国产改性沥青的路用性能研究

1、国产天然沥青(WL)改性沥青的路用性能研究倪立宾（河北省道路桥梁养护检测中心 石家庄市 050021）摘要：本文从国产天然沥青对道路石油沥青的改性机理及路用性能出发，利用国产天然沥青(WL)对道路沥青的路用性能改性进行了研究，指出它同进口天然沥青具有良好的性能价格比，是适合我国国情的沥青改性材料。为我国高等级公路建设提供一种质优、价廉、使用方便的道路沥青改性剂。 关键词：国产天然沥青 改性 路用性能 研究一、前言随着高等级沥青路面的发展，对沥青材料的性能也提出了更高的要求，改性沥青的使用越来越多，取得良好的使用效果。目前高等级沥青路面的交通特点是：交通密度大，车辆轴载重，荷载作用时间间歇短，渠

2、化交通等，这些特点造成沥青路面产生严重的车辙和裂缝等病害。这就要求沥青具有抵抗高温变形和低温裂缝这两种互相矛盾的性能。而这是现有沥青生产工艺难以达到的。因此要求在沥青中加入外加剂以改善其技术性能。目前沥青改性剂种类的研究很多，国内常用改性剂有：橡胶类、树脂类、热塑性弹性体类及其它。但对天然沥青的研究及使用的报道还不多，尤其国产天然沥青用于沥青材料改性方面的应用研究更是很少。目前，我们在对国内外改性沥青资料广泛调研的基础上，已经完成一系列国产天然沥青路用性能的室内试验，经研究掺加天然沥青改性剂能使沥青路面材料的性能大大得到改善。根据有关资料显示，我国对天然沥青的需求增加很快，目前进口天然沥青价格

3、一般为5000元/t以上，比较昂贵。经调查现在我国西部青海、甘肃一带发现储存量达3000万吨以上天然沥青矿，已形成万吨的年开采能力，其性质与国外天然沥青相当或更好。所以对于国产天然沥青用于沥青材料改性方面的应用研究很是必要。二、天然沥青的基本特点天然沥青是石油在自然条件下，经过千百万年的时间，在温度、压力、气体、无机物触媒、微生物及水分的综合作用下氧化聚合而成的沥青类物质。由于它常年与自然环境共存，故其性质特别稳定。根据生成矿床的不同，天然沥青分成湖沥青（如特立尼达湖沥青TLA）、岩石沥青（如美国北美硬沥青UINTAHITE）及海底沥青（如印尼BMA）三类。我国西部青海、甘肃一带发现的天然沥青

4、矿属于岩石沥青。由于岩石沥青产生于岩石裂隙中，所受的压力与温度条件要比其他天然沥青高，故聚合程度很高，分子量很大，软化点较高。天然沥青的基本性质取决于它的聚合程度和纯净度，即软化点的高低及灰分含量的多少。一般情况下，软化点越高，其聚合程度越高，平均分子量也越大。需要指出的是，含灰量不同的天然沥青不能用软化点的高低比较其性能之优劣，因为灰分的多少直接影响软化点的高低，只有含灰量相同的天然沥青才可以用软化点来反映它们的氧化聚合程度，即组成情况。天然沥青主要特点：1、含氮量高，一般为3%左右，较普通沥青高出几倍至几十倍不等。在天然沥青中，氮元素以官能团形式存在，这种存在使天然沥青具有很强的浸润性和对

5、自由氧化基的高抵抗性。具体表现就是沥青粘度增大，抗氧化性增强，特别是与集料的粘附性及抗剥离性得到明显改善。这有别于掺加有机胺类提高沥青与集料的粘附性。2、天然沥青具有“半聚合”的作用。天然沥青的分子量很大，当它溶于基质沥青后，在高温及小分子包围作用下，造成天然沥青大胶束的破裂，使其暴露出许多活性点，而这些活性点迅速与小分子结合形成这种半聚合作用。它与有些树脂发生交联、聚合反应足以证明这一作用的存在，这也为它与其它物质作为复合改性剂提供了极有价值的依据。3、天然沥青具有很好的耐候性。这是因为它抗微生物侵蚀作用很强，并具有在自由表面形成致密光亮保护膜的特点。但内部灰分物质并不亮，而且很粗，这也是天

6、然沥青的属性。天然沥青在涂料业中的使用已经证明，天然沥青的加入极大改善了普通沥青的耐候性和抗紫外线能力，这将会提高沥青路面的耐久性，减缓沥青老化速度，从而延长道路的使用寿命。4、天然沥青中不含蜡，将其加入高含蜡量的沥青中会明显改善沥青的各项指标。 2其实天然沥青在原油状态下，并非不含蜡，只是在地壳中长期与各种条件作用，使蜡含量急剧降低，并转化成其它形式存在。当它加入到普通沥青中，会把这种特性在重组中一度程度遗传给基础沥青，进而降低石蜡在沥青中的危害。在美国一些州为改善高含蜡量沥青的性能，通常加入67%的北美硬沥青。国产沥青的蜡含量也很高，如借鉴国外的做法，将会对我国公路建设产生深远地影响。总之

