吳源鋒，廖 軍，黃晚清，馮文凱，曹明明

(1.榮縣交通運輸局，四川 榮縣 643100；2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059；3.四川省交通運輸廳交通勘察設(shè)計研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

目前，瀝青混凝土路面的車轍、坑槽等病害屢見不鮮，此類病害不僅產(chǎn)生在路面的表面層，也時常發(fā)生在中面層，修復(fù)起來較為困難，且維修成本較高[1].對此，科技人員開發(fā)出了許多性能優(yōu)良的改性瀝青，以防治瀝青路面的病害.從瀝青的改性方式來看，主要分為高分子聚合物改性和天然瀝青改性.高分子聚合物改性瀝青主要有： 廢橡膠粉、SBS、SBR、PE改性瀝青等.天然瀝青改性瀝青主要有： 巖瀝青改性瀝青與布敦巖瀝青改性瀝青.高分子聚合物SBS改性瀝青以其優(yōu)良的高溫性能被廣泛使用于各類道路工程領(lǐng)域，但SBS改性瀝青也有許多缺點，如易分層離析，對拌和設(shè)備要求較高.巖瀝青是石油在自然條件下生成的一種巖與瀝青共混物，相關(guān)研究表明，其巖石礦物主要為呈堿性的CaCO3[2-3].布敦巖瀝青改性瀝青是一種天然的瀝青改性劑，因其對基質(zhì)瀝青優(yōu)良的改性性能，倍受道路工程領(lǐng)域青睞[4-9].本研究基于布敦巖瀝青的微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分，對布敦巖瀝青改性瀝青進(jìn)行了相關(guān)試驗，分析探討了布敦巖瀝青改性瀝青的高溫性能.

1 原材料及試驗方案

1.1 試驗原材料

本研究選用的瀝青材料為布敦巖瀝青，基質(zhì)瀝青為70#A級道路石油瀝青，試驗材料各項技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求[10-11]，具體如表1、表2所示.

表1 布敦巖瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 布敦巖瀝青改性瀝青的制備

選取布敦巖瀝青和70#基質(zhì)瀝青在實驗室制備布敦巖瀝青改性瀝青.其中，布敦巖瀝青的摻量(布敦巖瀝青與70#基質(zhì)瀝青的質(zhì)量比)分別為0.0%，10.0%，20.0%，30.0%，40.0%，50.0%，60.0%.

布敦巖瀝青改性瀝青的制備方法為：將70#基質(zhì)瀝青放入烘箱中加熱至180 ℃，按照設(shè)計比例稱取一定質(zhì)量的布敦巖瀝青，加入到70#基質(zhì)瀝青中，并用玻璃棒攪拌均勻，采用轉(zhuǎn)速為4 500 r/min的剪切機剪切、擠壓30 min.剪切過程中確保瀝青溫度維持在180 ℃[10].

1.3 試驗方案

本研究利用掃描電鏡(SEM)觀察布敦巖瀝青及其巖石礦物的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，并對布敦巖瀝青中巖石礦物進(jìn)行X射線衍射試驗(XRD)分析其組成成分.通過對布敦巖瀝青改性瀝青進(jìn)行常規(guī)性能試驗、Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度試驗以及動態(tài)剪切流變試驗分析其高溫性能.

2 布敦巖瀝青的特性分析

2.1 布敦巖瀝青微觀形態(tài)分析

利用日立S-3000N型掃描電子顯微鏡，觀察布敦巖瀝青及其巖石礦物的微觀形態(tài)，結(jié)果見圖1.

圖1布敦巖瀝青的電鏡掃描圖像

由圖1(a)可知，較大的布敦巖瀝青顆粒是由較小的顆粒組成的，圖中的黑色物質(zhì)為巖石礦物表面黏附的瀝青，表明布敦巖瀝青是“瀝青—礦物"的共混物.圖1(b)顯示，布敦巖瀝青的巖石礦物表面凹凸不平，非常粗糙，為多空隙結(jié)構(gòu)，且孔隙非常發(fā)達(dá)，深及巖石礦物內(nèi)部.

2.2 布敦巖瀝青巖石礦物成分分析

為研究布敦巖瀝青中巖石礦物質(zhì)的成分，采用DX-2700型X射線衍射儀對布敦巖瀝青中的巖石礦物進(jìn)行了測試.試驗掃描方式為步進(jìn)掃描，掃描范圍為，2θ=5°～50°，步寬為，2θ=0.040°，其XRD衍射圖譜如圖2所示.

