委内瑞拉岩沥青(VRA)改性剂性能评价

高闻靖， 聂忆华， 欧亚军， 徐利鑫， 宋小金

(1.湖南科技大学 土木工程学院， 湖南 湘潭 411201； 2.中大检测(湖南)股份有公司， 湖南 长沙 410205)

天然岩沥青在世界范围内分布广、品种多，在沥青混合料中可替代部分石油沥青、细集料和矿粉并具有改性作用[1]，对混合料高温稳定、抗水损能力和耐久性等有良好的改善作用，故在沥青路面工程中得到越来越多的应用[2]。国外对岩沥青研究较早，研究发现岩沥青具有极为稳定的化学结构和力学性能，耐久性也较好[3]；国内对于天然沥青研究起步较晚，目前对北美岩沥青、印尼布敦岩沥青、湖沥青等研究较多，委内瑞拉岩沥青(Venezuela rock asphalt，简称为VRA)产于南美洲委内瑞拉奥利诺科河流域，是一种批量开采时间不长的岩沥青，相关研究和应用甚少[4]。不同产地岩沥青的组成成分、比例、性质及其改性效果差异较大。在实际工程应用推广前，对新型岩沥青自身性能进行全面深入研究，有助于研制高质量的岩沥青改性沥青。本文通过室内试验对VRA岩沥青改性剂的物理、化学等性能从宏观、微观进行全面研究，并与基质沥青掺配，研究VRA改性沥青的技术性能及最佳掺配量。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

试验所用基质沥青为中石化“东海牌”A-70#道路石油沥青，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[5]对其性能进行试验，试验结果见表1。

表1 A-70#基质沥青技术指标项目针入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm延度(15 ℃,5 cm/min)/cm 软化点T/℃135 ℃沥青旋转黏度/mPa·s试验结果66.2≥15051.5455技术要求60～80≮100≮45.0/试验方法T 0604T 0605T 0606T 0625

试验所用VRA改性剂产于南美洲委内瑞拉奥利诺科河流域。在开采过程中，经粗加工将岩沥青捣碎后研磨成黑色粉末，如图1。

图1 VRA原材料粉末

1.2 VRA性能测试方法

对粉末状VRA进行常规物理特性实验，检测密度、含水率、溶解度等性能，并对其进行灰分试验以研究纯沥青含量。采用X射线衍射分析仪(X-ray diffraction，简称XRD)[6]测试VRA的内部原子结构。

1.3 VRA改性沥青制备工艺

结合规程[5]的规定制备VRA改性沥青。本文采用的制备工艺为：制备温度145 ℃、发育时间40 min、剪切时间30 min、剪切速率4 000 r/min。

1.4 VRA改性沥青技术性能试验方法

参考已有岩沥青掺配研究成果，选取0%、4%、8%、12%、16%和20%等6种VRA掺量制作VRA改性沥青。根据规程[5]测试不同掺量VRA改性沥青的25 ℃针入度、软化点、15 ℃延度、135 ℃旋转黏度、离析与集料黏附性等，综合评价VRA改性沥青的技术性能及最佳掺配量。

2 VRA试验结果分析

2.1 VRA的物理特性

VRA试验所得相关物理特性见表2。

表2 VRA物理特性试验结果项目密度(25 ℃) /(g·cm-3)含水率/%溶解度(三氯乙烯)/ %以下筛孔(mm)通过率/%4.75 2.361.18试验结果1.3850.4695.5710010093.8试验方法T 0603T 0612T 0607T 0351

由表2可知：VRA岩沥青的密度较A-70#基质沥青略大。与大部分天然沥青性质一样，经过长期地质作用，天然沥青中的油分等轻物质挥发、矿物质颗粒镶嵌其中，导致其密度稍大于基质沥青。

VRA沥青溶解度试验值为95.57%，不溶物为VRA矿粉颗粒，占4.43%；同时对比沥青灰分结果可知，VRA经过燃烧后的残留物为5.39%，近似于溶解度试验结果。2种方法结果均表明VRA中纯沥青含量较高，占95%以上，与其他天然沥青相比，VRA是一种沥青含量相对较高的岩沥青，表3为几种常见天然沥青纯沥青含量。

通过对VRA粉末进行筛分，得到VRA颗粒级配，1.18 mm以上筛孔通过率接近95%，与矿粉级配相似，表明加工研磨后的VRA可作为一种矿粉直接对沥青混合料进行改性。

