道路石油瀝青比對試驗結(jié)果Table 2 Comparison test results of 70# road asphalt

為進一步研究布敦瀝青巖中布敦瀝青及其與基質(zhì)瀝青復(fù)合的改性瀝青技術(shù)指標(biāo)變化規(guī)律，筆者以工業(yè)用C2HCl2為溶劑，采用離心分離法(T0722-1993)將布敦瀝青組分從布敦瀝青巖中抽提出來，實測布敦瀝青巖中布敦瀝青含量(28.16%)，得到純布敦瀝青與C2HCl2混合液，再依據(jù)阿布森法(T0726-2011)對布敦瀝青巖進行回收布敦瀝青試驗。

試驗方案分別以銅陵和合肥瀝青拌和站使用的不同批次布敦瀝青巖作為AC-20石灰?guī)r(中面層)和AC-13玄武巖(上面層)改性瀝青混合料，總油石比分別為4.3%和4.9%。其中，中面層BR占集料質(zhì)量的1.2%，即BAR占集料質(zhì)量為1.7%；上面層BR分別占集料質(zhì)量的1.7%、2.9%，即BAR占集料質(zhì)量為2.4%、4%。據(jù)此分別計算對應(yīng)的布敦瀝青和基質(zhì)瀝青重量并稱重，并充分攪拌均勻構(gòu)成的3種復(fù)合改性瀝青結(jié)合料，試驗結(jié)果如表3。其中70#基質(zhì)瀝青軟化點為46.5 ℃。

表3 銅陵和合肥項目布敦巖阿爾布森法試驗結(jié)果Table 3 BAR Abson method test results(Tongling and Hefei project)

1)由表2可知：添加了C2HCl2和礦粉回收的70#瀝青的常規(guī)指標(biāo)變化較小，均復(fù)合規(guī)定的重復(fù)性誤差要求，回收過程對70#瀝青常規(guī)指標(biāo)基本不產(chǎn)生影響。采用阿布森方法回收能排除C2HCl2和礦粉影響，回收的瀝青試樣具有代表性，這說明采用阿布森法對瀝青回收和評價是合適的。

2)由表3可知：布敦瀝青屬于硬質(zhì)高黏度瀝青，基本符合文獻[19]規(guī)定的高黏道路瀝青質(zhì)量標(biāo)準。布敦瀝青與70#基質(zhì)瀝青質(zhì)量之比由0增至12.6%時，復(fù)合改性瀝青軟化點由46.5 ℃增至54.5 ℃，軟化點增幅較顯著；當(dāng)由12.6%增至15.6%時，其軟化點由54.5 ℃增至57.5 ℃，此時調(diào)和復(fù)合改性瀝青的軟化點最高；當(dāng)增加至30%時，軟化點增加不明顯，接近聚合物SBS改性瀝青I-D級技術(shù)指標(biāo)要求[5]。這說明了布敦瀝青巖和70#基質(zhì)瀝青形成的改性瀝青混合料中，BR最大摻量(占礦料質(zhì)量之比)為1.7%，即BAR最大摻量(占礦料質(zhì)量之比)為2.4%。結(jié)合文獻[6]研究成果和不同層位(上、中、下面層)的布敦瀝青巖改性瀝青混合料功能要求，提出布敦瀝青與70#瀝青適宜的外摻量(BA與70#瀝青質(zhì)量比)為7%～15%，對應(yīng)巖礦料與礦質(zhì)集料適宜的外摻量(BR與礦料質(zhì)量比)為1.0%～1.7%。

3 布敦瀝青拌和及黏附性分析

為模擬布敦瀝青巖與集料在拌和樓干拌過程中的布敦瀝青巖裹覆情況，筆者首先將粗集料進行水洗烘干處理，將BAR與粗集料在室內(nèi)采用小型拌和鍋拌和，以便能夠清楚觀察BAR與粗集料裹覆和黏附及BAR在鍋底是否結(jié)團、結(jié)塊等情況。