圖2布敦巖瀝青XRD衍射圖譜

由圖2可知，布敦巖瀝青中巖石礦物主要成分為CaCO3，表明布敦巖瀝青中巖石礦物呈堿性.此表明，試驗制得的布敦巖瀝青改性瀝青也呈堿性，這使得瀝青與集料之間的黏附性和抗剝離性能得到顯著增強.

3 布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能研究

3.1 布敦巖瀝青改性瀝青的軟化點試驗

軟化點(TR & B)是反映瀝青高溫穩(wěn)定性的一個指標(biāo)[12].本研究對各摻量布敦巖瀝青改性瀝青進(jìn)行了軟化點試驗，試驗結(jié)果見表3.

表3 布敦巖瀝青改性瀝青軟化點試驗結(jié)果

由表3可知，布敦巖瀝青改性瀝青軟化點明顯高于70#基質(zhì)瀝青，表明布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，且隨著布敦巖瀝青摻量的增加，改進(jìn)瀝青的高溫性能將進(jìn)一步增強.

3.2 布敦巖瀝青改性瀝青當(dāng)量軟化點

研究表明，采用環(huán)球法測蠟含量較高的瀝青軟化點，其結(jié)果往往比真實值偏高.當(dāng)量軟化點(T800)定義為與瀝青針入度值為800時對應(yīng)的溫度，可認(rèn)為用當(dāng)量軟化點代替軟化點表示瀝青高溫性能，既發(fā)揮了環(huán)球法軟化點的功能，又克服了蠟的影響[13].因此，本研究對不同摻量布敦巖瀝青改性瀝青進(jìn)行針入度試驗，獲取試驗溫度分別15 ℃、25 ℃、30 ℃的針入度值，并計算出各摻量布敦巖瀝青改性瀝青當(dāng)量軟化點，結(jié)果如表4所示.

表4 布敦巖瀝青改性瀝青當(dāng)量軟化點試驗結(jié)果

由表4可知，布敦巖瀝青改性瀝青當(dāng)量軟化點明顯高于70#基質(zhì)瀝青，表明布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，且隨著布敦巖瀝青摻量的增加，改性瀝青的高溫性能將進(jìn)一步增強.

3.3 布敦巖瀝青改性瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗

本研究使用Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度儀測量各摻量布敦巖瀝青改性瀝青的135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度.Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度試驗方法按照相關(guān)規(guī)范[14]執(zhí)行，對每份摻量布敦巖瀝青改性瀝青均做3組平行試驗，然后取平均值，試驗結(jié)果如表5所示.

表5 布敦巖瀝青改性瀝青135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度

由表5可知，當(dāng)布敦巖瀝青摻量分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%時，改性瀝青黏度分別是70#基質(zhì)瀝青(布敦巖瀝青摻量為0%)黏度的100.51%、130.90%、185.91%、309.75%、338.74%、386.08%，表明布敦巖瀝青改性瀝青的高溫抗車轍性能明顯優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青.

3.4 布敦巖瀝青改性瀝青動態(tài)剪切流變試驗

3.4.1 車轍因子G*/sinδ.

車轍因子(G*/sinδ)是評價瀝青高溫性能的指標(biāo)，通過對瀝青進(jìn)行動態(tài)剪切流變試驗來獲得，其值越大表示瀝青高溫抗車轍性能越好.復(fù)數(shù)剪切模量(G*)是材料重復(fù)剪切變形時總阻力的度量，是剪應(yīng)力最大值與剪應(yīng)變最大值之比τmax/γmax，它包括兩部分：彈性(可恢復(fù))部分和黏性(不可恢復(fù))部分.相位角(δ)是彈性和黏性變形數(shù)量的相對指標(biāo)，δ越小，表明材料越接近于彈性體.本研究使用美國TA公司的AR-1500ex型動態(tài)剪切流變儀，依據(jù)AASHTO T315規(guī)范對原樣布敦巖瀝青改性瀝青以及旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化(RTFOT)后的布敦巖瀝青改性瀝青進(jìn)行試驗[15]，獲取車轍因子G*/sinδ以及相位角δ.試驗結(jié)果見圖3，其中圖3(a)、圖3(b)分別表示原樣布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨試驗溫度變化的趨勢圖，圖3(c)、圖3(d)分別表示RTFOT老化后的布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨試驗溫度變化的趨勢圖.

