“活化”湿法岩沥青改性沥青及混合料性能研究

2022-09-28罗贞

运输经理世界 2022年4期

罗贞

（泉州市交通运输综合执法支队，福建泉州362000）

0 引言

在路面建设和养护中，使用岩沥青作为沥青混合料改性剂，与沥青相融合可形成改性沥青后铺设于路面面层上，在降低成本的同时保证了道路高温稳定性、抗水损坏性、抗车辙性能、耐久性和抗老化等路用性能。作为一种绿节能的路面新材料，岩沥青改性沥青可采用干法和“湿法两种加工方式。相对而言，湿法具有质量可控、性能稳定的优点。但湿法生产工艺技术上存在两点问题：

一是天然沥青破碎后与基质沥青在高温条件下混溶会产生大量气泡，只能通过增加混溶时间来解决，可能导致基质沥青的老化。

二是天然沥青中的灰分含量较高，该部分灰分在经过胶体磨时会大幅磨损设备，影响设备正常使用，影响生产效率。因此，此研究采用“活化”湿法加工工艺生产岩沥青改性沥青，随后通过试验，建立岩沥青改性沥青的性能评价体系，以推动岩沥青在我国沥青路面方向的应用。

1 岩沥青改性沥青设计及性能分析

1.1 岩沥青改性沥青研制

1.1.1 岩沥青改性沥青外掺剂及基质沥青

此研究选择岩沥青作为改性沥青的外掺剂，因为岩沥青会大幅度降低基质沥青低温性能，因而选择辽河90沥青(LH90)、辽河110沥青(LH110)和克拉玛依90沥青(KLM90)三种高标号基质沥青作为研究对象。

1.1.2 配伍性研究

以布敦岩沥青作为改性剂，分别以15%及20%掺量加入辽河90(LH90)沥青中制备岩沥青改性沥青，静置48h 后，测定上、下两层沥青的三大指标。试验结果显示，15%及20%掺量下岩沥青改性沥青上、下两层的三大指标相近，表明岩沥青与基质沥青的相容性较好。

1.1.3 岩沥青改性沥青的“活化”湿法制备工艺

制备岩沥青改性剂首先要将岩沥青破碎筛分，使原矿料充分破碎至规范要求的粒度。为了提升岩沥青中有效沥青的利用率，采用“活化”预处理工艺，即将3mm 以下的岩沥青颗粒活化、脱水，使岩石中的沥青转换为胶溶状态，更好发挥岩沥青中的沥青的改性效果。利用“按压式”胶体磨设备将岩沥青进一步研磨，并采用湿法处理技术制备岩沥青改性沥青。此外，为减少岩沥青改性沥青中无机矿物质的沉淀，对岩沥青改性沥青进行保温，同时添加增塑剂以及稳定剂，减少改性沥青颗粒物的表面张力，提升存储稳定性。

1.2 岩沥青改性沥青性能分析

1.2.1 岩沥青改性沥青高温性能

利用软化点T作为岩沥青改性沥青高温性能的评价指标。由图1 可知，随着岩沥青掺量的增加，辽河110沥青(LH110)、辽河90沥青(LH90)和克拉玛依90沥青(KLM90)的软化点分别提高了20.2%、19%和14.9%，三种改性沥青的高温性能改善效果依次下降，其中辽河110沥青(LH110)高温性能得到了最佳的改善。随着岩沥青掺量的增加，改性沥青的高温性能显著提升。

图1 三种岩沥青改性前后软化点对比

1.2.2 岩沥青改性沥青低温抗裂性能

低温开裂是造成沥青路面产生低温裂缝病害的主要原因。此研究在三个不同温度(5C，25C，30C)下对改性后的沥青进行10C 延度及当量脆点T两项指标的测定。三种不同基质沥青改性前后的低温试验结果如表1 所示。