試驗采用4擋熱倉，石灰?guī)r粗集料與布敦瀝青巖質(zhì)量比分別為36∶18∶37∶8∶1.7，將粗集料在烘箱加熱至180 ℃，按比例分別稱重后倒入拌合鍋中，再將常溫布敦瀝青巖倒入其中進行拌和，時間分別為30、45、60、75 s。為節(jié)約篇幅，筆者選取BAR+粗集料拌和60 s裹覆試驗情況，如圖1。

圖1 BAR+粗集料拌和60 s裹覆情況Fig. 1 The mixing of BAR and coarse aggregate as well as the 60 scoating condition

為進一步驗證布敦瀝青巖與玄武巖粗集料(9.5～13.2 mm)的黏附性，試驗采用BAR占礦料質(zhì)量比分別為1.7%和2.3%，換算為BAR與基質(zhì)瀝青質(zhì)量比分別為1.7∶4.0和2.3∶4.3，即分別為42.5%和53.5%；BA+70#瀝青總油石分別為4.4%、4.9%。其次分別對BAR和相應(yīng)基質(zhì)瀝青進行攪拌復(fù)合改性，得到分別為基質(zhì)瀝青、1.7%BAR+基質(zhì)瀝青、2.3%BAR+基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青這4種結(jié)合料。水煮法黏附性試驗結(jié)果如圖2。

圖2 與粗集料黏附情況Fig. 2 Adhesioncondition with coarse aggregate

1)圖1表明：隨著拌和時間延長，布敦瀝青巖與集料裹覆越充分，但沒有與粗集料形成完全裹覆與黏附狀態(tài)，集料表面漸次出現(xiàn)黏附的黑色斑點狀布敦瀝青，未見析出呈液態(tài)的布敦瀝青包裹于集料上，集料表面大部分仍處于裸露狀態(tài)，在此溫度內(nèi)BAR始終以固體形式存在，并沒有發(fā)生布敦瀝青從布敦巖礦料表面上剝離與分離，轉(zhuǎn)而與粗集料優(yōu)先結(jié)合和裹覆的現(xiàn)象。實驗還發(fā)現(xiàn)在任何時間段拌合鍋底部均未出現(xiàn)布敦巖瀝青結(jié)塊現(xiàn)象。

筆者認為，布敦瀝青巖與集料在小型拌和鍋熱拌(180 ℃)過程中，立式星星狀葉片在約80 r/min攪拌和剪切作用下，很難將布敦瀝青巖中的純巖瀝青與布敦巖礦料分離，進而形成純巖瀝青與粗集料的裹覆狀態(tài)。同時也有可能是BAR占礦質(zhì)集料質(zhì)量比為1.7%(布敦瀝青占礦料質(zhì)量比為0.47%)，這不足以裹覆集料表面形成明顯瀝青油膜狀態(tài)。

2)由圖2表明：經(jīng)水煮法實測的4種瀝青結(jié)合料與玄武巖粗集料的黏附狀況均較好，沒有剝落情況，黏附等級均能達到5級。其中SBS改性瀝青黏附油膜厚度最為均勻，摻量分別為1.7%、2.3%的BAR與基質(zhì)瀝青攪拌均勻的改性瀝青油膜厚度較基質(zhì)瀝青均勻。基質(zhì)瀝青油膜黏附性雖不及其他3種膠結(jié)料，但差異不大。其中：1.7%BAR與基質(zhì)瀝青形成的改性瀝青黏附效果接近SBS改性瀝青，黏附性介于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青之間。盡管2.3%BAR+基質(zhì)瀝青中布敦瀝青與基質(zhì)瀝青質(zhì)量之比為15%，大于1.7%BAR+基質(zhì)瀝青中的布敦瀝青質(zhì)量與基質(zhì)瀝青質(zhì)量之比為12%，但試驗結(jié)果表現(xiàn)為前者黏附性不及后者，這主要是布敦瀝青巖摻量過大，容易導(dǎo)致布敦瀝青巖中含有絕大部分為布敦巖礦料對玄武巖粗集料黏附性造成一定影響，基質(zhì)瀝青中輕質(zhì)油分不足以被布敦瀝青巖中布敦硬質(zhì)瀝青吸收導(dǎo)致黏附性降低所致。