7、，天然沥青的特性是由它内部组成成份决定的，相同的组成具有相同的物理化学性质，与它的产地无关。三、国产天然沥青的改性应用目前国内已经应用天然沥青做改性剂，在青马大桥、江阴大桥、首都国际机场西跑道、八达岭110国道、成渝高速公路资阳段等都使用TLA改性沥青，效果良好。天然沥青改性的机理是：将天然沥青加入普通沥青中，由于温度与小分子溶剂的共同作用，使得天然沥青这些分子量很大的胶束被破裂，而破裂的胶束上暴露出的许多活性点立刻被普通沥青中的小分子物质所填充、饱和，形成一种全新的组合，最终形成以天然沥青大胶束分子为中心，普通沥青小分子填充、包围的新的方式。实质上是在普通沥青中加入了大量的非自发核心物质，这

8、个核心的分子量较普通沥青分子量大，对原基质沥青以小分子量的沥青质为核心的结构进行了改造，其改造程度的大小取决于加入沥青的分子量大小及氮、氧、硫侧链的数量多少。分子量越大，活性越高，则这种改造程度就越明显，得到的改性沥青技术性能也就越优越。为进一步研究。我们把5%的国产岩石沥青原矿加入90号基础沥青中并过一下胶体磨，沥青软化点从55上升到66，即加入1%的天然沥青原矿可使基础沥青软化点上升2左右，其效果超过国外同类产品。这说明天然沥青除分子量大外，它在基础沥青中的分散度也影响它改性的效果，分散度越大，则其暴露出的活性点越多，改性作用越强。在做针入度实验时，普通沥青会被标准针带下一部分，而经天然沥

9、青改性后此现象不明显。普通沥青触摸感觉很粘手，但改性后几乎不粘手，且弹性恢复很好。这说明基础沥青内聚力增强，结构进行了重新组合。实验也证明了沥青从溶胶型向凝胶型结构发生了转变，这种转变是基础沥青内部微观结构重组的结果，且其时间与沥青的寿命同步。由于天然沥青特有的生成方式及化学组分的不同，虽然有些指标与SBS改性效果相似， 3但又有自己的特点。目前，对于天然沥青改性的技术标准普遍使用ASTM D5710-95特立尼达湖沥青改性沥青的技术要求。现将WL 、SBS与TLA改性沥青的试验结果汇总于表1。SBS及天然改性沥青试验结果项 目 针入度25 延度25 延度10 软化点 溶解度 （三氯乙烯） 闪

10、点（COC） 弹性恢复 密度（15） 蜡含量 灰 分 % g/cm3 % %322 1.032 0.7310 95 1.027TFOT后残留物针入度比 后量损失 延度（25） 延度（15）% % Cm Cm805 006 150 4089.4 -0.08 5267 1.0 10083 0.17 79 1255 50实测260 10232 7.5-19.5单 位 01mmCm Cm %泰普克90# 6%SBS改性沥基质沥青 82.1 150 150 45.0 99.85青实验结果54.9 68 75 99.810WL改性沥青实验结果50 100 100 53表125%TLA改性 沥青实验结果44

11、 115 26 67 85ASTMD5710-95湖沥青改性技术要求40-55 100 77-90为了更直观说明天然沥青改性效果，用沥青混合料的马歇尔试验评价更有价值。我们采用相同集料、级配制成马歇尔试件进行试验。从结果上看，密度、空隙率没有大的区别，但天然沥青改性效果马氏稳定度比不改性或SBS改性的要高很多，同时流值也比较大。尽管马氏稳定度与高温稳定性的相关性不是很好，但稳定度的增加不能不认为是对高温稳定性的贡献。通过车辙试验，能更好证明沥青混合料高温稳定性的提高。试验结果见表2、表3。沥青混合料马歇尔试验结果级配类型AC-25I型改性情况 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稳定度(KN) 1294 1405 1618 表3车辙试验结果沥青混合料AC-25I型改性情况 90#不改性 6%SBS改性 25%TLA改性室内动稳定度（次/mm）880 2670 4390根据北京公路局1999年进行的110国道分别修筑的两段试验路，分别采用WL和TLA天然沥青对秦皇岛90重交通基质沥青进行改性。TLA的加入量为25，WL加入量为12，试验评价结果见表4，经过分析对比，可以看出WL改性性能很好，尤其稳定度明显的高于TLA，运营3年来效果也很好。说明用国产天然

13、沥青进行改性与国外的天然沥青改性效果相当，路用性能优良。沥青混合料马歇尔稳定度对比试验结果 表4项 目 针入度25 延度25 软化点 沥青用量 空隙率 饱和度 流值 稳定度单 位 01mm Cm % % %90# 基质沥青83 150 47.0 5.12 4.9 73.412WL改性沥青实验结果58 25.2 55.8 5.03 3.7 75.6 3.6 11.7725%TLA改性 沥青实验结果43 39.8 51.5 4.94 3.7 74.9 3.59 10.7501mm 3.26 kN9.41为评价其低温性能，通过低温弯曲试验可以看出，国产天然沥青改性的沥青混合料的破坏强度及应变比SBS改性的数值大得多。通过冻融劈裂试验也证明，用国产天然沥青改性后，劈裂强度与SBS改性的值相比，绝对值提高50%左右，这说明国产天然沥青对提高水稳性也有显著效果。由此不难看出，国产天然沥青大大改善沥青的路用性能。四、结束语TLA改性沥青在国外很早就开始应用，尤其在重交通路段。实体工程主要有：美国乔治华盛顿大桥、林肯隧道、肯尼迪机场等；在国内，江阴大桥、首都