布敦巖瀝青技術要求及試驗方法探討

吳忠青

[上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200433]

0 引言

對天然巖瀝青，我國交通運輸部和部分省市制定了標準[1-9]。目前，我國在道路工程中應用的巖瀝青主要有印尼布敦巖瀝青（buton rock asphalt，BRA；buton mastic asphalt，BMA）、北美巖瀝青（gilsonite）、伊朗巖瀝青、新疆巖瀝青、青川巖瀝青等[1-9]。其中，應用最為廣泛的是BRA。BRA 產于印度尼西亞布敦島，是瀝青與礦物質受長期的海底沉積、承受壓力和地質變動形成的產物。經加工后為黑褐色粉末，瀝青含量為20%左右，其余為礦物質。BRA 可作為瀝青改性劑，摻到瀝青混合料中，能改善瀝青混合料的高溫性能等，在我國應用已逾20 a。為了BRA 的推廣應用，交通運輸部和部分省市頒布了產品或應用技術規程[1-5，7-9]，對BRA 產品及瀝青混合料的技術要求作了規定，包括瀝青含量、在三氯乙烯中的溶解度和灰分含量等試驗項目。

在上海，過去10 余年，筆者有幸負責或參與了多個重要道路項目的BRA 瀝青混合料的試驗、生產和施工工作，如2012年的S6 公路、2014年的嘉閔高架、2016年的上海繞城高速和2021年的S7 公路等。BRA 主要用于道路下面層AC-25C 和中面層AC-20C 瀝青混合料。通過對多年、多種來源和多生產商的BRA 的試驗結果總結發現，上述已頒布標準規范對BRA 的技術要求存在不合理之處，可能會導致廣泛使用的典型BRA 產品無法得到驗收。另外，我國尚未專門制定BRA 的試驗方法。當按現行試驗規程[10]中的石油瀝青或熱拌瀝青混合料的試驗方法對BRA 進行試驗時，存在不適用的情況。本文主要分析了現行標準規范中BRA 的瀝青含量、在三氯乙烯中的溶解度、灰分含量這些關鍵試驗項目技術要求和試驗方法的有待商榷之處，并提出建議，以期與同行探討，可供標準規范修編時參考。

1 標準規范中技術要求存在的問題和建議

目前已頒布的標準規范對BRA 的瀝青含量、溶解度、灰分含量、表觀密度、含水率、顆粒級配、灰分顆粒級配、閃點、薄膜加熱質量變化等多個試驗項目作了規定[8]。已知，BRA 中的瀝青含量對混合料配合比的影響至關重要，當其中的瀝青含量較高時，在混合料中的摻量可適當降低；當瀝青含量較低時，摻量則需適當提高。因此，本文主要對最關鍵的瀝青含量、溶解度、灰分含量試驗項目的技術要求的合理性和試驗方法的可行性進行討論。首先，需要了解BRA 的物理化學特性。

1.1 BRA 的物理化學特性

BRA 與熱拌瀝青混合料、BRA 中的瀝青與道路石油瀝青相比，主要具有如下顯著區別：

（1）與熱拌瀝青混合料相比，瀝青含量高。瀝青含量在20%左右，其余80%為礦物質。對于熱拌瀝青混合料，上面層AC-13C 混合料，典型瀝青用量為4.8%～5.2%；中面層AC-20C 混合料，典型瀝青用量為4.1%～4.4%；下面層AC-25C 混合料，典型瀝青含量為3.6%～4.2%。可見，BRA 中的瀝青含量遠高于熱拌瀝青混合料的瀝青含量。

（2）礦料粒徑小。成品BRA 為黑褐色粉末，礦料粒徑小，主要集中在2.36 mm 以下[1-4]，且0.075 mm以下顆粒含量高。而熱拌瀝青混合料的礦料是由各規格粗集料、細集料和填料按一定配合比混合而成，礦料粒徑覆蓋范圍非常大，集料公稱最大粒徑大，如AC-25C 瀝青混合料，粒徑范圍為0.075～26.5 mm，填料（通常稱礦粉，即小于0.075 mm 的顆粒）的比例僅為3%～7%[11]。

