伊朗岩沥青改性沥青的微观特性及性能

金 鑫，郭乃胜，孙思威，宋承哲，尤占平

（1.大连海事大学交通运输工程学院，辽宁大连 116026；2.辽宁省交通科学研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110000；3.辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁沈阳 110111；4.密歇根理工大学土木与环境工程系，密歇根 霍顿 MI49931）

岩沥青（RA）属于天然沥青，由于RA自身易挥发组分含量较少，沥青质含量较高，而基质沥青极易将沥青质溶胀后分散，以形成胶束中心的形式来进一步提高沥青分子间的内聚能［1］，因此已有大量研究已验证了RA的掺入可以达到延长道路使用寿命的效果［2］.伊朗岩沥青（IRA）因其沥青含量高，软化点较高，尤其是具有价格优势，开始逐渐得到了关注.遗憾的是目前国内外关于IRA改性沥青（IRAMA）的研究相对较少［3-5］.

Ameri等［6-8］提出IRA的掺入能改善基质沥青的高温性能，但IRA无法实现与基质沥青的完全相容.Wang等［9］发现IRA改性沥青的抗疲劳性能优于聚烯烃改性沥青，但疲劳寿命却不及SBS改性沥青.王之乐［10］认为IRA的掺入，增大了改性体系中胶质及沥青质的含量，从而提高了基质沥青的高温稳定性和抗老化性能，但降低了其低温性能.

尽管针对IRA与基质沥青共混性和流变性能的研究较多，但鲜有对IRA矿物组成的充分研究，尤其缺乏对IRA微观特性的分析.鉴于此，本文以辽河A-90道路石油沥青和IRA为原料，采用前混合工艺制备了IRAMA，分析了IRA和IRAMA的微观特性，测试了IRAMA的路用性能，研究了IRAMA的流变性能.

1 试验

1.1 原材料

基质沥青（BA）采用辽河A-90道路石油沥青，其性能符合JTG E20—2011《公路沥青路面施工技术规范》对2-2区A级沥青的性能要求，其技术性能见表1.改性剂选用中东伊朗岩沥青（IRA），其技术性能见表2.

表1 基质沥青技术性能Table1 Technical properties of BA

表2 IRA的技术性能Table 2 Technical properties of IRA

1.2 IRAMA的制备

将一定量的IRA缓慢倒入已预热至150℃的基质沥青中，在3 000 r/min下剪切30～40 min，再在5 000 r/min下剪切10 min，倒入铝杯中，待测.根据文献［11-12］，IRA的掺量1）文中涉及的掺量等均为质量分数.（wIRA）应介于10%～20%，因此本文设计wIRA＝5%、10%、15%、20%，并将试样分别命名为IRAMA 5、IRAMA 10、IRAMA 15、IRAMA 20.

1.3 试验方法

用日本电子IT 300型扫描电镜（SEM）观察IRA的微观形貌，观测前对试样预先进行喷金处理.采用德国布鲁克D8型X射线衍射仪（XRD），设置扫描范围为5°～75°，步宽为0.02°，模式为步进扫描.采用日本岛津IR100型傅里叶红外光谱仪（FTIR），扫描次数为32次，分辨率为4 cm-1，ATR模式.采用美国TAQ50型热重分析仪（TG），试样质量3～5 mg，N2氛围，以20℃/min的速率升温至800℃.采用美国TAQ20型差热扫描量热仪（DSC），样品质量为（5±1）mg，N2氛围，以10℃/min速率升温至130℃，恒温2 min，接着以10℃/min速率降温至-70℃，恒温1 min，再以10℃/min升温至160℃.在温度扫描模式下进行动态剪切流变（DSR）试验，加载频率为10 rad/s，应变控制为12%，计算车辙因子（G*/sinδ）来评价IRAMA的高温性能.弯曲梁流变试验（BBR）温度为-14～-24℃，得到蠕变劲度模量（S）和蠕变速率（m）来评价IRAMA的低温性能.