4 布敦瀝青巖微觀試驗及分析

為充分探討布敦瀝青巖中絕大部分為布敦巖礦料的微觀結(jié)構(gòu)變化，筆者分別采用日本Hitachi公司生產(chǎn)的掃描電鏡(SEM，型號為S-3400N Ⅱ)、能普儀(型號為EX-250)和射線熒光光譜分析儀(型號為Axios Advanced X)對項目用礦粉試樣的兩種試驗樣進行了微觀結(jié)構(gòu)試驗分析，對微區(qū)主要元素進行了定性和定量分礦物成分分析，獲得了表面顯微結(jié)構(gòu)形貌與成分信息，并揭示了布敦巖礦料物理和化學(xué)屬性。布敦巖礦料試樣為經(jīng)燃燒爐燃燒法和C2HCl2離心分離法試驗后再經(jīng)水洗后的剩余布敦瀝青巖礦料，礦粉為原樣礦粉。掃描電鏡微觀結(jié)果如圖3；掃描電鏡測微區(qū)采用能譜儀分析其化學(xué)元素，結(jié)果如表4；X射線熒光光譜分儀實測化學(xué)成分和微量元素結(jié)果如表5。其中：測試能譜試驗分析時，先基于掃描電鏡的3種不同材料微觀結(jié)構(gòu)框圖內(nèi)通過X射線衍射這3種粉末狀材料，當(dāng)發(fā)生光與標(biāo)定材料相同的標(biāo)準能譜對比時，可被檢測出來確認各化學(xué)元素。

圖3 掃描電鏡微觀結(jié)果Fig. 3 Microscopic results of scanning electron microscopy

元 素重量/%原子/%備 注礦粉譜圖ONaMgAlSiKCaTiFeSn總量56.5674.340.460.421.151.003.632.839.507.111.660.8923.0912.110.300.132.550.961.080.19100.00可能被忽略的峰:10.990 keV;處理選項:所有經(jīng)過分析的元素(已歸一化);重復(fù)次數(shù)=5燃燒水洗COMgAlSiSKCaFe總量21.1531.7046.7752.640.680.511.430.953.942.531.060.590.320.1523.5210.571.130.37100.0沒有被忽略的峰;處理選項: 所有經(jīng)過分析的元素(已歸一化);重復(fù)次數(shù)=5

(續(xù)表4)

元 素重量/%原子/%備 注抽提水洗COMgAlSiSKCa總量15.7024.7747.4356.180.260.220.590.461.511.064.923.321.771.050.450.2225.7912.19100.00沒有被忽略的峰;處理選項: 所有經(jīng)過分析的元素(已歸一化);重復(fù)次數(shù)=5

表5 BR熒光光譜儀化學(xué)成分分析結(jié)果Table 5 Results of chemical composition analysis of BR fluorescence spectrometer

筆者認為，布敦巖礦料具有上述微觀構(gòu)造特征，與布敦瀝青巖成巖構(gòu)造和沉積年代久遠有關(guān)；布敦瀝青具有較強的黏附性能，與宏觀分析的布敦瀝青巖+70#瀝青具有較好黏附性的結(jié)論一致。經(jīng)538 ℃高溫燃燒爐燃燒后，部分有機物和礦物化學(xué)元素在高溫灼燒后發(fā)生改變，并在燃燒爐抽吸作用下微細小顆粒灰分會發(fā)生飛散，使得其較抽提篩分后BR表面光亮。礦粉表面構(gòu)造特征主要是由礦粉經(jīng)球磨機反復(fù)碾磨后，其顆粒顆粒尺寸(粒徑)更小，大小分布更均勻和礦粉礦物成分化學(xué)組成所致。

