浇注式岩沥青改性硬质沥青的基本性能试验研究

周晓静，阚涛，乔弘，王彦敏，张爱勤

(山东交通学院 山东省高校路面结构与材料重点实验室，山东 济南 250357)

浇注式沥青混凝土是以改性硬质沥青为胶结料，与砂石骨料按一定配合比组合而成的一种新型沥青混合料，在220～260 ℃高温下拌合，沥青含量高、矿粉含量多、空隙率较小，具有良好的流动性且无需碾压成型，主要用作钢桥面铺装材料[1]。目前改性硬质沥青多以聚合物改性沥青与天然湖沥青掺配而成[2-4]，具有良好的黏结性、变形追从性、高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性，用于国内外钢桥面铺装，取得了良好的应用效果[5-6]。天然湖沥青以进口为主，成本较高，我国天然岩沥青资源丰富且高温稳定性良好。

本文采用青川岩沥青代替天然湖沥青，对国产岩沥青改性硬质沥青的基本性能指标进行试验研究，分析岩沥青改性硬质沥青组配比例对三大指标和质量损失的影响，探讨浇注式改性硬质沥青胶结料的组配方法。

1 浇注式岩沥青混凝土对改性硬质沥青的技术要求

改性硬质沥青在浇注式沥青混合料中具有极其重要的作用，既要具备高黏度，以提高浇注式沥青混合料的强度，又要避免沥青过稠而影响沥青混合料高温施工时较大的流动性[7-9]。目前公路钢箱梁桥面铺装采用浇注式混凝土的改性硬质沥青，主要采用聚合物改性沥青与天然沥青掺配或采用针入度为20～40(0.1mm)的沥青掺入聚合物改性组配[10]。对于夏炎热区，其技术要求见表1。

表1 改性硬质沥青的技术要求

2 改性硬质沥青的组成材料

2.1 岩沥青

我国天然岩沥青主要有青川岩沥青和新疆岩沥青，本试验研究采用青川岩沥青。青川岩沥青含碳、氢、氧、氮、硫等化学成分，以沥青质为主要化学组分。沥青质呈固态，可以提高岩沥青的软化点。青川岩沥青还含有多种能促进石油沥青中活性基团交联聚合的有机链，能够增强沥青的内聚力，改善改性沥青的抗氧化性、抗流动性、黏附性和感温性，尤其表现出优良的抗车辙性能[11]，但低温性能有所劣化[12-14]。青川岩沥青的性能指标见表2，能够满足天然沥青的技术要求[15]。

表2 青川岩沥青的性能指标

2.2 基质沥青

研究岩沥青改性硬质沥青需要选用合适稠度的基质沥青，参照目前聚合物改性沥青与岩改沥青的组配研究，基质沥青主要选用70#、90#石油沥青，可获得良好的高温稳定性[16-18]。由于青川岩沥青硬度较高，因此本试验研究选用90#石油沥青作为基质沥青进行改性。对90#石油沥青采用15 ℃的延度试验，薄膜加热试验中延度试验温度为10 ℃，90#石油沥青性能指标见表3，其性能指标符合道路石油沥青的技术要求[19]。

表3 90#石油沥青的性能指标

2.3 改性剂

研究使用SAW沥青改性剂、萜烯树脂、SBS 3种改性剂，SAW沥青改性剂主要改善沥青的高温性能和提高沥青路面的抗变形能力，降低车辙、防止波浪、拥包现象，降低拌合及施工温度，有效延长路面的使用寿命，降低工程造价，是一种具有优良综合效益的改性剂；萜烯树脂具有良好的抗氧化性、热稳定性、溶解性和相容性等优点；SBS具有良好的拉伸强度和弹性，在高温条件下氧化，可增加沥青的硬度和黏度，可以较好改善沥青的低温性能、抗疲劳性能、水稳定性，同时能够优化沥青的高温性能。为提高岩沥青改性硬质沥青的高温稳定性，降低施工温度，增强溶解性和相容性，改善其低温性能,将SAW沥青改性剂、萜烯树脂、SBS 3种改性剂进行优化掺配形成复合改性剂，通过加入不同质量分数的复合改性剂和岩沥青改性为岩沥青改性硬质沥青，并对岩沥青改性硬质沥青进行试验研究。

3 改性硬质沥青的试验研究

3.1 岩沥青改性硬质沥青的掺配比例

对90#石油沥青和复合改性剂进行组配，其中岩沥青改性硬质沥青中青川岩沥青的质量分数分别为7.5%、10.0%、12.5%、15.0%[20]，复合改性剂的质量分数分别为0、3%和5%。试验配合比见表4。

表4 岩沥青改性硬质沥青的配合比 %

3.2 试验方法与结果分析

依据表4岩沥青改性硬质沥青的组配比例，对针入度、延度、软化点、质量损失、闪点以及密度性能指标进行试验研究。试验条件为:针入度选择25 ℃，100 g，5 s；延度选择10 ℃，5 cm/min；软化点采用环球法；质量损失采用旋转薄膜加热试验，加热温度163 ℃，蒸发时间5 h；闪点采用克利夫兰开口杯法；密度采用比重瓶测定，试验温度为15 ℃。岩沥青改性硬质沥青的主要技术指标试验结果见表5。