在DSR的应力-恢复模式下，进行多应力重复蠕变试验（MSCR）.在初始试验温度64℃下，先对RTFOT短期老化后的沥青试样加载1 s，再卸载9 s，此为1个循环.试验中先对试样施加1.0 kPa的应力（p），重复循环10次，再将应力增大到3.2 k Pa，继续重复循环10次，得到应变恢复比率（R）和不可恢复蠕变柔量（Jnr）.

2 结果与讨论

2.1 IRA的微观特性

2.1.1 XRD分析

IRA的XRD图谱见图1.由图1可见：IRA中含有方解石（CaCO3）、石英（SiO2）和斜长石等矿物相，且方解石含量最高；还存在少量的硫酸盐、氧化铝、碳酸镁和氧化铁，以及少量的钠、锶、钛等金属氧化物，这表明IRA中存在碱性矿物元素.酸性石油沥青与碱性矿物之间存在物理吸附和化学吸附，因此若将IRA掺入沥青混合料中，由于矿物元素的存在，将进一步提高沥青与集料的附着力和抗剥离性能.

图1 IRA的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of IRA

2.1.2 SEM分析

IRA的SEM照片见图2.由图2可见：IRA的颗粒不均匀（见图2（a））；随着放大倍率的增大，IRA的粒级为20～200μm，大颗粒表面相对平整、解理清晰，且有细小颗粒团簇附着.

图2 IRA的SEM照片Fig.2 SEM images of IRA

2.1.3 FTIR分析

IRA的FTIR图谱见图3.由图3可见：IRA的FTIR图谱中宽吸收带主要集中在3 634 cm-1处，这是由—OH拉伸引起的；CH2基团的C—H在2 920～2 848 cm-1之间发生了强烈的拉伸振动；1 551 cm-1处的吸收峰归属芳香环中C＝C的拉伸振动；在1 453 cm-1处的吸收峰为C—H面内弯曲振动；1 300～1 000 cm-1之间为芳香环中C—O的振动；指纹图谱区域650～910 cm-1之间的峰属于芳香环的振动.由此可见，IRA极性强，可以有效提高沥青在集料表面的吸附能力，从而可提高沥青的抗水剥离能力［12］.

图3 IRA的FT IR图谱Fig.3 FTIR spectrum of IRA

2.2 IRAMA的微观特性

2.2.1 FTIR分析

不同IRA掺量IRAMA的FTIR图谱见图4.由图4可见：与BA相比，IRAMA并未出现明显的化学键减弱和消失，说明IRA对基质沥青的改性仅为硬质沥青在基质沥青中简单分散的物理改性，此过程不存在化学作用；2 358、2 341 cm-1处的弱峰是空气中CO2的相关振动峰，属于干扰峰.

图4 不同IRA掺量IRAMA的FTIR图谱Fig.4 FTIR spectra of IRAMA with different w IRA

2.2.2 TG分析

试样的TG曲线见图5.由图5（a）可见：在室温～340.7℃，IRA无较大的质量损失；随着温度的升高，其热失重速率增大；从416.3℃开始，IRA的分解最为剧烈；温度达到470℃之后，IRA中的有机成分完全分解，热失重速率迅速降低.由图5（b）可见，IRA的加入显著提高了IRAMA的热稳定性.在升温过程中，范德华力减小，使基质沥青的物理结构和化学组分发生变化，随着IRA掺量的增加，IRAMA形成了多相体系，从而改变了基质沥青的配伍性，使改性沥青在升温过程中热量降低，有效提高了其高温稳定性.

