岩改沥青性能分析及改性机理研究

2018-11-20 15:42:25 中城华宇
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摘要:岩沥青是一种天然沥青,可以作为改性剂,制备岩改性沥青。岩改沥青已经在道路工程中得到广泛应用,而且人们正尝试着扩大岩沥青的应用范围。但是岩沥青的产地不同,其组成成分亦不同,对沥青的性能影响也不同。该文通过对青川岩沥青进行组分分析,对岩沥青中的杂质进行X射线衍射矿物成分分析和应用电感耦合等离子体发射光谱仪进行元素成分分析,探究了岩改沥青的改性机理。试验结果表明:通过四组分分析,得出岩沥青中沥青质、杂质含量高,杂质矿物成分主要为碳酸钙;与基质沥青相比较,岩改沥青的高温性能好,能提高与酸性集料的黏附性。

 

关键词:岩沥青;岩改沥青;组分分析;矿物成分;X射线衍射

 

天然岩沥青是一种重要的沥青改性剂,其软化点高,具有良好的路用性能。国外关于岩沥青在沥青路面工程中的研究和应用已取得了大量成果,而国内关于岩沥青的研究和应用仍存在一定的不足。国外多采用北美岩沥青和布敦岩沥青,国内的具体路况和相关条件与国外存在一定的差异,使得国外大量的研究成果无法直接应用于国内道路工程。

 

同时,中国已经探明的天然岩沥青矿产资源主要分布在新疆、青海以及四川青川一带,而且储量较大。国内对岩沥青也有一定的研究和应用,相关研究结果表明,用岩沥青作为改性剂,能提高沥青混合料的高温稳定性和水稳定性能,岩改性沥青已经在道路工程上得到了应用。但是,不同产地的岩沥青,其组成成分不同,对基质沥青的性能影响也不同。鉴于目前国内对岩沥青的具体性能研究还存在一定的不足,尤其是对岩沥青改善基质沥青路用性能的改性机理没有进行深入的研究,故该文从岩沥青组分分析和杂质矿物成分分析入手,通过对岩改沥青的性能测试,分析探讨岩沥青作为改性剂改善沥青性能的机理。

 

试验研究

 

岩沥青四组分分析试验

 

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定的沥青试验方法及相应的文献资料,对基质沥青和岩沥青进行四组分分析。因为岩沥青所含组分与普通道路石油沥青不同,所以在组分分析中,所用的溶剂用量不同。岩沥青中沥青质的含量高,所以在沥青质含量测定中,增加了甲苯的用量,并延长了抽提时间。

 

岩沥青杂质的微观表征

 

用X射线衍射的方法对岩沥青四组分分析后剩余的杂质进行矿物成分分析。

 

为了更精确地确定杂质的成分,应用电感耦合等离子体发射光谱仪对岩沥青进行四组分分析后的杂质进行元素成分分析。

 

岩改沥青的制备及性能测试

 

选用青川粉末状岩沥青作为改性剂,以A-70#沥青作为基质沥青,进行岩沥青改性性能试验,目的是评价岩沥青对基质沥青性能的影响。

 

岩改沥青的制备。试验制备岩改性沥青的具体步骤为:首先称取一定质量的A-70#基质沥青加热到160℃;其次按加入岩沥青的比例称取岩沥青,缓慢加入基质沥青中;最后,将加入岩沥青后的改性沥青在160℃搅拌2.5h。制备的岩改沥青在使用前,再搅拌10min。

 

岩改沥青性能试验。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》,测定基质沥青和掺量为5%的岩改沥青的相关指标。

 

采用水煮法,根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行岩改沥青黏附性试验,试验所选用的集料为粒径13.2~19mm的酸性花岗岩碎石,评定花岗岩与岩改沥青的黏附性。

 

结果与分析

 

岩沥青组分分析

 

可以看出,岩沥青中,沥青质、杂质的含量比基质沥青高,而沥青质的存在能改善沥青的高温性能,这也是岩沥青可以作为改性剂制备改性沥青、提高改性沥青及改性沥青混合料高温性能的原因。

 

岩沥青中杂质成分分析岩

 

沥青中杂质的含量较高,而杂质的成分会对沥青及沥青混合料的性能产生重要影响。因此,该研究采用X射线衍射方法对岩沥青四组分分析中的杂质进行矿物成分分析。从X射线衍射图谱上可以看出,杂质的主要矿物成分有碳酸钙、二氧化硅、三氧化二铝和镁橄榄石。

 

为了更精确地确定岩沥青中杂质的成分及含量,应用电感耦合等离子体发射光谱仪对岩沥青中杂质进行元素成分分析。结果进行综合对比分析后可知,对岩沥青进行四组分分析后的剩余杂质中,主要的矿物成分按含量由多到少的顺序分别为:碳酸钙、铁的氧化物、二氧化硅、氧化铝、镁橄榄石。

 

岩改沥青技术指标分析

 

基质沥青、岩沥青掺量为5%的岩改性沥青的常用技术指标测定值。可以看出,加入岩沥青后,沥青的针入度变小、延度变小、软化点升高、密度变大、针入度指数变大、黏度变大。即加入岩沥青后,可以提高沥青及沥青混合料的高温性能,而沥青及沥青混合料的低温性能降低,这主要是由于岩沥青组分与基质沥青组分不同引起的。由岩沥青的四组分分析得出,沥青质的含量比较高,沥青质的存在改善了沥青及沥青混合料的高温性能,而饱和分、芳香分含量的降低及杂质含量的增加,降低了沥青及沥青混合料的低温性能。

 

岩改沥青与酸性集料的黏附性

 

可以看出:加入岩沥青的改性沥青,提高了沥青与花岗岩的黏附性。集料与岩石黏附性的好坏,与岩石的矿物成分有关。岩石根据二氧化硅含量的多少,分成了酸性、中性和碱性。花岗岩属于酸性岩,与普通沥青的黏附性较差,黏附等级为2级。加入岩沥青后的改性沥青,因为岩沥青的杂质中,含有的主要矿物成分为碳酸钙,属于碱性岩类,颗粒较小,所以用它制备的岩改沥青能提高沥青与酸性岩的黏附性,从而提高沥青混合料的水稳性能。

 

综上所述,岩沥青能作为改性剂,制备的改性沥青,能提高其高温性能,主要是由于沥青质的含量高;能提高其与酸性集料的黏附性,是由于杂质中的主要矿物成分是碳酸钙。从组分及矿物成分的角度对改性机理给予解释。岩沥青中的杂质含量较高且在制备改性沥青过程中不熔,制备的改性沥青是不均质体,因此,岩改沥青的性能指标测试方法有待于进一步完善。

 

结论

 

研究主要针对青川岩沥青进行组分分析,对杂质进行了X射线衍射矿物成分分析,应用电感耦合等离子体发射光谱仪进行了杂质元素成分分析,并且通过对岩沥青掺量为5%的岩改沥青的性能进行研究,探讨了岩沥青的改性机理。结论如下:

 

(1)岩沥青的四组分分析结果与基质沥青差别较大,沥青质的含量较高,杂质含量较高,饱和分、芳香分含量较低。XRD和ICP-OES分析表明,岩沥青杂质的矿物成分主要是常见的造岩矿物,如碳酸钙、二氧化硅、氧化铝、镁橄榄石等,含量最多的是碳酸钙。

 

(2)和基质沥青相比较,岩改沥青的高温性能及与酸性集料的黏附性能都优于基质沥青,主要原因为岩沥青中沥青质的含量高,提高了岩改沥青的高温性能;岩沥青中的杂质矿物碳酸钙,改善了沥青与集料的黏附性。