（3）礦料與瀝青的結合力強。熱拌瀝青混合料是將黏稠石油瀝青和各規格粗集料、細集料和填料經機械設備拌和而成，而BRA 中瀝青與礦料經地殼沉積，二者吸附能力極強，遠大于熱拌瀝青混合料中的瀝青與礦料的結合力。

（4）BRA 中的瀝青與道路石油瀝青的四組分比例明顯不同。四組分即將瀝青組分分為瀝青質、飽和分、芳香分和膠質[10]。典型道路石油瀝青的瀝青質含量為10%左右，BRA 中的瀝青質含量遠高于此值，如文獻[12]的報道值為34.33%，文獻[13]的報道值為44.3%。

（5）BRA 的溶解度低。道路石油瀝青的溶解度不小于99.5%[11]，而BRA 含有80%左右的礦物質，因此，其溶解度遠小于道路石油瀝青的溶解度。

由上述分析可知，BRA 的物理化學特性既不同于道路石油瀝青，也不同于熱拌瀝青混合料。因此，當采用測定瀝青混合料的瀝青含量方法（T0722 離心分離法或T0735 燃燒爐法）來測定BRA 的瀝青含量，或者采用測定瀝青溶解度的方法（T 0614）來測定BRA 的溶解度時，可能會出現不適用性，甚至錯誤的試驗結果[14]。

1.2 技術要求的合理性與試驗方法的可行性分析

1.2.1 技術要求與試驗方法

如表1 所示，不同標準規范對BRA 的瀝青含量、在三氯乙烯中的溶解度和灰分含量的技術要求及對應的試驗方法不盡相同。需要注意的是，試驗名稱雖相同，但試驗方法和條件不同，試驗結果也會不同，結果不具備可比性。

表1 瀝青含量、溶解度和灰分含量技術要求及試驗方法

1.2.2 瀝青含量試驗

對BRA 的瀝青含量試驗，目前尚無專門的標準方法。DB 11/T 1169—2015、DB 13/T 2511—2017 和DB 41/T 1466—2017 參照瀝青混合料的T0722 離心分離法或T0735 燃燒爐法進行試驗。DBJ/CT 085—2010 采用瀝青的T0607 溶解度法結果代替瀝青含量。已有文獻[14]表明，由于前文所述BRA 的物理化學特性，T0722、T0735 和T0607 并不能完全適用，具體討論如下：

（1）采用瀝青混合料的T0722 離心分離法時，因BRA 的瀝青含量遠高于熱拌瀝青混合料的瀝青含量，且瀝青與礦料的結合能力強，需耗用更多的三氯乙烯溶劑方能完成試驗。BRA 的礦物成分占80%左右，且顆粒粒徑小，經抽提后，大量礦粉會泄漏到抽提液中，抽提液中的礦粉含量遠大于瀝青混合料經抽提試驗后泄漏的礦粉含量。因此，對抽提液煅燒折算礦粉質量時，會存在較大誤差，最終導致BRA 的瀝青含量計算產生較大誤差[14]。

（2）采用瀝青混合料的T0735 燃燒爐法時，按規程設定燃燒溫度（538±5）℃時，會發現BRA 存在煅燒不徹底現象。這主要是因為BRA 的瀝青含量遠高于瀝青混合料的瀝青含量，且瀝青與礦物之間的結合力強，不易被完全煅燒干凈。可見，此方法并不能適用于BRA 的瀝青含量試驗。另外，BRA 的瀝青含量高，燃燒試驗時會產生更多的瀝青煙氣，污染環境。

