为改善或提高沥青的路用性能(如强度和韧性等),我们往往会在沥青混合料中加入各种聚合物、树脂、塑料、炭黑等各种有机或无机材料,这种材料我们统称为沥青添加剂。
沥青添加剂可分为天然沥青类和人工合成类。本期就让我们来了解一下天然沥青吧。天然沥青的形成是石油在自然条件下,经过千百万年在温度、压力、气体、无机物触媒、微生物及水的综合作用下氧化聚合而成的沥青类物质。由于它常年与自然环境共存,故其性质特别稳定,其代表性产品有位于南太平洋印度尼西亚苏拉威西岛东南部布敦岛的布敦岩沥青(BMA)及美国犹太州的北美岩沥青( Gilsonite )。 我国新疆、青海及四川一带也有储量丰富的天然岩沥青。
天然沥青不仅拥有软化点高、沥青质含量高,温度敏感性低、高温性能和抗老化性能优异等特点,还有灰分与沥青吸附性好,抗水损害能力强的优点,缺点主要为加工较困难(尤其是湖沥青、沥青含量高的岩沥青)。在实际应用中,天然沥青在抗车辙、抗水损等性能要求高的地方应用比较广泛。以下为市面上常见的天然沥青品种:
布敦岩沥青(BRA)
BRA产于南太平洋印度尼西亚苏拉威西岛东南部布敦岛,BRA的形成是由于石油渗透在岩层中,经过长期的沉积,承受压力和地质变动而形成沥青岩,经挖掘后破碎而成的细颗粒粉末状,显浅褐色,其中沥青含量约为20%—30%,其余为石灰岩矿物质,最大粒径为小于3mm,不仅细度很细,而且有相当好的吸收沥青的能力;具有加强沥青与集料粘附性作用。在印尼也称为沥青活性剂。(一般掺量在沥青混合料的2%-5%)
目前布敦岩沥青在我国的应用日渐成熟,从2000年开始岩沥青在我国的应用经历了十几年的试验性应用总结,在很多高速、国省道中应用,取得了良好的效果。
北美岩沥青
北美岩沥青是一种纯天然碳氢混合料,储存于美国犹他州东北部垂直的矿脉中,纯度高达99%,沥青质的含量为98%,水分为1%-2%,可与所有传统路面沥青材料兼容。
岩沥青从矿脉中开采出来后,经过压力,水分会自然风干,成为粉末状,再经过去除杂质(作业过程中金属固件产生的杂质),可直接装袋或直接加入搅拌机,易溶解,易与其他沥青混合料混合。
它具有独特的化学结构和物理特性,与其他任何天然或人造沥青物质均不同,比重低,含硫量低,沥青粘度大,抗氧化性强,高温粘度也大、耐久、高温抗车辙、防水、抗老化、低碳环保等特点。岩沥青具体表现就是沥青粘度增大,抗氧化性增强,特别是与集料的粘附性及抗剥离性得到明显改善,而且有别于掺加有机胺类提高沥青与集料的粘附性。粘度高的沥青有利于提高沥青混合料的高温稳定性。
运用于包括挪威的首都城市奥斯路、美国新泽西收费公路收费站和澳大利亚、新加坡、印度尼西亚、日本、法国、德国主要城市街道。岩沥青目前成功的应用于美国20个不同的州和全世界20多个国家,这些区域的道路都承受着高温和重载作用。
湖沥青(TLA)
特立尼达湖沥青是世界上最有名的一种天然沥青,产于南美洲西印度群岛的特立尼达和多巴哥境内的沥青湖。湖沥青估计储藏量达1200万吨。TLA中的物质及化学成分非常稳定,自一百多年前进行首次质量测试至今,测试结果历久不变。TLA大约含53%~55%的地沥青,35%~37%的矿物质细颗粒(灰分,),9%~10%的由有机质和挥发物质合成的水。灰分的主要成分是石英和粘土,非常精细,90%小于0.075mm,44%小于0.01mm。