2)在掃描電鏡框圖范圍內(nèi)，筆者采用X射線能譜儀分別對礦粉、燃燒后和C2HCl2抽提后經(jīng)水洗烘干的潔凈布敦巖礦料進行化學(xué)元素檢測。由其結(jié)果可知：礦粉中氧、鈣、硅、鋁和鐵的重量比依次為56.56%、23.09%、9.5%、3.63%、2.55%，未見碳元素和硫元素；布敦巖礦料中碳、氧、鈣、硅、鋁和鐵的化學(xué)元素重量比依次為21.15%、46.77%、23.52%、3.94%、1.51%、1.57%。這表明礦粉中所含化學(xué)元素是構(gòu)成CaO、SiO2、Al2O2和Fe2O2等主要氧化物化學(xué)成分，基本與水泥熟料具有相同化學(xué)成分，這與文獻[11]對礦粉研究結(jié)果不一致，可能是所用試樣礦粉材質(zhì)不同造成的；布敦巖礦料中上述元素是構(gòu)成CaCO3、CaO、SiO2、Al2O2和Fe2O2等氧化物的主要成分，基本與沉積石灰?guī)r具有相同的碳、氧、鈣、硅、鋁等主要化學(xué)成分，這與文獻[10]分析結(jié)果一致；經(jīng)燃燒后的BR碳元素重量比(質(zhì)量克拉克值)和原子百分比(原子克拉克值)較三氯乙烯抽提后BR有所增加，鈣元素重量比和原子百分率有所降低。

3)由X射線熒光光譜儀進一步分析結(jié)果可知：位于東南亞Buton島布敦瀝青巖可檢測的化學(xué)成分總量為68.99%以及含有硫、鍶、鋇、鉻等金屬和非金屬等微量化學(xué)元素。其中：WCaO≥48.3%、WSiO2≥13.6%、WAl2O2≥3.2%、WFe2O2≥1.7%、WMgO≥1.4%。表明BR中含有絕大部分堿性氧化物，其次為SiO2氧化物，無C元素，這些氧化物是構(gòu)成硅酸類結(jié)晶造巖礦物的主要成分，而不能形成碳酸鹽礦物結(jié)構(gòu)，這與采用X射線衍射(XRD)圖譜儀對BR分析結(jié)果[10-11]中的碳酸鈣含量較高不一致；同時與文中采用EX-250能普儀對BR分析結(jié)果中含C元素不一致。

筆者認為，這可能是本次試驗采用將BAR中BR和BA分離后剩余潔凈BR與文獻[10-11]中研究采用被布敦瀝青(BA)包裹的布敦瀝青巖(BAR)不同所致；也可能是本次試驗所采用的儀器不同和檢測精度不同所致。為此筆者查閱相關(guān)文獻，其中文獻[20]中分析了蘇拉威西島埃達克巖列舉的137個巖石化學(xué)元素數(shù)據(jù)分析結(jié)果(共含8個文獻記載數(shù)據(jù))的主要化學(xué)成分大部分為SiO2和Al2O2，其他不足10%，列舉元素數(shù)據(jù)中也沒有C元素，與本研究分析結(jié)果中不含C元素相同，但與本次研究結(jié)果中含有絕大部分為CaO含量有所不同。因此還不能推測確定BR中是否含有碳元素或者BAR中含有的石油有機物(BA)中的碳元素是否被帶入到BR中。結(jié)合礦床地質(zhì)和地球環(huán)境有關(guān)該地區(qū)的巖礦和筆者的研究成果，認為采用型號為Axios Advanced X射線熒光光譜分析儀的分析結(jié)果與文獻[20]結(jié)果相一致更為可靠，即BR是由硅鋁酸鈣結(jié)晶礦物構(gòu)成，而非公路行業(yè)以前所認為的BR由碳酸鹽礦物構(gòu)成。

