委內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. 湖南中大檢測技術集團有限公司，湖南 長沙 410125；3. 佛山市路橋建設有限公司，廣東 佛山 528313)

巖瀝青是一種由瀝青物質和礦物質組成的天然固態瀝青類物質[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用[2]。巖瀝青在世界范圍內分布較廣，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]。大量的研究和應用表明：巖瀝青中天然瀝青物質聚合度高、性質穩定，且與石油瀝青同屬石油衍生物，二者配伍性和相容性優良，可起到增黏、增彈作用[6-9]；同時，其礦物質極性強，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、水穩及耐久等路用性能[13-15]。然而，由于地質、地層、壓力、溫度及觸媒等生成條件的差異，使得不同產地巖瀝青中的天然瀝青物質和礦物質的組成比例、成分、性質及其改性效果存在著較大的差異，在實際應用中，必須通過對各種巖瀝青的性質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。

委內瑞拉巖瀝青(Venezuela rock asphalt，簡稱為 VRA)產于南美洲委內瑞拉奧利諾科河流域，是一種批量開采時間不長的巖瀝青，相關研究和應用甚少[16]。因此，作者擬通過室內試驗對VRA及其改性瀝青性能進行研究，以期揭示其性質特點和改性機理，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 原材料性質分析

VRA呈黑色固態粉末，質地輕軟；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 的礦物質通過率為100%，粒徑＜1.18 mm 的礦物質通過率為 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(質量比例)高，礦物質顆粒較細，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果見表1。從表1中可以看出，538 ℃和900 ℃燃燒法測試結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分解損失，使其結果略微偏高，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中天然瀝青物質的含量約占 97%，明顯高于其他常用的天然瀝青的，表明其應用價值更高，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中瀝青質和膠質組成的硬質組分達到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組分含量較低，對其延展性不利，故其摻量應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果Table 2 Test results of four-component contents for different asphalts

1.3 礦物質組成分析

通過對VRA粉末和經538 ℃燃燒后的礦物質樣品進行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構的天然瀝青物質使得礦物質的衍射峰比 VRA粉末的更多、更強，但2種樣品的衍射峰一致。表明：VRA經538 ℃燃燒后的礦物質成分并未發生改變，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。結合各衍射峰強表明，VRA礦物質中主要含有 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瀝青。根據VRA材料性質特點，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將基質瀝青加熱融化后，置于150 ℃烘箱中保溫備用；②將結團的 VRA適當研磨，并按預定摻量將其投入到融解的基質瀝青中，邊加熱邊攪拌；③升溫至170～180 ℃，以3 000 r/min的轉速對VRA與基質瀝青的混合物持續高速剪切 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

改性制備過程中發現：當VRA摻量(VRA與其改性瀝青的質量比，即內摻法)高于 20%時，少量VRA難以與基質瀝青混融，改性瀝青也喪失了流動性而難以攪拌，故VRA摻量應控制在20%以內。為此，在0%～20%范圍內，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和膠質，增加了其改性瀝青中的硬質組分，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隨其摻量的增加而逐步增加，呈現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TFOT老化后，VRA改性瀝青的質量損失緩慢減小，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果Table 3 Test results of pavement performances for VRA modified asphalt

將 VRA摻入到基質瀝青后，其改性瀝青的延度快速下降到10%以下。當VRA摻量為15%時，試件出現了脆斷現象；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，會導致其低溫性能降低。

2.3 流變性質試驗

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，其結果分別見表4和如圖2,3所示。

表4 VRA改性瀝青動態剪切流變性質試驗結果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指標的要求，故可采用 VRA配制較適合于南方濕熱地區應用的低標號硬質瀝青。

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面內彎曲振動及C—O伸縮振動的結果，812 cm-1附近的吸收峰是苯環取代區。

圖4 基質瀝青、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摻入到基質瀝青后，其改性瀝青的紅外光譜圖波形也與基質瀝青及 VRA的相近，即瀝青的官能團未發生變化，二者混融后并未發生化學反應，只是簡單的物理混融過程。

4 結論

1) VRA質地輕軟，呈黑色粉末狀；其瀝青含量和硬質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、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量的15%以內，并較適合于南方濕熱地區配制低標號硬質瀝青。

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