天然岩沥青由一定含量的沥青物质和矿物质组成,由于其具有良好的路用性能,在国内外诸多道路工程中都对其进行了研究与应用,取得了可观的社会与经济效益。

　　 由于天然岩沥青种类和矿脉生成地域的不同,其技术性能差别较大,即使同一矿脉不同批次的岩沥青产品其性能也相差甚远,这种客观存在的原料成分稳定性不足的缺陷,易导致拌制的沥青混合料发生体积特性及物理力学性能的变化,从而影响工程质量。布敦岩沥青(简称BRA)产于高温多雨的印度尼西亚苏拉威西省东南部布敦岛,是在我国研究应用较多的一种天然岩沥青,其组成成分较复杂,微观形态结构为微孔隙发达的“沥青-矿物”共混体,沥青物质(简称RA)含量为18%～28%,矿物质(简称BR)含量为72%～82%。由于BRA独特的材料属性,本文遵循技术指标合理可靠、检测评价方法便捷、有效保障工程质量的原则,对其原材料质量控制和检测技术进行了系统研究,提出了合理可行的评价指标与技术要求。本文可为实际道路工程研究、设计、检测、施工提供技术支撑和参考,做到“有据可依”。

　　 按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定,利用三氯乙烯溶解度法和燃烧抽提法,分别对BRA样品的沥青含量进行了检测,试验结果如表1所示。

　　 由表1可知:两种试验方法测定的BRA沥青含量差别很小,进行计算时取两者的平均值作为BRA的沥青含量。本次测定的沥青含量为28.2%,矿物质含量为71.8%。

　　 按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中矿料级配检验方法的规定,采用标准方孔筛对BRA原料样品及燃烧法后抽提后的活性矿物质级配进行检测,试验结果如表2所示。

　　 由表2可知:BRA原料在公称最大粒径2.36mm和关键筛孔1.18,0.3mm的通过率均较高,分别达90.5%,79.3%和48.1%,满足BRA产品对级配组成的要求。这表明,试验所采用的BRA产品中的微颗粒和中颗粒含量高而细颗粒含量低,级配较细,当用作改性剂时能良好地吸附基质沥青并达到均匀弥散的改性效果。

　　 按JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》中细集料含水率试验方法的规定,对BRA的含水率进行了测试,检测结果为8.8%。如此高的含水率如不进行严格控制,进行配合比设计和混合料生产时将直接影响体积特性与工程质量。BRA原料含水量较高,主要是由于在长距离的海上运输和长时间的储存过程中发生了潮吸作用。因此,配合比设计和混合料生产前,应先将其置于(105±5)℃恒温环境中烘烤4～6h至恒重使其含水率<2%方可使用。

　　 按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中沥青蒸发损失试验方法的规定,将烘至恒重的BRA原料置于(163±1)℃薄膜烘箱中保持5h后,测得BRA的加热损失率很小,试验结果仅有0.43%。试验结果也更加证明BRA具有良好的热稳定性,在遭受高温作用时不易发生流变迁移失稳而保持稳定。

　　 按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中沥青闪点试验的规定,采用克利夫兰开口杯法对BRA样品的闪点进行测试。进行克利夫兰试验时,会发现当杯壁附近的BRA发生焦糊、冒烟表面温度很高时,其他地方尤其是中间位置的BRA温度却相对较低且无很大变化,当BRA有火花产生时,实测发现杯中央A点的BRA温度仅为183.3℃,B点温度为208℃,而杯壁附近C点的BRA温度已达到245℃,温度离析高达60℃,如图1所示。

　　 产生这种现象的原因主要是BRA中高含量的固体矿物颗粒的存在致使其整体传热不均而引起,用此方法测定的温度作为BRA的闪点以控制施工安全性其合理性值得探讨。这种现象表明:传统的克利夫兰开口杯法对于评价道路石油沥青和聚合物改性沥青适用,而对于测试BRA这样具有高含量矿物质的固体粉末颗粒并不适用。

　　 因此,为了使BRA的闪点测试更精确,在克利夫兰开口杯法的基础上加入搅拌装置,即BRA试样在开口杯中被持续加热的同时用玻璃棒不断搅拌,使BRA整体受热均匀,不发生温度离析现象,如图2所示。采用改进克利夫兰开口杯法测得BRA的闪点为238.6℃。

