查旭东，陈海萍，胡恒武，邓杰元，宋小金，王文强

(1. 长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410114；2. 湖南中大检测技术集团有限公司，湖南 长沙 410125；3. 佛山市路桥建设有限公司，广东 佛山 528313)

岩沥青是一种由沥青物质和矿物质组成的天然固态沥青类物质[1]，在沥青混合料中可起到替代部分石油沥青、矿粉和细集料及改性的作用，故在沥青路面工程中岩沥青得到越来越多的应用[2]。岩沥青在世界范围内分布较广，品种众多。国外的岩沥青有北美岩沥青和布敦岩沥青等，中国的岩沥青有青川岩沥青和乌尔禾岩沥青等[3-5]。大量的研究和应用表明：岩沥青中天然沥青物质聚合度高、性质稳定，且与石油沥青同属石油衍生物，二者配伍性和相容性优良，可起到增黏、增弹作用[6-9]；同时，其矿物质极性强，吸附性好，可起到增韧、增劲作用[10-12]。因此，岩沥青改性可有效改善沥青及其混合料的高温、老化、水稳及耐久等路用性能[13-15]。然而，由于地质、地层、压力、温度及触媒等生成条件的差异，使得不同产地岩沥青中的天然沥青物质和矿物质的组成比例、成分、性质及其改性效果存在着较大的差异，在实际应用中，必须通过对各种岩沥青的性质特点进行针对性研究，才能合理确定适宜的改性掺量和掺配工艺。

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[16]。因此，作者拟通过室内试验对VRA及其改性沥青性能进行研究，以期揭示其性质特点和改性机理，为其路用推广提供参考。

1 VRA原材料及其组成成分分析

1.1 原材料性质分析

VRA呈黑色固态粉末，质地轻软；VRA样品的密度为1.193 g/cm3，含水率为0.62%，溶解度为96.84%。粒径＜2.36 mm 的矿物质通过率为100%，粒径＜1.18 mm 的矿物质通过率为 94.2%。因此，VRA的密度较小，略大于石油沥青的，且溶解度高达 95%以上。表明：其沥青含量(质量比例)高，矿物质颗粒较细，与矿粉级配接近。

1.2 沥青含量及四组分分析

VRA中沥青含量的测试结果见表1。从表1中可以看出，538 ℃和900 ℃燃烧法测试结果分别比离心抽提法的大0.09%和0.53%，其原因是燃烧法的高温煅烧作用会造成少量矿物质分解损失，使其结果略微偏高，但总体相差不大。为更准确地快速测试VRA沥青含量，建议采用538 ℃燃烧法。同时，VRA中天然沥青物质的含量约占 97%，明显高于其他常用的天然沥青的，表明其应用价值更高，并较适宜于湿法掺拌改性工艺。

表1 VRA中沥青含量的测试结果Table1 Test results of VRA asphalt content

采用溶剂沉淀法，测得 VRA中天然沥青物质四组分的含量见表2。与布敦、青川和北美3种常用天然岩沥青及泰普克 A-70#石油沥青的四组分进行对比可知，VRA中沥青质的含量最高(高出约17%)，而其他 3种岩沥青的相当；VRA中沥青质和胶质组成的硬质组分达到83.2%，也是4种岩沥青中含量最高的，且为石油沥青的2.7倍。表明：VRA中的天然沥青是一种聚合度高的硬质沥青。若将其掺入石油沥青中，可使沥青胶体的极性增强，提高沥青的黏性和抗变形能力，从而改善沥青的高温、老化及感温等性能。但因该岩沥青的饱和分和芳香分的软质组分含量较低，对其延展性不利，故其掺量应较常用岩沥青的适当减少。

表2 不同沥青四组分含量测试结果Table 2 Test results of four-component contents for different asphalts

