國產(chǎn)改性瀝青的路用性能研究

1、國產(chǎn)天然瀝青(WL)改性瀝青的路用性能研究倪立賓（河北省道路橋梁養(yǎng)護(hù)檢測中心 石家莊市 050021）摘要：本文從國產(chǎn)天然瀝青對道路石油瀝青的改性機(jī)理及路用性能出發(fā)，利用國產(chǎn)天然瀝青(WL)對道路瀝青的路用性能改性進(jìn)行了研究，指出它同進(jìn)口天然瀝青具有良好的性能價格比，是適合我國國情的瀝青改性材料。為我國高等級公路建設(shè)提供一種質(zhì)優(yōu)、價廉、使用方便的道路瀝青改性劑。 關(guān)鍵詞：國產(chǎn)天然瀝青 改性 路用性能 研究一、前言隨著高等級瀝青路面的發(fā)展，對瀝青材料的性能也提出了更高的要求，改性瀝青的使用越來越多，取得良好的使用效果。目前高等級瀝青路面的交通特點(diǎn)是：交通密度大，車輛軸載重，荷載作用時間間歇短，渠

2、化交通等，這些特點(diǎn)造成瀝青路面產(chǎn)生嚴(yán)重的車轍和裂縫等病害。這就要求瀝青具有抵抗高溫變形和低溫裂縫這兩種互相矛盾的性能。而這是現(xiàn)有瀝青生產(chǎn)工藝難以達(dá)到的。因此要求在瀝青中加入外加劑以改善其技術(shù)性能。目前瀝青改性劑種類的研究很多，國內(nèi)常用改性劑有：橡膠類、樹脂類、熱塑性彈性體類及其它。但對天然瀝青的研究及使用的報道還不多，尤其國產(chǎn)天然瀝青用于瀝青材料改性方面的應(yīng)用研究更是很少。目前，我們在對國內(nèi)外改性瀝青資料廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，已經(jīng)完成一系列國產(chǎn)天然瀝青路用性能的室內(nèi)試驗(yàn)，經(jīng)研究摻加天然瀝青改性劑能使瀝青路面材料的性能大大得到改善。根據(jù)有關(guān)資料顯示，我國對天然瀝青的需求增加很快，目前進(jìn)口天然瀝青價格

3、一般為5000元/t以上，比較昂貴。經(jīng)調(diào)查現(xiàn)在我國西部青海、甘肅一帶發(fā)現(xiàn)儲存量達(dá)3000萬噸以上天然瀝青礦，已形成萬噸的年開采能力，其性質(zhì)與國外天然瀝青相當(dāng)或更好。所以對于國產(chǎn)天然瀝青用于瀝青材料改性方面的應(yīng)用研究很是必要。二、天然瀝青的基本特點(diǎn)天然瀝青是石油在自然條件下，經(jīng)過千百萬年的時間，在溫度、壓力、氣體、無機(jī)物觸媒、微生物及水分的綜合作用下氧化聚合而成的瀝青類物質(zhì)。由于它常年與自然環(huán)境共存，故其性質(zhì)特別穩(wěn)定。根據(jù)生成礦床的不同，天然瀝青分成湖瀝青（如特立尼達(dá)湖瀝青TLA）、巖石瀝青（如美國北美硬瀝青UINTAHITE）及海底瀝青（如印尼BMA）三類。我國西部青海、甘肅一帶發(fā)現(xiàn)的天然瀝青

4、礦屬于巖石瀝青。由于巖石瀝青產(chǎn)生于巖石裂隙中，所受的壓力與溫度條件要比其他天然瀝青高，故聚合程度很高，分子量很大，軟化點(diǎn)較高。天然瀝青的基本性質(zhì)取決于它的聚合程度和純凈度，即軟化點(diǎn)的高低及灰分含量的多少。一般情況下，軟化點(diǎn)越高，其聚合程度越高，平均分子量也越大。需要指出的是，含灰量不同的天然瀝青不能用軟化點(diǎn)的高低比較其性能之優(yōu)劣，因?yàn)榛曳值亩嗌僦苯佑绊戃浕c(diǎn)的高低，只有含灰量相同的天然瀝青才可以用軟化點(diǎn)來反映它們的氧化聚合程度，即組成情況。天然瀝青主要特點(diǎn)：1、含氮量高，一般為3%左右，較普通瀝青高出幾倍至幾十倍不等。在天然瀝青中，氮元素以官能團(tuán)形式存在，這種存在使天然瀝青具有很強(qiáng)的浸潤性和對