表3 几种天然沥青纯沥青含量材料名称纯沥青含量占比/%委内瑞拉岩沥青(VRA)90～95布敦岩沥青(BRA)20～30阿尔巴尼亚岩沥青(ARA)70～85特立尼达湖沥青(TLA)60～70青川岩沥青80～90新疆岩沥青95～99

2.2 VRA的XRD衍射特性

采用X射线粉末衍射仪(D8-Advance)测试、Jade软件分析矿物质组成结构，得到VRA粉末的XRD衍射图谱，如图2所示。

图2 VRA粉末的XRD衍射图谱

由图2可知，X射线粉末衍射图在26.6°、29.4°位置处出现较强衍射峰，说明VRA中存在SiO2和CaCO3；在31.7°、35.9°位置处出现衍射峰，说明VRA中存在CaS和Ca(OH)2；在40.8°、48.5°等位置处出现衍射峰，说明VRA中存在CaSO4。由此可知，VRA矿物质中主要化学成分为CaSO4、CaS、SiO2，并含有少量的Ca(OH)2和CaCO3，推断矿物杂质主要是由云母、石英、方解石及硫酸盐类物质组成。由于矿物质中CaCO3呈碱性，且CaSO4是石膏的主要成分，故VRA作为改性剂时可提高沥青与集料的黏附性，进而提高沥青混合料抗剥落能力。

3 VRA改性沥青技术性能

表4为不同掺量VRA改性沥青的技术指标试验结果。图3为不同掺量下VRA改性沥青的技术指标变化规律图。

由表4、图3可知：

1) VRA改性沥青针入度随VRA掺量增加呈指数关系减少，说明VRA改性剂的加入可有效增加基质沥青的硬度、黏度，提高基质沥青的高温稳定性和抗变形能力。

2) VRA改性沥青135 ℃旋转黏度值随VRA掺量增加呈指数关系上升，且增长速率越来越快。当VRA掺量大于16%时，135 ℃旋转黏度不满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[7]中不宜大于3 000 Pa·s的规定。沥青黏度越大，其沥青路面抗剪切能力越强，施工难度越大，故VRA掺量不宜大于16%。

表4 不同掺量VRA改性沥青的技术性能VRA掺量/%25 ℃针入度值/0.1 mm软化点/℃15 ℃延度/cm135 ℃旋转黏度/mPa·s离析软化点差均值/℃黏附性等级066.251.5>150.04450.14447.256.132.76550.25833.261.77.71 1500.651226.165.96.81 8601.341620.571.73.23 1501.832015.678.11.75 3232.23

图3 不同掺量下的VRA改性沥青技术指标变化图

3) VRA改性沥青软化点随VRA掺量呈线性关系增加，表明掺入VRA后，夏季温度较高时可避免沥青路面变软，可有效改善基质沥青高温抗车辙能力。

4) VRA改性沥青延度随VRA掺量增加呈指数关系下降，当VRA掺量高于8%时，延度值均低于8 cm，且随掺量增加趋近于0。

5) 同聚合物改性沥青一样，VRA改性沥青会产生不同程度的离析。离析软化点差值随VRA掺量增加呈线性增加，说明VRA掺量越大、离析越大。所选掺量范围内其离析软化点差值最大为2.2 ℃，满足改性沥青离析软化点差值不超过2.5 ℃的规范要求[7]， VRA改性剂与基质沥青相融性满足要求。

6) VRA改性沥青黏附性等级随VRA掺量增加先升后降，4%～8%VRA改性沥青黏附性等级提高到5级，表明黏附能力最佳；当VRA掺量为8%～20%时，VRA改性沥青黏附等级随VRA掺量的增加而有所下降。

4 结论

1) VRA改性剂为一种黑色粉末，密度为1.385 g/cm3，颗粒级配与矿粉相似，纯沥青含量约占95%，是一种沥青含量较高的岩沥青。

2) VRA改性剂矿物质化学成分由SiO2、CaCO3和CaSO4及少量的CaS和Ca(OH)2组成，其主要物质为云母、石英、方解石及硫酸盐类，矿物质显碱性，可较好提高基质沥青的抗水损能力及其黏附性。

3) 随VRA掺量增加，VRA改性沥青针入度与延度呈指数减少、135 ℃旋转黏度值呈指数上升、软化点与离析软化点差值呈线性关系增加、与集料黏附等级呈凸型抛物线变化，综合分析4%～8%VRA改性沥青技术性能指标较好，是一种较优质的岩沥青改性沥青材料。