由圖3可知，RTFOT老化前后，70#基質(zhì)瀝青(布敦巖瀝青摻量為0%)的G*/sinδ明顯小于其余各摻量布敦巖瀝青改性瀝青，而其δ明顯大于其余各摻量布敦巖瀝青改性瀝青，表明布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能明顯優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青.RTFOT老化前后，各摻量布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ均隨著試驗溫度的升高而減小，而其δ均隨著試驗溫度的升高而增大，表明其黏性變形的比例在增加，即抗永久變形能力在下降，高溫抗車轍能力在降低.各摻量布敦巖瀝青改性瀝青的G*/sinδ隨試驗溫度的升高呈現(xiàn)指數(shù)減小，且相關(guān)性系數(shù)較高，即G*/sinδ=AeBx，式中x為試驗溫度，A、B為回歸系數(shù)，具體見表6.

圖3 RTFOT老化前后布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨溫度的變化

表6 布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ隨試驗溫度變化的回歸系數(shù)A，B

為進(jìn)一步分析布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ及δ與布敦巖瀝青摻量的關(guān)系，現(xiàn)將RTFOT老化前后的布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ及δ隨布敦巖瀝青摻量的變化繪制圖4，圖4(a)、圖4(b)分別表示原樣布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨布敦巖瀝青摻量的變化，圖4(c)、圖4(d)分別表示RTFOT老化后布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨布敦巖瀝青摻量的變化.

由圖4可知，試驗溫度相同時，RTFOT老化前后的布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ均隨著布敦巖瀝青摻量的增加而增加，而其δ均隨著布敦巖瀝青摻量的增加而減小，表明其黏性變形的比例逐漸減小，抗永久變形能力逐漸增強，即高溫抗車轍能力逐漸增強.試驗溫度相同時，布敦巖瀝青改性瀝青的G*/sinδ隨著布敦巖瀝青摻量的增加呈線性增加，且相關(guān)性系數(shù)較高，即G*/sinδ=Ax+B，式中x為布敦巖瀝青摻量，A、B為回歸系數(shù)，具體見表7.

圖4 RTFOT老化前后布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨摻量的變化

表7 布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ隨布敦巖瀝青摻量變化的回歸系數(shù)A，B

由表7可知，隨著試驗溫度的提高，改變布敦巖瀝青摻量對瀝青G*/sinδ變化的影響程度在降低，也就是對瀝青高溫抗車轍能力的影響程度在降低.

3.4.2 等車轍因子臨界溫度TG*/sinδ.

相關(guān)研究表明，根據(jù)車轍因子和溫度之間的規(guī)律，預(yù)估車轍因子達(dá)到Superpave規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值(原樣1.0 kPa，RTFOT 2.2 kPa)時的溫度[16].本試驗中的7種布敦巖瀝青摻量的布敦巖瀝青改性瀝青等車轍因子臨界溫度TG*/sinδ如圖5所示.

由圖5可知，布敦巖瀝青改性瀝青等車轍因子臨界溫度TG*/sinδ隨著布敦巖瀝青摻量的增加呈線性增加，且相關(guān)性系數(shù)較高，表明瀝青由于布敦巖瀝青的摻入，其高溫性能明顯增強，且布敦巖瀝青摻量越高的改性瀝青較70#基質(zhì)瀝青高溫性能越強.

圖5布敦巖瀝青改性瀝青的TG*/sinδ隨布敦巖瀝青摻量的變化

4 結(jié) 語

本研究通過對試驗結(jié)果的分析得出以下結(jié)論：

1)布敦巖瀝青是“瀝青—礦物"共混物，其巖石礦物表面凹凸不平，為多空隙結(jié)構(gòu)，主要成分為CaCO3.

2)瀝青的軟化點、當(dāng)量軟化點、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度值、G*/sinδ、TG*/sinδ等指標(biāo)均表明布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能明顯優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青，且布敦巖瀝青摻量越高，高溫性能越好.

3)RTFOT老化前后的布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ與試驗溫度之間呈現(xiàn)較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，與布敦巖瀝青摻量之間呈現(xiàn)較好的線性函數(shù)關(guān)系；布敦巖瀝青改性瀝青的等車轍因子臨界溫度TG*/sinδ與布敦巖瀝青摻量之間呈現(xiàn)較好的線性函數(shù)關(guān)系.

4)試驗溫度較低時，布敦巖瀝青摻量的變化對布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能的影響更為顯著.