5、自由氧化基的高抵抗性。具體表現(xiàn)就是瀝青粘度增大，抗氧化性增強(qiáng)，特別是與集料的粘附性及抗剝離性得到明顯改善。這有別于摻加有機(jī)胺類提高瀝青與集料的粘附性。2、天然瀝青具有“半聚合”的作用。天然瀝青的分子量很大，當(dāng)它溶于基質(zhì)瀝青后，在高溫及小分子包圍作用下，造成天然瀝青大膠束的破裂，使其暴露出許多活性點(diǎn)，而這些活性點(diǎn)迅速與小分子結(jié)合形成這種半聚合作用。它與有些樹脂發(fā)生交聯(lián)、聚合反應(yīng)足以證明這一作用的存在，這也為它與其它物質(zhì)作為復(fù)合改性劑提供了極有價值的依據(jù)。3、天然瀝青具有很好的耐候性。這是因?yàn)樗刮⑸锴治g作用很強(qiáng)，并具有在自由表面形成致密光亮保護(hù)膜的特點(diǎn)。但內(nèi)部灰分物質(zhì)并不亮，而且很粗，這也是天

6、然瀝青的屬性。天然瀝青在涂料業(yè)中的使用已經(jīng)證明，天然瀝青的加入極大改善了普通瀝青的耐候性和抗紫外線能力，這將會提高瀝青路面的耐久性，減緩瀝青老化速度，從而延長道路的使用壽命。4、天然瀝青中不含蠟，將其加入高含蠟量的瀝青中會明顯改善瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)。 2其實(shí)天然瀝青在原油狀態(tài)下，并非不含蠟，只是在地殼中長期與各種條件作用，使蠟含量急劇降低，并轉(zhuǎn)化成其它形式存在。當(dāng)它加入到普通瀝青中，會把這種特性在重組中一度程度遺傳給基礎(chǔ)瀝青，進(jìn)而降低石蠟在瀝青中的危害。在美國一些州為改善高含蠟量瀝青的性能，通常加入67%的北美硬瀝青。國產(chǎn)瀝青的蠟含量也很高，如借鑒國外的做法，將會對我國公路建設(shè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)地影響。總之

7、，天然瀝青的特性是由它內(nèi)部組成成份決定的，相同的組成具有相同的物理化學(xué)性質(zhì)，與它的產(chǎn)地?zé)o關(guān)。三、國產(chǎn)天然瀝青的改性應(yīng)用目前國內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用天然瀝青做改性劑，在青馬大橋、江陰大橋、首都國際機(jī)場西跑道、八達(dá)嶺110國道、成渝高速公路資陽段等都使用TLA改性瀝青，效果良好。天然瀝青改性的機(jī)理是：將天然瀝青加入普通瀝青中，由于溫度與小分子溶劑的共同作用，使得天然瀝青這些分子量很大的膠束被破裂，而破裂的膠束上暴露出的許多活性點(diǎn)立刻被普通瀝青中的小分子物質(zhì)所填充、飽和，形成一種全新的組合，最終形成以天然瀝青大膠束分子為中心，普通瀝青小分子填充、包圍的新的方式。實(shí)質(zhì)上是在普通瀝青中加入了大量的非自發(fā)核心物質(zhì)，這

8、個核心的分子量較普通瀝青分子量大，對原基質(zhì)瀝青以小分子量的瀝青質(zhì)為核心的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，其改造程度的大小取決于加入瀝青的分子量大小及氮、氧、硫側(cè)鏈的數(shù)量多少。分子量越大，活性越高，則這種改造程度就越明顯，得到的改性瀝青技術(shù)性能也就越優(yōu)越。為進(jìn)一步研究。我們把5%的國產(chǎn)巖石瀝青原礦加入90號基礎(chǔ)瀝青中并過一下膠體磨，瀝青軟化點(diǎn)從55上升到66，即加入1%的天然瀝青原礦可使基礎(chǔ)瀝青軟化點(diǎn)上升2左右，其效果超過國外同類產(chǎn)品。這說明天然瀝青除分子量大外，它在基礎(chǔ)瀝青中的分散度也影響它改性的效果，分散度越大，則其暴露出的活性點(diǎn)越多，改性作用越強(qiáng)。在做針入度實(shí)驗(yàn)時，普通瀝青會被標(biāo)準(zhǔn)針帶下一部分，而經(jīng)天然瀝