5 試驗方法評價與技術(shù)控制標(biāo)準

5.1 評價1

上述研究成果認為：灰分試驗方法不適合評價布敦瀝青巖性能，主要是因其試驗規(guī)程規(guī)定的溫度過高無法反映實際施工溫度且試樣代表性不足(僅5g)，以及灰分控制標(biāo)準不能反映布敦瀝青巖中的布敦瀝青實用價值和檢瀝青含量真值；燃燒爐法測定瀝青含量盡管較為方便快速，但因其溫度過高和存在溫沖影響對布敦瀝青巖標(biāo)定較為困難，容易導(dǎo)致實測布敦瀝青含量明顯偏大且離散性較大，不適用于評價布敦瀝青巖中的布敦瀝青含量控制標(biāo)準。總之，燃燒法和馬福爐法在規(guī)定試驗溫度下，樣品中的礦質(zhì)材料將有所分解，表現(xiàn)為質(zhì)量減小，這部分質(zhì)量損失不應(yīng)作為“布敦瀝青含量”；C2HCl2溶解度試驗方法雖在基質(zhì)瀝青技術(shù)控制標(biāo)準[21]中規(guī)定大于99.5%，但對布敦瀝青巖中主要成分為布敦巖礦料而言，所規(guī)定的瀝青試樣重量太少(僅2 g)，不具有判定布敦瀝青巖質(zhì)量的代表性。考慮到瀝青溶解度試驗與瀝青混合料中瀝青含量試驗的離心分離法實質(zhì)上均為測定瀝青含量，而且工地試驗室一般不配備溶解度實驗儀器等因素。綜合考慮上述因素及布敦瀝青巖礦、布敦瀝青巖加工特性和質(zhì)量波動性，筆者采用C2HCl2離心分離試驗法更能準確控制布敦瀝青巖中的布敦瀝青含量，有利于體現(xiàn)布敦瀝青的使用價值和試驗可操作性，同時以布敦瀝青含量或油石比概念來表述布敦瀝青巖比采用灰分含量和溶解度概念來表述布敦瀝青巖性能更為科學(xué)、準確和清晰。BAR中BA含量技術(shù)控制標(biāo)準在23%～30%較為合理。

5.2 評價2

通過對不同批次布敦瀝青巖不同篩分試驗所得到的級配變化較大，顆粒粒徑大小介于細集料和礦粉之間。考慮到試驗便捷性、布敦瀝青巖特性和質(zhì)量穩(wěn)定性等因素，筆者采用干法篩分試驗評價布敦瀝青巖級配范圍較為合適；由于馬福爐煅燒溫度過高且試樣數(shù)量太少導(dǎo)致難以有效篩分，燃燒爐燃燒法溫度雖較馬福爐煅燒有所降低，但試驗加熱溫度明顯較拌和站生產(chǎn)加熱溫度偏高，且自身溫控偏差較大，盡管試驗樣品重量具有代表性，但干法篩分試驗級配明顯粗于水洗法篩分級配且篩分離散性較大。

筆者采用C2HCl2離心分離布敦瀝青巖(BAR)中的布敦巖礦料(BR)和布敦瀝青(BA)，其形成的剩余BR級配與被BA包裹黏附的巖礦料級配具有一致性，BR內(nèi)部結(jié)構(gòu)和礦物成分不發(fā)生改變。故水洗篩分試驗?zāi)茌^客觀反映出BAR中BR的級配組成，可準確對布敦巖礦料顆粒級配和級配范圍進行質(zhì)量評價，同時質(zhì)量抽檢試樣具有代表性、試驗結(jié)果變異性較小、與拌和樓實際攪拌狀態(tài)較為接近等優(yōu)點，更有利于將其級配組成參與到瀝青混合料礦料級配設(shè)計之中。因此，C2HCl2抽提和水洗篩分試驗作為巖礦料級配控制范圍合理可行。結(jié)合布敦瀝青巖資源特性和加工工藝水平等因素，筆者提出BAR和BR的試驗方法和級配控制范圍如表6。

