天然沥青与基质沥青配伍性的应用研究

□文 /张亚鹏

为解决目前沥青路面使用寿命短及早期病害严重的问题，沥青路面普遍采用聚合物改性沥青（多为SBS类），但国际石油价格的上升与改性剂等生产价格的上涨，促使道路建设者寻求新的改性沥青材料替代产品。天然沥青化学性质稳定，物理的耐老化、耐高温等性能特别出众，矿物质主要成分为石灰岩，不仅粒度细且吸附沥青能力强，可有效提高沥青的粘附性；同时天然沥青与基质沥青同属石油衍生物的终端产物，两者之间存在非常好的配伍性且混合时不存在离析现象，广泛受到道路建设者的青睐。

1 试验方案与原材料

采用2种沥青性能评价指标体系，对天然沥青改性基质沥青后的沥青进行配伍性研究：一是针入度评价指标体系；二是PG分级评价指标体系。

1.1 评价方法说明

针入度评价体系是最为普遍的沥青评价标准，主要依据针入度、软化点和延度3大基本指标。针入度是反映沥青在等温条件下软硬程度，是评价沥青等级的关键指标；软化点则是测定沥青的等粘温度，主要用于评价沥青的高温稳定性；延度则反映沥青在等温条件下拉伸长度，主要用于评价沥青的塑性变形能力。

美国在1987-1993年完成了耗资1.5亿美元战略公路SHRP研究计划，开发了SUPERPAVE沥青混合料技术，提出了沥青PG分级的性能评价体系。PG分级是基于沥青流变特性提出的，其理论基础是弹性、塑性理论和流体力学，其中动态剪切流变仪DSR和弯曲梁流变仪BBR为建立某时段蠕变曲线和劲度模量提供了依据，Br ookf iel d旋转粘度计通过计算剪应力和剪变率，能方便地测量沥青高温粘度。

1.2 试验方案

本文旨在确定天然沥青的适宜掺配比例范围（本文所有掺配比例均为内掺法，即掺配量与沥青总量的重量比）。主要研究对象为2种天然沥青（特立尼达湖沥青和印尼布敦岩沥青），分别按不同掺量（0、20%、25%和30%）与基质沥青（滨州70号A级）进行配伍，测试其指标予以评价并与SBS改性沥青（伦特SBS类I-D级）对比研究。

1.3 原材料

所用的沥青材料和试验结果见表1-表3。

表1 沥青检测结果

表2 特立尼达湖沥青检测结果

表3 印尼布敦天然岩沥青检测结果

2 针入度评价指标分析

2.1 针入度

针入度试验结果见图1-图3。

图1 不同掺量沥青针入度

图2 针入度指数结果

图3 针入度比结果

1）与基质沥青和SBS改性沥青相比，针入度降低显著。在15℃时，不同掺量下2种天然沥青的改性效果基本相同。但当温度升高到25℃和30℃后，岩改性沥青要明显优于湖沥青改性沥青且随温度增加增长幅度逐渐加大后逐渐趋于平稳。但随着天然沥青掺量的逐渐增加，同种天然改性沥青在相同温度下，其沥青针入度数值却趋于减小且降低速率逐渐降低。

2）从针入度比来看，其数值明显优于基质沥青和SBS改性沥青，但天然沥青掺量每增加5%，针入度比平均约下降4%～5%，线形基本呈下降趋势，这表明天然沥青的掺量对天然改性沥青的老化性能有一定影响，并非是掺量越多越好。湖沥青改性相对于岩沥青改性对于掺量的敏感性更强。同时，针入度比的下降并不能说明其抗老化能力的降低，因为天然沥青中含有大量矿物质颗粒，对试验造成一定影响。

3）对于针入度指数，其随天然沥青掺量增加，由负值向正值逐渐增大且增幅较快，当天然沥青掺量接近30%时，指数＞0，湖沥青改性比岩沥青改性略优。由此可知天然沥青的掺入，明显改善了基质沥青的感温性能。

4）当量脆点指标随天然沥青掺量的增加而下降，说明其对基质沥青低温性能有一定影响，应控制加入量。

2.2 软化点

软化点试验结果见图4-图6。

图4 软化点结果

图5 当量软化点结果

图6 不同掺量沥青软化点与当量软化点

1）普通沥青掺加天然沥青后，试验结果显著提高。不同掺量的湖沥青改性，软化点分别提高了18.9%、23.2%和28.4%且增长幅度逐渐加大，分别为2℃和2.5℃；不同掺量的岩沥青改性，软化点分别提高了16.8%、21.1%和25.3%，增长幅度保持在2℃左右。但软化点增长幅度与掺量之间变化需进一步试验确定。

2）由图5可见，试验结果也是显著提高，与软化点变化规律类似。不同掺量的湖沥青改性与岩沥青改性较普通沥青，分别提高了13.7%、17.6%和21.5%和12.7%、15.8%和22.1%。说明天然沥青可有效提高基质沥青抗高温变形的能力且随掺量增加而增大。