1.3 矿物质组成分析

通过对VRA粉末和经538 ℃燃烧后的矿物质样品进行X射线衍射分析，得到XRD图谱，如图1所示。从图1中可以看出，虽然高含量非晶体结构的天然沥青物质使得矿物质的衍射峰比 VRA粉末的更多、更强，但2种样品的衍射峰一致。表明：VRA经538 ℃燃烧后的矿物质成分并未发生改变，再次证明采用该法进行沥青含量的快速测定是可靠的。由矿物质图谱可以判定：26.6°,29.4°和31.3°衍射峰分别表明VRA中含有SiO2,CaCO3和CaS；25.4°,38.6°,40.7°,48.6°,52.2°和 55.7°等衍射峰则表明VRA中含有CaSO4。结合各衍射峰强表明，VRA矿物质中主要含有 SiO2,CaSO4和 CaS及少量CaCO3，其中：CaSO4和CaCO3均能提高沥青和集料之间的粘附性，增强沥青混合料的抗水损性能。

图1 VRA及其矿物质XRD衍射图谱Fig. 1 XRD diffraction patterns of VRA and its minerals

2 VRA改性沥青性能试验

2.1 改性沥青制备

选用 A-70#道路石油沥青作为基质沥青。根据VRA材料性质特点，参照已有的岩沥青改性沥青制备工艺，通过试配，确定 VRA改性沥青的制备步骤为：①将基质沥青加热融化后，置于150 ℃烘箱中保温备用；②将结团的 VRA适当研磨，并按预定掺量将其投入到融解的基质沥青中，边加热边搅拌；③升温至170～180 ℃，以3 000 r/min的转速对VRA与基质沥青的混合物持续高速剪切 30～60 min，待搅拌均匀后，即制成VRA改性沥青备用。

2.2 路用性能试验

改性制备过程中发现：当VRA掺量(VRA与其改性沥青的质量比，即内掺法)高于 20%时，少量VRA难以与基质沥青混融，改性沥青也丧失了流动性而难以搅拌，故VRA掺量应控制在20%以内。为此，在0%～20%范围内，按5%等步距选取5种VRA掺量，并制备VRA改性沥青进行各项路用性能试验，其结果见表3。

从表3中可以看出，随着VRA掺量的增加，VRA改性沥青的针入度呈递减趋势，135 ℃黏度呈递增变化。其原因是：VRA中含有大量的沥青质和胶质，增加了其改性沥青中的硬质组分，使得改性沥青的稠度和黏度显著增加，从而可极大地改善沥青的抗变形能力；但当其掺量达到20%时，其黏度超过3 Pa·s近70%，难以满足泵送施工要求，即再次表明VRA掺量不应超过20%。同时，VRA改性沥青的软化点呈递增变化，其掺量每增加 5%，软化点平均增幅为5.8 ℃，且与当量软化点接近，变化规律一致，表明其改性沥青的高温性能得到了显著提高。此外，VRA改性沥青的针入度指数随其掺量的增加而逐步增加，呈现较明显的凝胶特征而降低了温度敏感性，提高了感温性能。经TFOT老化后，VRA改性沥青的质量损失缓慢减小，但总体变化不大，而老化后的针入度比快速增长，并明显超出A-70#石油沥青残留针入度比不小于61%的老化性能要求，表明 VRA可显著改善沥青的抗老化能力。

表3 VRA改性沥青路用性能试验结果Table 3 Test results of pavement performances for VRA modified asphalt

将 VRA掺入到基质沥青后，其改性沥青的延度快速下降到10%以下。当VRA掺量为15%时，试件出现了脆断现象；当VRA掺量达到20%时，其延度很小。同时，其改性沥青的当量脆点也呈逐步增大的变化趋势。表明：VRA对沥青的延度影响极大，会导致其低温性能降低。

2.3 流变性质试验

为进一步分析VRA对其改性沥青性能的影响，对 A-70#基质沥青及 VRA 掺量为 5%,10%,15%和20%的 4种改性沥青分别进行了动态剪切流变(dynamic shear rheometer，简称为DSR)试验和弯曲梁流变 (bending beam rheometer，简称为 BBR)试验，其结果分别见表4和如图2,3所示。