9、青改性后此現(xiàn)象不明顯。普通瀝青觸摸感覺很粘手，但改性后幾乎不粘手，且彈性恢復(fù)很好。這說明基礎(chǔ)瀝青內(nèi)聚力增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新組合。實(shí)驗(yàn)也證明了瀝青從溶膠型向凝膠型結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變是基礎(chǔ)瀝青內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)重組的結(jié)果，且其時間與瀝青的壽命同步。由于天然瀝青特有的生成方式及化學(xué)組分的不同，雖然有些指標(biāo)與SBS改性效果相似， 3但又有自己的特點(diǎn)。目前，對于天然瀝青改性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)普遍使用ASTM D5710-95特立尼達(dá)湖瀝青改性瀝青的技術(shù)要求?，F(xiàn)將WL 、SBS與TLA改性瀝青的試驗(yàn)結(jié)果匯總于表1。SBS及天然改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果項(xiàng) 目 針入度25 延度25 延度10 軟化點(diǎn) 溶解度 （三氯乙烯） 閃

10、點(diǎn)（COC） 彈性恢復(fù) 密度（15） 蠟含量 灰 分 % g/cm3 % %322 1.032 0.7310 95 1.027TFOT后殘留物針入度比 后量損失 延度（25） 延度（15）% % Cm Cm805 006 150 4089.4 -0.08 5267 1.0 10083 0.17 79 1255 50實(shí)測260 10232 7.5-19.5單 位 01mmCm Cm %泰普克90# 6%SBS改性瀝基質(zhì)瀝青 82.1 150 150 45.0 99.85青實(shí)驗(yàn)結(jié)果54.9 68 75 99.810WL改性瀝青實(shí)驗(yàn)結(jié)果50 100 100 53表125%TLA改性 瀝青實(shí)驗(yàn)結(jié)果44

11、 115 26 67 85ASTMD5710-95湖瀝青改性技術(shù)要求40-55 100 77-90為了更直觀說明天然瀝青改性效果，用瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)評價更有價值。我們采用相同集料、級配制成馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)。從結(jié)果上看，密度、空隙率沒有大的區(qū)別，但天然瀝青改性效果馬氏穩(wěn)定度比不改性或SBS改性的要高很多，同時流值也比較大。盡管馬氏穩(wěn)定度與高溫穩(wěn)定性的相關(guān)性不是很好，但穩(wěn)定度的增加不能不認(rèn)為是對高溫穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)。通過車轍試驗(yàn)，能更好證明瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的提高。試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3。瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果級配類型AC-25I型改性情況 90#不改性 6%SBS改性 25%TLA改性密度

12、(g/cm) 2511 2494 24893表2流值(mm) 296 364 477空隙率(%)301 343 370穩(wěn)定度(KN) 1294 1405 1618 表3車轍試驗(yàn)結(jié)果瀝青混合料AC-25I型改性情況 90#不改性 6%SBS改性 25%TLA改性室內(nèi)動穩(wěn)定度（次/mm）880 2670 4390根據(jù)北京公路局1999年進(jìn)行的110國道分別修筑的兩段試驗(yàn)路，分別采用WL和TLA天然瀝青對秦皇島90重交通基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性。TLA的加入量為25，WL加入量為12，試驗(yàn)評價結(jié)果見表4，經(jīng)過分析對比，可以看出WL改性性能很好，尤其穩(wěn)定度明顯的高于TLA，運(yùn)營3年來效果也很好。說明用國產(chǎn)天然

13、瀝青進(jìn)行改性與國外的天然瀝青改性效果相當(dāng)，路用性能優(yōu)良。瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度對比試驗(yàn)結(jié)果 表4項(xiàng) 目 針入度25 延度25 軟化點(diǎn) 瀝青用量 空隙率 飽和度 流值 穩(wěn)定度單 位 01mm Cm % % %90# 基質(zhì)瀝青83 150 47.0 5.12 4.9 73.412WL改性瀝青實(shí)驗(yàn)結(jié)果58 25.2 55.8 5.03 3.7 75.6 3.6 11.7725%TLA改性 瀝青實(shí)驗(yàn)結(jié)果43 39.8 51.5 4.94 3.7 74.9 3.59 10.7501mm 3.26 kN9.41為評價其低溫性能，通過低溫彎曲試驗(yàn)可以看出，國產(chǎn)天然瀝青改性的瀝青混合料的破壞強(qiáng)度及應(yīng)變比SBS改性的數(shù)值大得多。通過凍融劈裂試驗(yàn)也證明，用國產(chǎn)天然瀝青改性后，劈裂強(qiáng)度與SBS改性的值相比，絕對值提高50%左右，這說明國產(chǎn)天然瀝青對提高水穩(wěn)性也有顯著效果。由此不難看出，國產(chǎn)天然瀝青大大改善瀝青的路用性能。四、結(jié)束語TLA改性瀝青在國外很早就開始應(yīng)用，尤其在重交通路段。實(shí)體工程主要有：美國喬治華盛頓大橋、林肯隧道、肯尼迪機(jī)場等；在國內(nèi)，江陰大橋、首都