表5 岩沥青改性硬质沥青的试验结果

3.2.1 岩沥青及复合改性剂对针入度的影响

岩沥青及复合改性剂的质量分数与针入度曲线如图1所示。由图1可知，岩沥青改性硬质沥青的针入度随着岩沥青质量分数的增加逐渐降低。若不掺加复合改性剂，岩沥青质量分数从7.5%增加到15.0%时，其针入度从45(0.1 mm)减小到25(0.1 mm)，减幅为44.4%。可见，岩沥青的质量分数对改性沥青的针入度影响较大，岩沥青的质量分数越大，针入度越小。试验结果表明，当岩沥青的质量分数为10%～15%时，针入度满足改性硬质沥青的指标要求。掺加复合改性剂后，针入度有所变化，随复合改性剂质量分数的增加，针入度增大；当其质量分数继续增大，针入度减小。因此，当复合改性剂的质量分数为5%时，岩沥青的质量分数为10%～15%，针入度满足改性硬质沥青的指标要求。

3.2.2 岩沥青及复合改性剂对软化点的影响

岩沥青及复合改性剂的质量分数与软化点的关系如图2所示。由图2可知，岩沥青改性硬质沥青的软化点随着岩沥青质量分数的增加而升高，同时，随复合改性剂质量分数的增加，软化点也逐渐升高，且复合改性剂的质量分数为3%～5%时，对软化点的影响较0～3%时大。当复合改性剂的质量分数为5%时，青川岩沥青的质量分数为7.5%～15%时，岩沥青改性硬质沥青软化点均大于72 ℃的指标要求。

图1 岩沥青改性硬质沥青针入度试验曲线

图2 岩沥青改性硬质沥青软化点试验曲线

3.2.3 岩沥青及复合改性剂对延度的影响

图3 岩沥青改性硬质沥青延度试验曲线

岩沥青及复合改性剂的质量分数与延度的关系如图3所示。由图3可知，岩沥青改性硬质沥青的延度随岩沥青质量分数的增加而减小。若不掺加复合改性剂，岩沥青的质量分数从7.5%增加到15.0%时，其延度由16.5 cm减小到7.3 cm，减幅为55.8%。可见，岩沥青的质量分数对改性沥青的延度影响较大，其中岩沥青的质量分数为7.5%～12.5%时，可以满足改性硬质沥青的指标要求。随着复合改性剂质量分数的增加，延度有所降低，但其质量分数为5%、岩沥青的质量分数为12.5%时，延度明显改善。试验结果表明，当复合改性剂的质量分数为3%、岩沥青的质量分数为7.5%～12.5%时，其延度大于10 cm；当复合改性剂的质量分数为5%、岩沥青的质量分数为7.5%～13.0%时，延度基本满足改性硬质沥青的指标要求。

图4 岩沥青改性硬质沥青质量损失试验曲线

3.2.4 岩沥青及复合改性剂对其他性能指标的影响

岩沥青改性硬质中岩沥青及复合改性剂的质量分数与沥青质量损失的关系曲线如图4所示。

分析表5试验结果，岩沥青改性硬质沥青的质量损失均满足指标要求。由图4可知，岩沥青改性硬质沥青的质量损失随着岩沥青质量分数的增加不断减小；同时，随着复合改性剂质量分数的增加，岩沥青改性硬质沥青的质量损失逐渐降低。随着岩沥青质量分数的增加，复合改性剂质量分数不同的岩沥青改性硬质沥青的质量损失变化趋势大致相同。当复合改性剂的质量分数为0～5%时，岩沥青的质量分数从7.5%增加到15.0%时，岩沥青改性硬质沥青的质量损失从-0.281%变化到-0.180%，质量损失减少了0.101%。主要原因为:掺入岩沥青及复合改性剂，使轻质成分的含量减少，在老化过程中由轻质成分转化为硬质成分的数量减少，因而其质量损失有所下降。

表5试验结果表明，随着岩沥青质量分数的增加，岩沥青改性硬质沥青的闪点逐渐增高，表明岩沥青改性硬质沥青具有良好的施工安全性，但闪点随复合改性剂质量分数的增加，提高幅度较小。岩沥青改性硬质沥青密度较大，其密度均大于1.00 g/cm3。综合分析改性硬质沥青的基本性能指标及其影响规律，得出岩沥青改性硬质沥青中m(石油沥青):m(天然岩沥青):m(复合改性剂)=82.5:12.5:5.0时，可以获得良好的高温性能。

4 结论

1)岩沥青改性硬质沥青的软化点随着岩沥青质量分数的增加而升高，改善了岩沥青改性硬质沥青的高温性能，针入度、延度和质量损失量随着岩沥青质量分数的增加逐渐降低。

2)随着复合改性剂质量分数的增加，岩沥青改性硬质沥青的软化点大幅度提高，针入度有所增大，延度和质量损失略有下降。

3)岩沥青改性硬质沥青中m(石油沥青):m(天然岩沥青):m(复合改性剂)=82.5:12.5:5.0时，可满足改性硬质沥青的主要技术指标要求，可获得良好的性能。

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