图5 试样的TG曲线Fig.5 TG curves of samples

2.2.3 DSC分析

图6为试样的DSC曲线.由图6可见：基质沥青与IRAMA的热流量的差异不明显，表明IRA改性沥青与基质沥青的结构本质相同；随着IRA掺量的增大，改性沥青的热流量先增大后降低，IRAMA 15的热流量最大，表明其热稳定性较优；随着IRA掺量的增大，改性沥青的玻璃化转变发生滞后，玻璃化转变温度（Tg）随之升高，表明IRA的掺入使基质沥青中的黏弹比例发生了变化.这主要是因为IRA中的无机组分与沥青中的饱和分以及芳香分结合后，使沥青质的含量增大，同时沥青组分的相态转变加快，玻璃化转变组分增加，从而降低了沥青的低温抗裂性能.

图6 试样的DSC曲线Fig.6 DSC curves of samples

2.3 IRAMA的高温流变性能

沥青胶结料的高温流变特性与沥青混合料抗车辙性能密切相关［13-16］.试样的车辙因子见图7.由图7可见：试样的G*/sinδ均随着温度的升高而逐渐减小；在52～64℃，G*/sinδ下降速率较快，随着温度的继续升高，G*/sinδ的下降速率趋于平缓；IRAMA 15和IRAMA 20的高温等级均可达到88℃；相同温度下，IRAMA 20具有更大的车辙因子.由此表明，IRA在提高改性沥青的高温性能方面占主导作用.从使用条件以及经济效益综合考虑，当IRA掺量为15%时，其对中高温条件下改性沥青的G*/sinδ改善效果相对较好.

图7 试样的车辙因子Fig.7 G*/sinδof samples

2.4 IRAMA的多应力蠕变试验

64℃下试样的不可恢复应变（ε）曲线见图8.由图8可见：随着IRA掺量的增大，改性沥青的不可恢复应变呈下降趋势；基质沥青的不可恢复应变最大，IRAMA 15与IRAMA 20不可恢复应变差异较小.表明IRA掺量越大，循环荷载作用下IRAMA的弹性响应越好.

图8 64℃下试样的不可恢复应变曲线Fig.8 Unrecoverable strain curves of samples at 64℃

试样的应变恢复率和不可恢复蠕变柔量见图9.由图9可见：IRA的掺入在一定程度上提升了沥青的应变恢复率R；IRA的掺量超过5%后，改性沥青具有更好的抗永久变形能力；随着IRA掺量的增加，不可恢复蠕变柔量Jnr减小，这说明IRA的掺入，增强了沥青在高温条件下的抗永久变形能力；当IRA的掺量超过15%后，对基质沥青的抗永久变形能力提升不明显，且将会严重影响沥青的流动性及低温性能，这与热分析结果一致.

图9 试样的应变恢复比率和不可恢复蠕变柔量Fig.9 R and J nr of samples

2.5 IRAMA的低温流变性能

试样的蠕变劲度模量（S）和蠕变速率（m）见图10.由图10可见：在-14～-22℃，随着温度的降低，不同试样的S迅速增大，m逐渐减小；随着IRA掺量的增大，IRAMA的S增大，m降低.由此可见，IRA的掺入及其掺量的增大对改性沥青的低温抗裂性能具有不利的影响.其主要原因是随着IRA掺量的增大，改性沥青的Tg逐渐升高，而随着温度的下降，改性沥青分子中链段刚性持续增大.推荐IRA的适宜掺量不超过15%.

图10 试样的蠕变劲度模量和蠕变速率Fig.10 S and m of samples

3 结论

（1）伊朗岩沥青（IRA）表面的极性官能团使其具有极强的吸附力和稳定的化学性质，IRA改性沥青（IRAMA）中IRA与基质沥青为物理共混.

（2）随着IRA掺量的增大，循环荷载作用下IRAMA的弹性响应越好，高温条件下其抗永久变形能力越强.

（3）IRA的掺入提高了沥青的高温性能.随着IRA掺量的增大，IRAMA的玻璃化转变温度T g逐渐升高，改性沥青变得硬而脆，从而影响沥青的机械性能和低温流变性能.从改性沥青性能与经济效益综合考虑，推荐IRA掺量不宜超过15%.