岩沥青在道路工程中的应用研究

2010-05-14李立群

中国新技术新产品 2010年17期

李立群

（唐山市交通勘察设计院有限公司，河北唐山 063000）

1 引言

随着我国国民经济的飞速发展和提高，越来越多的高等级公路将被建成并投入使用，目前我国高速公路的通车里程已经超过4万公里。在这些高等级公路的路面结构中，95%以上的路面采用了沥青路面。另一方面城市道路中也多数采用沥青路面。

使用一年以上的高速公路，不管采用半刚路面、还是柔性路面，路面都不同程度的产生了车辙。在沥青路面的各种破坏现象中，车辙问题尤其重要，它除影响行车舒适外，还对交通安全有直接影响，例如在变换车道时操作困难，车辙积水及高速行车水漂或结冰，在气候条件恶劣时制动困难。尤其是在2003年与2004年的夏季高温中，我国许多省份的多条高速公路都出现大面积的严重车辙，江西省的梨温高速、浙江省的金丽温、山东的京福高速济泰段、福建省及江苏省的一些高速都出现了比较重的车辙，严重影响了行车舒适及交通安全。

2 天然岩沥青

天然岩沥青是一种黑棕色的固体，天然的岩沥青形状类似块煤，密度在1.0左右。软化点较高大约在230摄氏度以上，含氮量较高接近2%，含蜡量极低。岩沥青属硬质沥青，是天然沥青的一种。天然沥青是石油在自然界长期受地壳挤压并与空气、水接触逐渐变化而形成的，以天然形态存在的石油沥青，其中场混有一定比例的矿物质。按形成的环境可分为湖沥青、岩沥青、海底沥青、油页岩等。岩沥青是石油不断地从地壳中冒出，存在于山体、岩石裂隙中蒸发凝固而形成的一中天然沥青。由于岩沥青产生于岩石裂隙中，所受的压力与温度条件比其他天然沥青高，所以聚合程度很高，分子量很大，软化点较高。

将天然岩沥青加入普通的石油沥青中，由于温度与小分子溶剂的共同作用，使得天然岩沥青这些分子量很大的胶束破裂，而破裂的胶束上暴露出的许多活性点立刻被普通沥青中的小分子物质所填充、饱和，形成一种全新的组合，最终形成以天然岩沥青大胶束分子为中心，普通沥青小分子填充、包围的新的方式。实质上是在普通沥青中加入了大量的非自发核心物质，这个核心的分子量较普通沥青分子量大，对原基质沥青一小分子量的沥青质为核心的结构进行了改造，其改造程度的大小取决于加入沥青分子量的大小及氮、氧、硫侧链的数量多少。分子量越大，活性越高，则这种改造程度就明显，得到的改性沥青技术性能也就愈优越。

3 岩改性沥青混合料的改性机理

对于沥青混合料的强度形成理论有表面理论和胶浆理论，表面理论认为沥青混合料是由矿质骨架和沥青组成，沥青分布在矿质骨架表面，将矿质骨架胶结成为具有强度的整体。胶浆理论则认为沥青混合料是一种高级空间网状结构的分散系，沥青砂浆则以细集料为分散相，分散在沥青胶浆中，沥青胶浆又以填料为分散相分散在沥青介质中，这三级分散相系以沥青胶浆最为重要，它的组成结构决定了沥青混合料的高低温性能。

表面理论根据混合料矿质骨架的特点把沥青混合料分为悬浮密实结构、骨架空隙结构及骨架密实结构。认为摩阻角在提高混合料的高温稳定性方面起着重要作用，凝聚力则在抗剪切、抗弯拉等荷载作用中发挥较大影响。摩阻角的大小主要由矿质集料结构决定，凝聚力则主要受沥青的粘度和沥青与矿料的相互作用影响。

胶浆理论认为沥青混合料的强度主要来自与沥青胶浆分散介质。沥青胶浆分散介质的组成决定了混合料的高温稳定性和低温抗裂、抗变形能力。因此胶浆理论更加重视沥青的稠度和沥青与矿粉的相互作用，而粗集料等分散相对混合料的强度影响，是通过其数量的增减改变了分散介质的模量表现出来的。

按照两种不同的理论，在解决沥青混合料的高温稳定性的缺陷时，表面理论重在加强矿质的集料的粗集料骨架作用，而胶浆理论则把重点放在沥青稠度，增加矿料用量上，他们的目的都是为了增强混合料的抗剪切破坏强度。

而岩沥青中碳、氢、氧、氮、硫的含量较高，几乎每个沥青质大分子中都含有上述元素的极性官能团，使其在岩石表面产生强吸附性，实验数据表明其吸附自由能及其在硅酸岩、石英岩、石灰岩、高岭石和硅铝酸岩表面的吸附能量都比普通沥青胶质高出数倍，同时岩沥青还含有多种能促进石油沥青中的活性基团(梭基、揣基、醛、茶等)交联聚合的有机链，使得掺入岩沥青的石油沥青分子的排列方式和网状结构(节点和强度)得到了改善，较大的增强了沥青内聚力。

4 岩改性沥青混合料的路用性能

4.1 沥青混合料的高温稳定性

把基质沥青混合料与岩改性沥青混合料都采用相同的矿质材料及级配（AC-20），分别在150摄氏度和165摄氏度的条件下采用轮碾法成型车辙板试件，试件尺寸为300mm*300mm*50mm，轮胎接触压力为0.7Mpa，行走距离为23cm，速度42次/min,试验温度为60摄氏度，实验结果如下表所示:岩沥青改性沥青车辙试验数据

从上表可以看出，经过天然岩沥青改性后，沥青混合料的动稳定度有了大幅度提高，也就是说，普通沥青经过改性后，其抗高温性能得到了较好地改善，能够在沥青混合料承受高温及重型荷载作用的同时，具有良好的稳定性能，防止沥青路面产生变形。

4.2 沥青混合料的低温性能

基质沥青混合料与岩改性沥青混合料都采用相同的矿质材料及级配(AC-20),弯曲试件采用小梁试件，试件尺寸宽为30mm，高为35mm，长为250mm,加载速率为 50mm/min，试验温度为-10摄氏度，基质沥青与岩改性沥青(不同掺加量)的弯曲破坏试验结果见下表:

弯曲破坏试验结果

由上表可知，基质沥青加入岩沥青后，不会影响沥青混合料的低温性能，且有所提高。

5 岩改性沥青运输的技术要求

沥青混合料的运输车必须加盖篷布或其它保温材料，以最短的时间装车运至摊铺机前斜料，防止结合料表面结硬，为确保摊铺连续以及平整度大小符合技术规范要求，必须保证摊铺机前至少两辆车等待卸料，决不能出现摊铺机等车的现象。其余要求应满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的技术要求。

6 岩改性沥青摊铺的技术要求

天然岩沥青改性沥青混合料在摊铺时应尽量连续不断的施工，以减少摊铺机和压路机的停顿，提高面层平整度。为提高路面的平整度，表面层应采用非接触式平衡梁摊铺厚度控制方式。天然岩沥青改性沥青混合料在高温状态下主要是靠粗集料的嵌挤作用，可适当提高夯锤振捣频率，使剩余压实系数减少，初压的痕迹也极小，进而确保路面的最终平整度。其余要求应满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的技术要求。