表6 布敦瀝青巖和布敦巖礦料級配范圍Table 6 Grading range of BAR and BR

5.3 評價3

通過不同試驗方案空白標(biāo)定和常規(guī)指標(biāo)試驗檢測與分析可知，采用C2HCl2離心分離法和阿布森法對布敦瀝青巖進行回收布敦瀝青是科學(xué)合理的。對布敦瀝青和70#道路石油瀝青形成的復(fù)合改性瀝青提出合理的技術(shù)控制指標(biāo)，有助于提高布敦瀝青巖供應(yīng)商和施工承包單位對原材料加工工藝和質(zhì)量控制的重視程度，有利于現(xiàn)場施工質(zhì)量技術(shù)控制，能體現(xiàn)出布敦瀝青所發(fā)揮的功效作用。

為區(qū)分印度尼西亞蘇拉威西島(Sulawesi)卡盆卡礦區(qū)的巖石瀝青(硬性)和拉維里礦區(qū)的膠漿瀝青(軟質(zhì)性)，結(jié)合文中研究成果及相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準，筆者提出適合于布敦瀝青巖和布敦瀝青及與70#基質(zhì)瀝青形成的改性瀝青技術(shù)控制指標(biāo)和相應(yīng)試驗方法，如表7。

規(guī)范建筑工程的施工材料檢測流程就需要有專業(yè)的檢測人員利用專業(yè)的檢測手段去勝任這份工作。為了保證檢測結(jié)果的無誤首先就是要借助與精密的測量儀器，但是保證建筑工程施工材料的質(zhì)量還是掌握在檢測人員的手中而儀器只是輔助工具。作為一名合格的建筑工程原料檢測人員首先就是要有職業(yè)道德素養(yǎng)，其次擁有專業(yè)的檢測技能。具有較高職業(yè)道德素養(yǎng)的檢測人員對于他負責(zé)的檢測材料都會秉著認真負責(zé)的態(tài)度。專業(yè)技能過硬經(jīng)驗豐富的檢測人員能夠靈活的利用手中的測量儀器完成測量任務(wù)。

表7 BAR中BA與BR及其復(fù)合改性瀝青技術(shù)要求Table 7 Technology requirements of BA and BR in BAR and its composite modified asphalt

5.4 評價4

筆者曾在拌和站以直投方式(BAR占粗集料質(zhì)量比例為1.7%)來模擬試驗室干拌過程，發(fā)現(xiàn)經(jīng)封閉式攪拌缸雙臥軸的兩葉片干拌15s后用裝載機從拌缸下部接收并放出熱料平鋪在地面上觀察，同樣未能見到粗集料表面有明顯的布敦瀝青巖裹覆現(xiàn)象，與文中室內(nèi)試驗結(jié)果表現(xiàn)基本一致。

由布敦瀝青巖、基質(zhì)瀝青、礦粉和集料在拌缸濕拌過程中而形成的布敦瀝青巖改性瀝青混合料與各種材料先后裹覆與黏附順序及如何裹覆等機理問題還很難判斷，國內(nèi)外也罕見報道。