TLA改性沥青真正在我国大陆大批量使用是从1999年建成江阴长江大桥以后。之后2001年建成通车的珠海淇澳大桥。此外,重庆嘉陵江大桥、钱塘江大桥、东海大桥也采用了TLA改性沥青。
由于天然沥青常年与自然环境共存,性质特别稳定,且通常具有非常优良的路用性能。天然沥青不直接作为一种沥青使用,而是作为人工炼制沥青的改性剂少量掺配使用,形成改性沥青,使之优良的技术性能达到最大的发挥。大量研究与工程实践表明,使用天然改性沥青铺筑的沥青路面,具有高使用寿命、高稳定性、高抗水损与很强的耐微生物侵蚀的能力、很高的抗疲劳强度,显著改善和提高沥青路面性能。
路用性能特点:
1、天然岩沥青软化点高,用其改性可以显著提高沥青路面的高温稳定性。岩沥青自身的软化点非常高,一般在160~175℃,故利用其制造的改性沥青软化点也非常高,其改性沥青混合料具有非常好的高温稳定性,能明显地提高沥青路面的抗车辙能力。
2、天然岩沥青含氮量高,提高了沥青路面的抗水损能力
天然岩沥青中,氮元素以官能团形式存在,这种形式使天然岩沥青具有很强的浸润性和对自由氧化基的高抵抗性,其他元素的官能团及侧链的存在也共同发育了上述特征。具体表现就是沥青粘度增大,抗氧化性增强,特别是集料的粘附性及抗剥离性得到明显改善。与有机胺类抗剥离剂相比,其抗水损坏能力更稳定而耐久。
3、天然岩沥青抗老化能力强,耐候性好,沥青路面更耐久
由于天然岩沥青常年与自然环境共存,性质特别稳定,天然岩沥青抗微生物侵蚀作用很强,这是因为它在形成的千百万年过程中,能被侵蚀的都已被侵蚀完了,而且天然岩沥青有在自由表面形成致密光亮保护膜的特点,这使沥青的自由表面十分光亮,形成了一个天然沥青富集保护层,保护了里面的沥青不被侵蚀。天然岩沥青的高含氮量,使改良后的沥青粘度更好,也有更好的抗氧化性。这些品质将会提高沥青路面的耐久性,减缓沥青老化速度,从而延长道路使用寿命。
4、天然沥青不含蜡,可以改善高含蜡沥青的品质
天然岩沥青在原油状态下并非不含蜡,只是在地壳中长期与各种条件作用,使蜡含量急剧降低,并转化成其他形式存在。当它加入到普通沥青中,会把这种特性在重组中一定程度遗传给基质沥青,进而降低石蜡在沥青中的危害。
5、天然岩沥青改性沥青制造工艺简单,施工方便
天然岩沥青是不流动的颗粒状材料,储存时不会结块,易于加工。制造岩沥青改性沥青施工工艺非常简单,不需新增设备,与改性沥青相比,通常不需要大型的改造设备,从而大大节约了施工成本。
6、由天然岩沥青改性得到的沥青性能更稳定
与SBS等人工改性沥青相比,天然岩沥青是石油基的固体,具有与沥青相近的化学结构,与沥青的相容性非常好,与路面沥青极易相容共存。混合以后,形成天然岩沥青与沥青的紧密分子,这种分子既有天然岩沥青的硬度和耐磨性,同时也保留了沥青的韧性。我国道路建设需要使用好的材料,帮助解决我国不利的气候条件与交通条件导致的水损坏和高温车辙。
7、降低沥青及混合料的温度敏感性,增加在高温环境下的稳定性和抗车辙能力,增加在低温环境下的韧性和抗裂性能,增加降噪性能,增强耐久性,延长使用寿命,按达到相同使用寿命计算,可减少沥青厚度。
8、降低维护保养成本,提高抗水损害能力,抵抗油料及化学品的侵蚀,增强在恶劣环境和繁重交通条件下的正常使用能力。
9、可与其他各种改性剂、外掺剂混合使用,可与聚合物改性剂同时使用,对任何硬度的基质沥青改性应付自如,只要调节不同的比例,即可达到改性目的,岩沥青物理性能优越,具有储运方便、添加工艺简便,低碳与环保的优点。