　　 按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中沥青密度试验方法的规定,采用比重瓶测定了BRA原料25℃的实测相对密度为1.796,15℃实测密度为1.803g/cm³。试验结果表明,BRA相对密度>1.5,大于道路石油沥青的密度,小于集料的密度,这是由于BRA中复杂的多种成分互相共生融合影响的结果。

　　 首先,按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中阿布森法沥青回收试验方法将BRA中的沥青物质RA抽提出来;其次,按照沥青针入度试验方法和软化点试验方法,对抽提后的沥青物质RA进行测试。25℃针入度试验结果为1(0.1mm),软化点试验结果为90.9℃。

　　 BRA产品是一种高黏度的沥青物质和高含量的活性矿物质的融合体,其用于沥青混合料的主要目的是使沥青黏度增大、软化点提高、温度敏感性降低,促使基质沥青改性,达到优质的路用性能。这其中的贡献主要由BRA中的沥青物质来完成,它通过改变基质沥青的组分构成,即大大提高沥青物质含量,而降低油分含量来实现。

　　 如果BRA中沥青物质含量过低,则基质沥青的改性效果便不明显,也就不能达到预期的优质路用效果。因此,BRA中的沥青含量是一个与路用性能极其相关的重要技术指标,也是BRA原材料稳定性和质量好坏的关键指标,在路面工程的应用中应对其最低值有所限制。以三氯乙烯溶解度法或燃烧抽提法为评价方法,结合试验和国内外工程应用经验,BRA在沥青混合料中用作改性剂时其沥青含量应控制在≥25%。

　　 BRA在天然状态下是一种粒径较大的固体矿石,当以改性剂用于沥青混合料时,必须考虑BRA的最大粒径对改性效果均匀分散性的影响。因为如果BRA产品的粒径过大,其在混合料中便不能均匀地分散,BRA也就不能与基质沥青良好地融合,对基质沥青的改性效果便不显著。因此,在路面工程中使用前应先将BRA除去杂质后经破碎、烘干、筛分后才能使用。以方孔筛的筛分试验为基准,为确保优质的路用性能而又不至于浪费过多BRA材料,结合试验和国内外经验,BRA的颗粒最大粒径为4.75mm,公称最大粒径为2.36mm。

　　 有了最大粒径的限制还不足以控制改性效果,因为即使BRA产品的最大粒径满足要求,也不能保证BRA改性沥青的状态是处于最佳的均匀弥散状态,这是由于没有考虑BRA的级配搭接对改性效果的影响。理论上,最佳的理想改性效果是每个沥青分子与每个BRA颗粒都相接触、融合、裹覆且均匀分散、稳定共存。

　　 基于对理想的改性效果的追求,按照粒径相近的原则以0.3mm和1.18mm筛孔为界限将BRA颗粒再细分为3个粒组:细颗粒(1.18～4.75mm)以X表示,中颗粒(0.3～1.18mm)以Y表示,微颗粒(0～0.3mm)以Z表示。BRA中的微颗粒Z在吸附基质沥青并形成均匀分散的理想改性胶浆中起主导作用,中颗粒Y对基质沥青的吸附和改性胶浆的均匀分散状态的形成起辅助作用,细颗粒X对均匀分散的理想改性效果的形成贡献最小。当BRA中的细颗粒含量X值过高,而微颗粒含量Z过低,BRA级配组成过粗时,将BRA按比例掺入基质沥青中,即使在高速剪切作用下,也只有部分BRA颗粒外边缘能与基质沥青接触,并不能达到每个BRA颗粒都能与基质沥青分子相融合的最佳状态,也就不能形成分散均匀的改性效果;反之,当微颗粒含量Z较高,而细颗粒含量X较低时,BRA级配组成很细时,BRA颗粒的比表面积增大,吸附基质沥青的能力提高,而且在高速剪切作用下,易于分散,且能保持均匀稳定状态,达到最佳改性效果。然而,实际工程应用中没有必要逐一将全部的BRA颗粒都磨成微颗粒状,这样既浪费了材料又增加了加工费用,只需对BRA级配组成中的细颗粒、中颗粒和微颗粒的含量比例加以调控,满足一定技术要求,便能使混合料达到理想的改性效果。