筆者認為，若工程中采用布敦瀝青巖與粗、細集料先干拌方式生產(chǎn)，攪拌軸轉(zhuǎn)速一般為48 r/min，此過程中為第1次攪拌，拌缸內(nèi)含布敦瀝青巖混合集料始終沿兩攪拌葉片和攪拌軸處于循環(huán)圈閉合運動，使得布敦瀝青巖與集料在翻滾運動狀態(tài)下產(chǎn)生第1次分散、裹覆過程，很難通過葉片和攪拌軸將布敦瀝青從布敦巖礦料表面剪切剝離開來，單獨與集料充分裹覆，也會出現(xiàn)與試驗室拌和過程中所表現(xiàn)的任何時間段拌合鍋底部不會出現(xiàn)布敦巖瀝青結(jié)塊和團結(jié)現(xiàn)象。由于攪拌缸始終處于連續(xù)不停運動狀態(tài)，因而也不會、也不易出現(xiàn)和試驗室拌和終止時存在的布敦瀝青巖與集料之間下沉、離析等相同問題。在隨后稱量中噴入瀝青和礦粉，并在拌和缸內(nèi)進行較長時間的2次濕拌過程中，布敦瀝青巖于第1次干拌中被少量布敦瀝青裹覆的粗、細集料表面基礎(chǔ)上會再進一步與瀝青、礦粉產(chǎn)生充分裹覆與黏結(jié)，最終形成布敦瀝青巖改性瀝青混合料。結(jié)合間歇式瀝青拌和站生產(chǎn)效率，布敦瀝青巖與集料的干拌時間宜為5～10 s，布敦瀝青巖改性瀝青混合料濕拌時間不宜少于55 s，以均勻裹覆集料為度。

5.5 評價5

由文中水煮法黏附性試驗可知：瀝青結(jié)合料與玄武巖粗集料在浸煮3 min后冷卻放入常溫水中，觀察到粗集料顆粒表面瀝青膜均未剝落，瀝青膜完全保存，剝離面積百分率為0，黏附性等級均達到5級水平，但SBS改性瀝青油膜最均勻，1.7%BAR+基質(zhì)瀝青形成的改性瀝青結(jié)合料油膜較2.3%BAR+基質(zhì)瀝青形成的改性瀝青的油膜均勻。

筆者認為，在總油石比分別為4.4%、4.9%條件下，BAR占基質(zhì)瀝青質(zhì)量比分別為43%、53%，BA占基質(zhì)瀝青質(zhì)量比為12%、15%的1.7%BAR+基質(zhì)瀝青和2.3%BAR+基質(zhì)瀝青兩種結(jié)合料；隨著BAR摻量增大，布敦瀝青質(zhì)含量逐漸增多，則需從更多基質(zhì)瀝青中加入輕質(zhì)油分進行調(diào)和。因此，過多增加BAR量而不相應(yīng)增加基質(zhì)瀝青用量往往會降低布敦瀝青改性瀝青的黏附性能，結(jié)合筆者以往研究成果和不同瀝青面層的層位功能要求，提出 BA質(zhì)量與基質(zhì)瀝青質(zhì)量比宜控制在7%～15%。以此確定BR和BAR占礦質(zhì)集料質(zhì)量的摻量能夠科學(xué)界定和凸顯瀝青路面工程中所用的布敦瀝青巖中布敦瀝青含量和質(zhì)量控制等技術(shù)問題，規(guī)避了以往研究和應(yīng)用中常以BAR占礦料質(zhì)量的摻量偏大導(dǎo)致的在重交通、高溫作用下布敦瀝青巖改性瀝青混合料表面層出現(xiàn)的BAR細粉逐漸向路表遷移，進而出現(xiàn)較嚴重的車轍、坑槽、泛油，以及承包商常說的“BAR發(fā)泡-松散路面”等質(zhì)量問題。

5.6 評價6

由微觀檢測分析可知：布敦巖礦料表面和內(nèi)部呈現(xiàn)豐富氣孔和空洞以及紋理粗糙程度，盡管為單一物質(zhì)材料，但顆粒間有膠凝物質(zhì)材料填充，而礦粉呈現(xiàn)光滑和密實的單粒結(jié)構(gòu)特征；在可檢測到化學(xué)成分總量為68.99%中，BR這種無機化合物(灰分)顆粒間元素組成差異很大，其主要化學(xué)成分為CaO、SiO2、Al2O2、Fe2O2。其中，CaO微晶呈多面體塊狀結(jié)構(gòu)，棱角分明，粒徑約在30 μm左右，這說明主要為堿性氧化物的CaO一般不能形成碳酸鹽礦物形式，只能形成鈣硅鋁酸鹽礦物結(jié)晶形式。鈣硅鋁酸鹽相顆粒組成復(fù)雜，不同顆粒成分差異較大，以鈣、鋁、硅為主要元素的氧化物質(zhì)量之和占總質(zhì)量的65.1%以上，此外還有少量硫、鍶、鈦等雜質(zhì)元素混入。