表4 VRA改性沥青动态剪切流变性质试验结果Table 4 Test results of dynamic shear rheological properties for VRA modified asphalt

图2 弯曲蠕变劲度与VRA掺量的变化关系Fig. 2 The relationship between bending creep stiffness and VRA mixing amount

图3 弯曲蠕变速率与VRA掺量的变化关系Fig. 3 The relationship between bending creep rate and VRA mixing amount

从表4中可以看出，随着VRA掺量的增加，老化前、后 VRA改性沥青的车辙因子变化规律一致，均呈显著的加速增长趋势，且PG高温等级也随之升高。其原因是：VRA中的高硬质组分提高了改性沥青的黏性成分，显著改善了高温性能，增强了其在高温地区的适用能力。从图2,3中可以看出，3种温度下VRA改性沥青的蠕变劲度均逐渐增加，而蠕变速率则逐渐降低，表明 VRA中的硬质组分使其改性沥青变硬、变脆，提高了其抵抗荷载的能力，但应变松弛能力下降，进而降低了其低温性能，即进一步证明了 VRA对其改性沥青的低温性能有不利影响。因此，建议 VRA掺量不宜超过其改性沥青总质量的15%。除延度指标外，掺量为2%～8%和 8%～15%的 VRA改性沥青可分别达到 A-50#和A-30#石油沥青的针入度、软化点及老化性能等技术指标的要求，故可采用 VRA配制较适合于南方湿热地区应用的低标号硬质沥青。

3 VRA改性机理红外光谱分析

为了揭示 VRA的改性机理，采用红外光谱试验测试分析 A-70#基质沥青、VRA原材料及 VRA掺量分别为10%和20%的VRA改性沥青的化学官能团，得到红外光谱图，如图4所示。

从图4中可以看出，在2 923和2 853,1 598,1 459和1 375及1 030 cm-1附近的吸收峰分别对应着—CH2—对称与不对称伸缩振动、C=C双键伸缩振动、—CH3—中C—H面内弯曲振动及C—O伸缩振动的结果，812 cm-1附近的吸收峰是苯环取代区。

图4 基质沥青、VRA及其改性沥青红外光谱图Fig. 4 Infrared spectrums of base asphalt, VRA and its modified asphalt

同时，基质沥青与 VRA原材料的红外光谱图波形一致，波峰位置也很接近。表明：VRA与基质沥青化学官能团相近，两者可以很好地混融；将VRA掺入到基质沥青后，其改性沥青的红外光谱图波形也与基质沥青及 VRA的相近，即沥青的官能团未发生变化，二者混融后并未发生化学反应，只是简单的物理混融过程。

4 结论

1) VRA质地轻软，呈黑色粉末状；其沥青含量和硬质组分的含量分别高达96.9%和83.2%，具有聚合度高和黏性强等特性，较适宜于湿法掺拌改性工艺；其矿物质粒度与矿粉接近，主要化学成分为SiO2,CaSO4和CaS，并含有少量的CaCO3，因此可增强沥青混合料的抗水损性能。

2) 随着VRA掺量的增加，其改性沥青的针入度指数、当量软化点、当量脆点、软化点、黏度、针入度比、车辙因子及蠕变劲度等均得到了明显提高，而针入度、延度和蠕变速率等均呈显著降低的变化趋势。表明：VRA可有效改善其改性沥青的高温性能、抗老化性能和温度敏感性，但对延展性和低温性能不利。因此，VRA掺量宜控制在其改性沥青总质量的15%以内，并较适合于南方湿热地区配制低标号硬质沥青。

3) VRA及其改性沥青与基质沥青的官能团一致，有着相似的性质，二者可以很好地混融，证实了 VRA对基质沥青的改性只是简单的物理混融，而未发生化学变化。