郭玉霞,于泽友,韩正甲

(1.河北工程技术高等专科学校 土木工程系,河北 沧州 061001;2.河北省公路工程定额站,河北 石家庄 050051;3.河北工程技术高等专科学校 国资办,河北 沧州 061001)

近年来我国高速公路的建设突飞猛进,短短的十几年中就从零开始至今已建成一万多公里。高速公路的大量建成是我国近年来经济发展的必然产物,随着今后经济建设的重点向中西部转移,高速公路建设将会持续加速发展。

目前,我国高速公路大部分都采用沥青混凝土作为路面材料,沥青混凝土作为一种筑路材料有着其他材料不可替代的优点,如施工快捷、造价低廉、行车舒适等,但也有其固有的缺点即性能不稳定。因此提高沥青的路用性能,使沥青路面在不同气候条件下,不同车辆的作用下,都有优秀的表现,是每个道路工作者所面临的任务。

沥青材料性能的提高,目前主要采用在沥青中掺入各种不同性质改性剂的方法来提高沥青性能,下面主要介绍采用天然岩沥青作为改性剂提高沥青性能的情况。

1 沥青的特点

目前路面中使用的沥青,基本上都是石油沥青,是原油经过提炼后的产品。利用化学分析的方法,分析出沥青材料的化学组成非常复杂。为了便于工作,通常是将沥青分成为几个化学性质相近的组来进行研究,即所谓“组分”。一般是将沥青分为饱和分、芳香分、胶质和沥青质四个组分。

沥青质为固态物质,饱和分和芳香分为液态物质,胶质为半固态物质。在沥青中固态的沥青质吸附了半固态的胶质后,形成胶团,分散在液态的饱和分和芳香分中,其中饱和分是一种“胶凝剂”,在这种混合物中,阻止沥青质和胶质从胶团中分离,从而保持了这种胶体结构,因此可以说沥青既不是固体,又不是液体,而是一种胶体。这种胶体由于其组分不一,因此胶体的表征也不一样。

当沥青中沥青质含量很少时,沥青中沥青胶团也较少,沥青胶团由于胶质的胶溶作用,完全分散于芳香分和饱和分的介质中,胶团间吸引力极小或者没有,这种沥青对温度反应敏感,在胶体学说中属于溶胶型。

当沥青中沥青质含量适当时,形成的沥青胶团间有一定的吸引力,因此在温度适宜时,沥青表现为有非常明显的弹性效应,但当变形增加到一定数值后,则又为塑状变形。这种情况属于胶体学说中的溶-凝胶结构型。

第三种沥青的沥青质含量很多,形成的沥青胶团互相接触,形成空间网络结构,这种沥青有明显的弹性效应,称之为凝胶结构。在路用性能上,具有较低的温度敏感性,但低温度变形能力较差。

由于炼制沥青的原油的组成和性质不一样,以及炼制方式的不同,因此沥青中各种成分的含量不一,造成沥青的性质差异较大。

2 天然岩沥青的特点

天然岩沥青是指在自然条件下,经过长期的复杂的变化而形成的一种含有沥青质的天然树脂类物质,这种物质大多是由在岩石裂隙中的石油,经过地壳变化时产生的高温、高压、缺氧的作用发生一系列化学-物理反应而生成的,因此它与地沥青、湖沥青在性质上有较大的区别。主要有以下特点：

1)岩沥青的分子量很大,由几千到一万多,因此软化点很高,从 130℃～270℃。

2)岩沥青纯度较高,很少泥土等杂质。

3)岩沥青的含氮量较多,达 2.5%～7.5%,氮主要以氮茂、氮苯酰氨等官能团存在,因此岩沥青有较强的浸润性和对自由氧化基的高抵抗性。

4)沥青质和胶质含量较高。表 1为大庆原油获得的沥青与北美岩沥青和国产岩沥青组分的比较。

表1 各种沥青组分含量对比表

5)天然岩沥青具有较好的耐侯性,一般沥青在室外暴露较长时间后,由于紫外线的作用,在短短几年的时间里就发生较强的氧化作用,从而使沥青老化变质。而岩沥青目前大多应用于涂料业,用来生产黑漆,用在如自行车等工业用漆上,而这些黑漆在室外条件下,有很长的应用寿命,这表明岩沥青的耐侯性能极好。