筆者認為，氧化鈣主要源于BR中碳酸鹽分解，鈣硅鋁酸鹽礦物主要源于BR內(nèi)在和外在礦物融合和凝結(jié)。同時，結(jié)合BR材料宏觀表現(xiàn)以淺色為主、密度較低和氣孔構(gòu)造與氣孔發(fā)達，這與試驗發(fā)現(xiàn)的BR呈現(xiàn)灰白色的顏色較為接近，也與試驗采用煤油作為介質(zhì)的李氏比重瓶測定的表觀相對密度較低和微觀試驗檢測結(jié)果具有一致性，以及布敦島上的BAR地形呈現(xiàn)柱狀構(gòu)造特征和本研究結(jié)果BR中Na2O含量(0.48%)大于K2O(0.37%)，這可進一步推斷BAR屬于巖漿巖，而沉積巖中K2O 含量應(yīng)高于Na2O含量。因而可將BR稱為鈣質(zhì)硅鋁酸鹽礦物，屬于巖漿巖中的堿性噴出巖，但本次研究未對BAR巖礦石進行礦物成分鑒定，BAR的巖石定名還有待在后續(xù)研究中尚需進一步驗證。

6 結(jié)論與探討

1)筆者通過不同試驗方法對布敦瀝青巖進行的長期試驗研究與分析，提出了以C2HCl2為溶劑的離心分離法將布敦瀝青和布敦巖礦料進行剝離，以確定布敦瀝青含量的標(biāo)準試驗方法；經(jīng)水洗篩分確定布敦巖礦料級配組成范圍；以干法篩分作為布敦瀝青巖顆粒級配范圍的試驗方法；以阿布森回收其表面裹覆布敦瀝青及與70#瀝青構(gòu)成的復(fù)合改性瀝青的試驗方法；據(jù)此提出了布敦瀝青巖、布敦巖礦料及其改性瀝青的技術(shù)質(zhì)量控制指標(biāo)和標(biāo)準。

2)筆者采用不同微觀分析儀對布敦瀝青巖中的潔凈布敦巖礦料進行了微觀分析和驗證分析。揭示了巖礦料表面和內(nèi)部含有大量豐富的較多深孔、空洞，其紋理粗糙，與布敦瀝青具有較強的黏附性；并分析得到了布敦巖礦料為鈣質(zhì)硅酸鹽礦物，而不是碳酸鹽結(jié)晶礦物。

3)在室內(nèi)小型拌和鍋中對布敦瀝青巖與粗集料進行了干拌試驗，發(fā)現(xiàn)了拌和時間越長，二者之間的裹覆和黏結(jié)越好，集料表面漸次出現(xiàn)黏附的黑色斑點狀布敦瀝青，未見液態(tài)布敦瀝青包裹集料和集料表面大部分呈裸露狀態(tài)，布敦瀝青巖始終以固體形式存在；并通過水煮試驗方法得出SBS改性瀝青黏附性最好，基質(zhì)瀝青、布敦瀝青巖+基質(zhì)瀝青的黏附性差異不大的結(jié)論；進行了布敦瀝青巖改性瀝青混合料裹覆機理分析，提出了適宜的干拌和濕拌時間。

4)布敦瀝青巖混合料在拌和時，布敦瀝青巖以何種狀態(tài)存在于混合料之中，高溫拌和對巖礦料粒徑的影響，布敦瀝青、基質(zhì)瀝青與集料、礦粉之間如何裹覆，以及布敦巖瀝青對瀝青混合料水損害性能的影響還有待于進一步試驗研究。