浅谈岩沥青在公路工程中的应用综述

摘要:本文综述了天然岩沥青改性剂的优良性能,分析了其改性机理,以及应用在沥青混凝土路面的抗车辙、抗剥落、抗老化、抗高温、耐候性作用。通过动态剪切试验评价了改性沥青混合料的特性,展示了岩沥青混合料广阔的应用前景,为在以后公路路面施工中应用岩沥青改性剂铺面时供同行借鉴。

关键词:岩沥青;公路工程;改性剂;应用

岩沥青是石油经过长达亿万年的沉积、变化,在热、压力、氧化、触媒、细菌等的综合作用下生成的硬沥青类物质。在自然条件下岩沥青的物理特性趋近于,其主要成分多为沥青质、胶质或矿物沥青基质。天然沥青作为一种新兴的改性剂,以其优良的技术性能、简单的施工工艺及合理的价格备受人们青睐。

中国已经探明的天然岩沥青矿产资源主要分布于我国新疆克拉玛依的乌尔禾、四川青川等地,有储量丰富的天然岩沥青。近年来,岩沥青在公路工程中应用较多,但仍未形成相应的技术规范及评价体系。因此,非常有必要对岩沥青进一步进行研究,以便推动岩沥青在我国道路铺面工程中的应用。

1 岩沥青的改性机理及相关性质

1.1 岩沥青的改性机理

岩沥青的改性机理是纯沥青和矿物质共同作用的结果。纯沥青的沥青质含量高而油分含量低,当掺入岩沥青到基质沥青中后会使基质沥青组分发生变化,即强极性的沥青质含量增加,而非极性的油分含量减少,极性的增强促使基质沥青胶体颗粒间相互吸引、聚合、交联;其次,矿物质具有很发达的空隙结构,许多空隙深及到矿物质内部,岩沥青矿物质表明粗糙不平,具有极强的吸附自由基质沥青的能力,且岩沥青岩矿的表面及内部均强有力的吸附着纯沥青,形成特殊的沥青。矿物质“共混体”,比普通沥青矿粉胶浆性质更稳定,粘附性及抗剥离能力更强。有研究通过红外光谱图分析岩沥青掺入到基质沥青后是否发生化学反应及是否产生新的官能团,探讨岩沥青与基质沥青的相互作用。经过16次的电镜扫描发现,改性沥青中没有产生新的吸收峰,且峰位也没有出现较大的位移,岩沥青掺入到基质沥青后,属于物理改性,而不是化学反应。

1.2岩沥青的相关性质

1)稳定性强

与聚合物改性沥青相比,岩沥青是石油基的固体,具有与沥青相近的化学结构,与沥青的相容性非常好。混合以后,形成岩沥青与沥青的紧密分子,这种分子既有天然岩沥青的硬度和耐磨性,同时也保留了沥青的韧性。另外,沥青岩自身的软化点非常高,一般在160~175,故利用其制造的改性沥青软化点也非常高,其改性沥青混合料具有非常好的高温稳定性,能明显地提高沥青路面的抗车辙能力。

2)含氮量高

沥青岩中,氮元素以官能团形式存在,这种形式使沥青岩具有很强的浸润性和对自由氧化基的高抵抗性,其他元素的官能团及侧链的存在也共同发育了上述特征。具体表现就是沥青粘度增大,抗氧化性增强,特别是集料的粘附性及抗剥离性得到明显改善。与有机胺类抗剥离剂相比,其抗水损坏能力更稳定而耐久。

3)耐候性强

由于沥青岩常年与自然环境共存,性质特别稳定,沥青岩抗微生物侵蚀作用很强,这是因为它在形成的千百万年过程中,能被侵蚀的都已被侵蚀完了,而且沥青岩有在自由表面形成致密光亮保护膜的特点,这使沥青的自由表面十分光亮,形成了一个天然沥青富集保护层,保护了里面的沥青不被侵蚀。沥青岩的高含氮量,使改良后的沥青粘度更好,也有更好的抗氧化性。这些品质将会提高沥青路面的耐久性,减缓沥青老化速度,从而延长道路使用寿命。

4)改善蜡品质

沥青岩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,并转化成其他形式存在。当它加入到普通沥青中,会把这种特性在重组中一定程度遗传给基质沥青,进而降低石蜡在沥青中的危害。

2 岩沥青的路用特性

1)抗车辙。试验和路用实践证明,岩沥青改性剂可以有效提高沥青路面的抗车辙能力,推迟路面车辙的产生,降低车辙深度和疲劳剪切裂纹的出现。

2)抗剥落。青川岩沥青中,氮元素以官能团形式存在,这种存在使岩沥青具有很强的浸润性和对自由氧化基的高抵抗性,特别是与集料的粘附性及抗剥离性得到明显的改善。

3)抗老化、抗高温。天然岩沥青本身的软化点达到300以上,加入到基质沥青后,使其具有良好的抗高温、抗老化性能。

4)耐候性。以沥青为例,指应用于室外,经受如光照、风雨、细菌等的综合破坏,其耐受能力。岩沥青的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。岩沥青的加入极大的改善了普通沥青的耐候性和抗紫外线能力,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。

3岩沥青改性沥青混合料动态模量试验

本文采用动态模量试验来评价沥青混合料的指标。某四种沥青混合料的动态模量和相位角试验结果如表1所示。从试验结果可知,温度和荷载频率对沥青混合料的动态模量大小有重要的影响。温度升高和荷载频率降低引起动态模量减小,温度降低和荷载频率提高引起动态模量增大。

表1 沥青混合料动态模量试验结果

在一定温度控制下,掺加不同剂量的岩沥青改性剂,对沥青混合料动态模量均有较大的改善。在相同温度和频率下,随着岩沥青掺量的增加,动态模量逐渐增大。当岩沥青掺量达5%时,混合料动态模量满足法国高模量沥青混凝土的标准。

4 结语

岩沥青掺入到基质沥青后,属于物理改性,其与基质沥青之间的混溶性比聚合物化学改性剂与基质沥青的混溶性更优。因岩沥青固有的性质、优良的路用性能及改性沥青混合料的高模量特性,显示了在其在道路铺面工程的广阔应用前景。


参考文献

1.文龙,王晓江,柳浩等.布敦岩天然沥青的材料特性与改性机理分析[J].公路,201l,(6):142-145.

2.李瑞霞,郝培文,王春等.布敦岩沥青改性机理[J].公路交通科技,2011,28(12):16-20

3.催世萍,申全军.不同掺量岩沥青改性剂混合料性能试验研究[J].石油沥青,2010,24(5): 55-59.

 

 

(转载自公路养护技术微信公众号)


2018-04-14

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