1.2.3 溶解度試驗

上述標準規范采用溶解度試驗的目的主要是通過溶解度結果來表示BRA 中的瀝青含量。DB 13/T 2511—2017 規定溶解度不小于18%；DB 34/T 2323—2015 規定溶解度大于25%；DBJ/CT 085—2010 規定溶解度不小于22%。這與實際情況相符，該項技術要求合理。但采用瀝青的T0607 溶解度法對BRA 進行試驗時，會出現不能完全適用的情況。T0607 的適用范圍是道路石油瀝青、聚合物改性瀝青、液體石油瀝青或乳化瀝青蒸發殘留物的溶解度。這些瀝青的溶解度均在97.5%以上[11]，即不溶解成分是極少的。當按T0607 試驗方法時，BRA 中的礦物成分極易堵塞濾紙濾孔，過濾速度變得非常緩慢，需添加大量三氯乙烯清洗方可完成試驗，試驗時間大大延長[14]，揮發的三氯乙烯也會污染環境。

1.2.4 灰分含量試驗

按試驗規程[12]的規定，T0614 瀝青灰分含量試驗方法適用于測定石油瀝青、巖瀝青、湖瀝青等材料的灰分含量。采用高溫爐，煅燒溫度為（900±10）℃，煅燒至殘留物無黑色為止。除DB 34/T 2323—2015 標準規定灰分含量試驗是按瀝青混合料的T0735 燃燒爐法，且煅燒溫度是（482±5）℃外，上述其余標準采用的均是瀝青的T0614 方法。

雖然T0614 的適用范圍涵蓋了巖瀝青，但不同類型巖瀝青的瀝青含量[1，2，5-7]和礦物成分存在較大區別。BRA 的礦物成分主要是CaCO3，其次是SiO2、CaSO4[13-16]，其他成分Ca（Fe，Mg）（CO3）2含量較低[14]。在900℃煅燒條件下，CaCO3分解生成CaO 和CO2，BRA 中的瀝青煙氣和CO2均逸出。可見，煅燒質量損失不可認為是瀝青質量損失，煅燒后剩余的灰分殘渣也不是BRA 中原有礦物成分，其質量明顯小于BRA 中原有礦物質量。可見，上述標準中對BRA 的灰分含量技術要求規定值明顯偏大。如表1 所示，JT/T 880.5—2014 規定灰分含量不大于80%，并不能代表瀝青含量不小于20%；DB 11/T 1169—2015規定灰分含量為40%～75%，并不能代表瀝青含量為25%～60%。

實際上，T0614 未采用AASHTO T 111-11 標準的關鍵條款。該標準的6.3 條規定，當瀝青材料含有碳酸鹽時，應對經馬弗爐煅燒后的灰分殘渣添加（NH4）2CO3溶液，然后再對殘渣在（100±10）℃的條件下烘干處理[17]。顯然，該條款的主要目的是恢復和補償因CaCO3分解逸出CO2氣體造成的質量損失。對殘渣添加NH4HCO3或（NH4）2CO3溶液時，溶液中的水與CaO 反應生成Ca（OH）2，Ca（OH）2與NH4HCO3或（NH4）2CO3反應生產CaCO3，NH3氣體和H2O 逸出，在100℃烘干過程中，多余的NH4HCO3或（NH4）2CO3完全分解成氣體逸出，不增加反應殘留物殘渣的質量。按這種試驗方法獲得的灰分含量可計算出瀝青含量。上述反應過程可描述為：

DB 34/T 2323—2015 雖規定灰分含量試驗是按T0735 燃燒爐法執行，且是在（482±5）℃條件下連續燃燒3 min，試樣質量每分鐘損失率小于0.01%時，停止燃燒，獲得固體殘留物。但前文已述，該溫度條件和試驗時間遠不能將BRA 中的瀝青完全煅燒干凈，盡管CaCO3未分解，但根本不能獲得正確的灰分結果。

文獻[14]報道，固體瀝青特立尼達湖瀝青（Trinidad Lake Asphalt, TLA）的礦物成分主要是SiO2、云母、Fe2O3，碳酸鹽含量很低，煅燒中因碳酸鹽分解貢獻的質量損失很小。質量損失主要是由瀝青成分和少量其他有機物貢獻。900℃煅燒條件下的灰分含量試驗中的質量損失基本可以代表瀝青含量。可見，固體瀝青灰分含量試驗中的質量損失是否能代表瀝青含量，取決于礦物成分的組成和性質。