3）与SBS改性沥青相比，其软化点和当量软化点，随掺量的提高已逐渐接近或超过改性沥青水平，说明掺加天然沥青做改性剂，其高温性能已接近或超出SBS改性沥青标准，但其实际使用效果和沥青混合料性能仍需进一步试验确定。

2.3 延度

延度试验结果见图7。

图7 不同掺量沥青延度与当量脆点

1）掺加天然沥青后，延度指标大幅度下降且随掺量增加而减小，延展能力降低。

2）掺加量＜20%时，其下降趋势较快，但当＞20%后，下降幅度减小且趋于平缓。因为天然沥青中含有大量矿物质细小颗粒，使其在拉伸中易出现应力集中的现象，从而影响检测结果准确性。

3 PG分级体系研究

3.1 动态剪切流变DSR试验

动态剪切流变DSR试验结果见图8和图9。

图8 不同掺量-不同温度下湖沥青改性沥青DSR试验

图9 不同掺量-不同温度下岩沥青改性沥青DSR试验

1）在相同温度下，随着天然改性沥青掺量的增加，老化前后的抗车辙因子亦逐渐增加且湖沥青的增加相对岩沥青更明显。以70℃为例，掺量20%、25%、30%的湖沥青改性沥青原样沥青的抗车辙因子较基质沥青分别提高 84.6%、131.6%、196.6%，RTFOT后的分别提高61.2%、109.0%、293.0%；掺量 20%、25%、30%的岩沥青改性沥青原样沥青的抗车辙因子较基质沥青分别提高64.1%，97.4%、161.5%，RTFOT后的分别提高 46.8%、77.6%、218.9%。

2）相对于基质沥青，掺加不同剂量的天然沥青后，其高温性能得到显著提升，抗车辙性能得到显著改善。抗车辙因子随天然沥青掺量增加而提高，这意味着当路面作用相同的载荷时，其可恢复的变形增加，抗车辙性能增强。

3）掺入天然沥青后，其沥青的PG高温等级较基质沥青都有明显提升随掺量的提高等级也逐渐提高。湖沥青改性沥青掺量为20%时，其高温等级为PG70，比基质沥青的PG64高出一个等级；掺量为25%、30%时，其高温等级为PG76，比基质沥青的PG64高出两个等级，与改性沥青同一等级。岩沥青改性沥青掺量为20%、25%时，其高温等级为PG70，比基质沥青的PG64高出一个等级；掺量为30%时，其高温等级为PG76，比基质沥青的PG64高出两个等级，与改性沥青同一等级。

3.2 弯曲流变BBR试验

弯曲流变BBR试验结果见表4。

表4 不同掺配方式与掺配比例下天然改性沥青BBR

1）在试验范围内，基质沥青掺入天然沥青后，蠕变劲度s与蠕变速率m均有不同程度下降且下降趋势一个是随掺量增加而降低，另一个是随试验温度下降而降低；两者下降趋势，以温度影响下降尤为明显。故在使用天然改性沥青时，应特别关注使用地区的环境温度和掺配比例，不是掺量越大，路用效果就越好。

2）在试验范围内，相同试验温度、相同掺量下，湖沥青改性沥青的低温老化性要优于岩沥青改性沥青，但天然改性沥青的掺量应予以控制，建议不超过25%。同时与相同试验温度下的基质沥青或改性沥青相比，仍有一定差距，这一方面也是下阶段应继续研究的。

3）在试验范围内，基质沥青掺入天然沥青后，低温性能的改善不明显，甚至有所下降。

3.3 布洛克菲尔德旋转粘度试验

布洛克菲尔德旋转粘度试验结果见图10。

图10 不同掺量下沥青粘度试验

在试验范围内，同一温度下，不同掺量的天然改性沥青的粘度均大于基质沥青且随着掺量的增加而增加。以135℃ 粘度为例，掺量20%、25%、30%的湖沥青改性沥青粘度分别比基质沥青提高了99.7%、109.9%、139.7%；掺量20%、25%、30%的岩沥青改性沥青粘度分别比基质沥青提高了121.6%、139.9%、156.0%。这表明天然沥青可有效提高沥青的粘度，增强沥青与集料间的粘附性能，提高施工和易性，改善沥青混合料的高温抗车辙性能且岩沥青改性沥青粘度在同温同掺量下要略高于湖沥青改性沥青。

4 结论

1）基质沥青掺加天然沥青后，可明显提高沥青的高温抗车辙性能和抗老化性能，针入度、软化点、粘度都有不同程度的提高，沥青PG分级的高温等级至少提高一个等级；同时对于沥青的感温性与施工和易性也有改善。

2）掺加天然沥青后，虽然高温性能显著提高，但其低温性能受到一定程度影响，故在使用天然改性沥青时，应特别关注使用地区的环境温度和掺配比例，不是掺量越大，路用效果就越好，就室内试验结果而言，建议掺量不超过25%。

3）就本次试验结果分析，湖沥青改性沥青的整体改性效果要优于岩沥青改性沥青，从不同掺配方式与比例的角度分析，25%掺量的湖沥青最好，20%和25%掺量的岩沥青、20%掺量的湖沥青次之。