表1 岩沥青改性前后当量脆点对比

由表1 中的数据可知，不同的基质沥青经改性后，其当量脆点T的绝对值和10C 延度逐渐减少，低温性能有所下降,并且这两项指标随着岩沥青掺量的增加降幅增大。此外，当岩沥青的剂量为5%时，沥青的低温延度及当量脆点在可接受范围。因此，建议岩沥青的添加剂量不超过5%。

1.2.3 岩沥青改性沥青黏附性能

沥青与集料之间的黏附力是影响沥青路面水损害的重要因素。研究采用水煮法，通过模拟自然环境和交通载荷等自然条件，设计不同的对比试验，选用粒径大于13.2mm 的石灰岩、玄武岩以及花岗岩，进行黏附性等级评定，结果如表2 所示。

表2 改性前后黏附性对比

由于石灰岩是一种典型的亲油憎水性材料，因此其与沥青的黏附程度最高。在水煮试验中，掺入酸值为1.65 的岩沥青进行改性后，HL90、KLM90两种基质沥青与玄武岩和花岗岩的黏附性等级明显提高。在碱性石料匮乏的地区采用岩沥青作为改良剂，可以提高集料与沥青的黏附力，这为高等级公路沥青抗滑铺面的施工提供新的技术途径和崭新的思路。

综合所述，三种不同的基质沥青经岩沥青改性后，其高温性能以及与集料黏附性均有效改善，且随着岩沥青含量的增加，改性效果更加显著。

2 岩沥青改性沥青混合料设计及性能分析

2.1 改性沥青混合料配合比设计

此试验采用卓资山石作为集料，在取样后测量了其主要物理参数。随后，依次选用0.075mm 到19mm孔径的筛分容器对集料过筛，并采用图解法，得到AC-16 矿质混合料的级配曲线，设计级配下各档集料的用量比例如表3 所示。

表3 设计级配下各档集料比例

随后，在4.3%、4.6%、4.9%和5.2%沥青用量下，测试马歇尔试件密度、空隙率(VV)、矿料间隙率(VMA)、沥青饱和度(VFA)等物理指标，绘制各指标与沥青用量的函数关系，如图2 所示。最终，按照马歇尔设计方法确定出沥青混合料中最佳沥青用量(OAC)为4.8%。

图2 马歇尔试验结果

2.2 岩沥青改性沥青混合料性能测试及研究

选用AC-16 型沥青混合料，90基质沥青，沥青用量为4.8%，岩沥青在沥青中的占比分别为3%、4%、5%，测定改性前后沥青混合料的高温性能、低温性能和水稳定性能。

2.2.1 沥青混合料高温性能改性研究

岩沥青改性沥青混合料试件成型48h 后，对试件进行车辙试验，测得基质沥青混合料的动稳定度平均值为1140 次/mm。在3%、4%、5%掺量的岩沥青改性沥青混合料动稳定度平均值分别为2558 次/mm、3879 次/mm 和5759 次/mm。岩沥青可大幅度提高沥青混合料的动稳定度，且随着其添加量增大，混合料高温性能改善效果越好。

2.2.2 沥青混合料低温性能改性研究

在-10C 及50mm/min 加载速率下，对岩沥青改性沥青混合料进行低温弯曲试验，评估其低温抗裂性能。结果显示，4.8% 掺量的基质沥青、3%～5% 掺量的岩沥青的破坏应变值分别为2453με、2448με、2423με 和2389με。可见，随着岩沥青掺入量的增加，混合料的低温稳定性略有下降。因此，为了使岩沥青改性沥青混合料具有最佳的改性效果，在混合料的配制过程中要严格把控岩沥青的掺入量，从而确保混合料的综合路用性能。

2.2.3 沥青混合料水稳定性能改性研究

此研究通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验测量评估了改性沥青混合料的水稳定性。由表4 可知，沥青混合料中掺入岩沥青后，其水稳定性变动不大，满足标准中对其水稳定性的要求。