6)天然岩沥青对石料的亲和力较强,因为岩沥青中含有较高的氮的含量,相当于在沥青中渗入了抗剥落剂,因此在进行沥青混合料抽提试验时,骨料表面的黑色往往经过几次三氯乙烯的清洗,仍然不掉。

3 天然岩沥青对石油沥青的改性作用

我省在 307国道改建工程中应用北美天然岩沥青作为大港沥青的改性剂用于 SMA路面的施工中。北美天然岩沥青改性国产石油沥青对比试验结果见表 2。

表2 北美天然岩沥青改性国产石油沥青指标检测

试验结果表明,采用北美天然岩沥青改性国产石油沥青效果显著,且改性后沥青与石料的粘附性显著提高。但从延度指标看,大港沥青本身不能满足指标要求,因此用北美天然岩沥青改性的沥青,指标也达不到要求值。

在室内试验的基础上,在 307国道改建工程中应用北美天然岩沥青作为大港沥青的改性剂铺筑了对比试验路段,表 3为沥青混合料现场取样车辙动稳定度试验结果。

表3 在 307国道沥青混合料现场取样车辙动稳定度试验结果

室内试验结果和以后试验路的实际使用均证实了北美天然岩沥青改性国产石油沥青显著效果。值得特别强调的是北美天然岩沥青易熔于国产石油沥青,改性工艺、改性设备相对简单,甚至可以人工添加,更为其推广应用提供了有利条件。

此外,石家庄市交通局也通过立题研究此类岩沥青对国产沥青的改性作用,并在 107国道上铺筑试验路490 m。研究表明：美国 NA-U天然岩沥青用于路面沥青改性,可以明显提高沥青与石料的粘附力,由于其软化点较高,可以大幅度提高沥青路面的热稳定性,因此使用它改性沥青,修筑的路面具有很好的抗变形能;而且 NA-U与石油沥青同基,可以全溶于母体沥青中,改性的技术工艺非常简单,宜于推广应用。其掺配沥青技术性能如表 4所示。沥青混合料(AC-16)性能如表 5所示。

表4 NA-U改性南大港石油沥青技术性能表

表5 车辙试验一览表

我国目前兰州产天然岩沥青,经兰州天历公司试验研究,用国产天然岩沥青改性路用沥青效果显著,其改性沥青性能详见表 6(原沥产为济炼 90#)。

表6 改性沥青性能表

4 天然岩沥青对石油沥青的改性机理探讨

根据有关资料的介绍,天然岩沥青之所以能改进石油沥青性能,主要有以下几个原因：

1)当天然岩沥青加入到石油沥青中时,由于热与分子溶剂的共同作用,大分子量胶束破裂,胶束活性物质为沥青中小分子物质吸附组合,结构内部形成以天然岩沥青为核心的重组,这种重组以加入天然岩沥青分子量大小和内部氮、氧、硫活性的高低决定改性效果。

2)石油沥青中加入天然岩沥青后,由于岩沥青的活性高,分子量大,从而吸附了原沥青中的胶质和沥青质,使沥青胶体中的大小胶束具有最密集的组合,这种密集组合加强了它们之间的作用力,促使基础沥青由溶胶型向凝胶型转化,内聚力明显增强,且结构重组稳定,改性效果不随时间而衰退。

3)天然岩沥青当中含有较高的氮,浸润力强,能与石料良好结合,起到常用的石料抗剥落剂的效果。

4)由于岩沥青是由石油在长期地质演变中形成的,因此它与石油沥青的基础组成相同,当用它来改性路用沥青时,它把本身的稳定性、抗氧化性等优良性能同时传递到沥青中去与沥青基质不会产生相拆,改性沥青性能非常稳定,与采用其他掺加剂,如树脂类、橡胶类相比,有着无可比拟的优越性。

5 结语

天然岩沥青对石油沥青的良好改性效果,已逐步为国、内外公路界所认识和接受,特别是在某些要求较高的工程中,如大跨径钢箱梁上的沥青铺装层,应用效果良好,有其他类改性沥青所不能代替的效果。在我国西部,天然岩沥青储量丰富,因而深入研究和利用天然岩沥青提高公路路面使用性能是符合我国国情、促进西部大开发的战略之举!

[1]沈金安.改性沥青与 SM A路面 [M].北京：人民交通出版社,1999.

[2]SMA性能及指标研究课题报告[R].石家庄：河北省交通科学研究所,2007.

[3]北美硬沥青改性大港沥青课题研究报告[R].石家庄：石家庄市交通局,2007.