2 實 例

采用北京天和嘉業商貿有限公司提供的BRA樣品，經50℃烘干去除水分后，對同一樣品，分別進行了如下試驗，并對結果進行比較。

試驗1：取BRA 每份約2 g，按T0607 進行溶解度試驗，此結果可視為BRA 的瀝青含量。

試驗2：取BRA 每份約5 g，按T0614 進行灰分含量試驗，試驗條件為900℃。計算BRA 在此試驗條件下的灰分含量和質量損失。

試驗3：對試驗2 中獲得的灰分殘渣，添加足夠的濃度為10%的NH4HCO3溶液使得灰分殘渣反應完全，然后在（105±5）℃條件下烘干至恒重，計算BRA 在此試驗條件下的修正灰分含量和質量損失。

試驗4：取BRA 每份約200 g，按T0735 燃燒爐法，482℃（規程規定的煅燒溫度下限） 條件下煅燒4 h 以上，計算BRA 在此試驗條件下的瀝青含量。

試驗5：對試驗4 獲得的灰分殘渣，再在538℃（規程規定的煅燒溫度上限）條件下煅燒4 h 以上，計算BRA 在此試驗條件下的瀝青含量。

試驗結果見表2。

可將表2 中的試驗1 的溶解度24.72%視為BRA 的瀝青含量標準值。試驗2 中，BRA 經900 ℃煅燒后，灰分含量為53.62%，可見，表1 中的灰分含量技術要求不大于75%、80%或82%均明顯偏大。另外，灰分含量結果53.62%無法滿足DB 13/T 2511—2017 標準規定的灰分含量為65%～75%的范圍。另外，也不可將質量損失46.38%視瀝青含量。若灰分含量技術要求對應的試驗方法依據T0614 執行，那么，建議將灰分含量技術要求調整為不大于60%。試驗3 中，對試驗2 中獲得的灰分殘渣再添加NH4HCO3溶液使得碳酸鹽損失的質量得到恢復，修正的灰分含量值恢復為77.51%，即質量損失為22.49%，與24.72%很接近。這表明采用這種方法測定BRA 的瀝青含量是可行的。且由于該方法只需數克試樣，煅燒產生的瀝青煙氣對環境的污染極小。對于試驗4 和試驗5，雖然煅燒時間已長達4 h，試驗后仍有黑褐色顆粒，但瀝青含量仍比24.72%大，說明可能存在其他礦物成分被分解。可見，T 0735 燃燒爐法無論采用何種溫度，均不適用于BRA 的瀝青含量測定。本試驗結果與文獻[14]報道的結果相一致。

表2 溶解度、不同試驗條件下的灰分含量和瀝青含量試驗結果

3 結語

通過上述討論，得出以下結論：

（1）BRA 的物理化學特性既不同于道路石油瀝青，也不同于熱拌瀝青混合料。瀝青或瀝青混合料的試驗方法對BRA 的瀝青含量、在三氯乙烯中的溶解度、灰分含量試驗不能完全適用。

（2）BRA 的主要礦物成分是CaCO3。在900℃煅燒條件下，CaCO3分解也會造成質量損失。煅燒質量損失不可認為是瀝青質量損失，煅燒后剩余的灰分殘渣也不同于BRA 中原有礦物成分，其質量明顯小于BRA 中原有礦物質量。因此，現行規范中的灰分含量技術要求上限明顯偏大。當灰分含量試驗仍按此方法執行時，建議灰分含量技術要求調整為不大于60%。

（3）采用瀝青溶解度方法雖然能獲得BRA 的瀝青含量，但會耗用較多的三氯乙烯溶劑，且試驗時間大大延長，不能完全適用于BRA 。

（4）對BRA 經900℃煅燒條件下的灰分殘渣添加NH4HCO3或（NH4）2CO3溶液，可使碳酸鹽的煅燒損失得到恢復和補償，可按這種方法獲得修正的灰分含量和瀝青含量。

（5）應根據BRA 的物理和化學特性，制定專門的試驗標準。