　　 基于上述理论构想并借鉴胶体科学理论和贝雷级配理论思想,若要使BRA改性沥青达到均匀分散的理想改性效果,首先,必须保证微颗粒在中、微颗粒中含量≥60%,即微颗粒占主导优势;其次,还应确保中颗粒在细、中颗粒中含量≥60%,即中颗粒占次主导优势,即如下所示:

　　 式中:X=1-P_1.18;Y=P_1.18-P_0.3;Z=P_0.3;P_0.3为0.3mm方孔筛通过率;P_1.18为1.18mm筛孔通过率;X为细颗粒含量;Y为中颗粒含量;Z为微颗粒含量。

　　 求解式(1)可得:X≤1%,Y≥31.6%,Z≥47.4%,即BRA中微颗粒含量应确保≥47.4%,中颗粒含量≥31.6%,而细颗粒含量≤21%;按95%保证率对应分别为45.03%,30.02%,19.95%,四舍五入取整为45%,30%,20%。BRA原料的级配组成质量控制技术要求如表3所示。

　　 BRA原本不含水分,但会因为开采、运输、储存等过程而发生潮吸致使其内部含水率增大。BRA中过高的含水率会降低混合料的改性效果,使用时对含水率指标的最大值应加以限制。结合试验和国内外相关经验,BRA用于沥青混合料时,其含水率应≤2%。

　　 BRA被用作沥青混合料的改性剂时,无论是以“干法”工艺,还是以“湿法”工艺,期间都要经受高温拌合、压实过程,为了保证BRA改性沥青混合料的性能达到预期设计要求,这就要求BRA高温下仍能保持恒定,内部成分不发生蒸发损失。因此,BRA的高温加热损失指标也是一个与路用性能相关的重要指标。结合试验和国内外相关经验,BRA的加热损失率应≤2%。

　　 BRA是一种天然沥青岩矿,其含有的沥青物质属有机混合物,随着温度的升高,BRA中的纯沥青会逐渐软化、流动,达到一定温度时它会产生火花甚至燃烧。工程应用中为了确保施工安全性,应对BRA产品的闪点指标加以限制。结合试验和国内外相关经验,应采用改进克利夫兰开口杯法进行闪点试验,BRA的闪点应≥230℃。

　　 密度是表征BRA产品物理特性的重要指标,工程应用中也要对其有所限制,否则会影响混合料整体的毛体积密度和理论密度。结合试验和国内外相关经验,BRA的密度范围为1.6～1.9g/cm³。

　　 BRA经抽提后的沥青物质RA的性能是改性成功的最重要因素,其针入度、软化点的高低直接影响基质沥青的性能,应对其加以限制。结合试验和国内外相关经验,BRA抽提后纯沥青的针入度为0～5(25℃,0.1mm),软化点≥90℃。

　　 1)以三氯乙烯溶解度法或燃烧抽提法为评价方法,实测BRA的沥青含量为28.2%,矿物质含量为71.8%,并提出BRA在沥青混合料中应用时其沥青含量应控制在≥25%。

　　 2)BRA在2.36mm的通过率应为90%～100%,1.18mm的通过率应≥80%,0.3mm的通过率应≥45%。关键筛孔2.36,1.18,0.3mm的实测试验结果为90.5%,79.3%,48.1%,满足对级配组成要求。

　　 3)由于潮吸作用导致BRA原料含水率较高,实测试验结果高达8.8%。进行配合比设计和混合料生产时,应先将其置于(105±5)℃恒温环境中烘烤4～6h至恒重,使其含水率<2%方可使用。

　　 4)BRA加热损失率较小,实测试验结果为0.43%,具有良好的热稳定性。

　　 5)传统克利夫兰开口杯法进行闪点试验时会发生温度离析现象,离析温度差值>60℃,无法进行客观评价。提出了改进克利夫兰开口杯闪点试验方法,闪点指标要求≥230℃,实测BRA的闪点为238.6℃。

　　 6)采用比重瓶法实测BRA 25℃的相对密度为1.796,15℃密度为1.803g/cm³,BRA在25℃密度要求为1.6～1.9g/cm³。

　　 7)抽提后沥青物质RA的针入度技术要求为0～5(25℃,0.1mm),软化点应≥90℃。实测试验结果为:针入度1(25℃,0.1mm),软化点90.9℃。