2024, Vol. 41扩展功能
文章信息
- 岳建洪, 杨海波, 徐强, 黄迪, 蒋双全.
- YUE Jian-hong, YANG Hai-bo, XU Qiang, HUANG Di, JIANG Shuang-quan
- 岩沥青在路面工程中的应用及性能研究综述
- Review on Application and Performance of Rock Asphalt in Pavement Engineering
- 公路交通科技, 2024, 41(9): 44-59
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2024, 41(9): 44-59
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2024.09.006
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文章历史
- 收稿日期: 2024-01-31
2. 西南交通大学 土木工程学院, 四川 成都 610031;
3. 四川路桥建设集团股份有限公司, 四川 成都 610041
2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031, China;
3. Sichuan Road & Bridge Group Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610041, China
随着中国汽车数量的增加，沥青路面所受荷载不断增大，导致夏季沥青路面车辙病害频发，对行车安全造成严重威胁，并缩短了路面使用寿命。因此在材料选择及结构设计阶段，掺加不同改性剂对基质沥青进行改性是改善沥青以及沥青混合料性能的重要措施。在实际应用中，将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)和丁苯橡胶(SBR)等聚合物作为改性剂添加到基质沥青中，可以起到提升沥青及混合料性能的作用。但聚合物改性剂与基质沥青相容性差，在存储过程中会发生“离析”、“硬壳”等问题，因此寻求一种力学性能、耐久性能与聚合物改性沥青相当，存储性能稳定的沥青改性剂提升路面服役性能是非常必要的。同时，全球范围内原油资源的枯竭、原油精炼工艺的进步、对公路基础设施的需求增加及区域交通环境政策激发了国内外学者寻找沥青的“绿色替代品”[1-2]。
天然岩沥青是地壳深处的原油受温度、压力等综合作用下聚合氧化生成的沥青类物质[3]。岩沥青与基质沥青配伍性好，用作沥青改性剂可以提高基质沥青和混合料路用性能，其灰分组分替代部分矿粉，沥青组分替代部分基质沥青，可以认为是石油沥青的一种“绿色”替代品，用于路面建设[4-7]。
岩沥青的化学组成主要包括灰分、沥青及构成它们的元素，会使岩沥青性质发生变化，进而影响岩沥青改性效果。不少学者利用元素分析仪、X-射线衍射仪分别测定了岩沥青的元素构成和灰分组成[8-10]。为解决大掺量岩沥青易与基质沥青发生离析的问题，有学者研发了一种岩沥青活化湿法加工工艺，获得了性能更好的岩沥青改性沥青材料[11]；众多学者通过三大指标试验、动态剪切流变试验、弯曲梁流变试验、动稳定度试验和低温小梁试验等，从宏观参数(岩沥青种类和掺量)和老化着手，对岩沥青改性沥青和混合料进行了深入研究[12-16]；岩沥青能够改善沥青的高温流变性能，提高混合料的抗高温车辙、抗水损坏及抗老化性能。现有研究主要利用扫描电子显微镜镜和热分析仪，结合红外光谱结果对其改性的微观机理进行探究[14-15, 17-24]。目前，国内外学者对岩沥青的研究已取得不少成果，但由于岩沥青种类和制备工艺的不同，现有研究成果全面但缺乏系统性，不利于扩大岩沥青在路面工程中的应用。
基于以上因素，本研究系统梳理国内外岩沥青研究动态的化学组成与制备工艺，明确不同种类岩沥青化学组分、元素含量差异及工艺效能。全面对比评价国内外岩沥青及复合改性沥青基本物理性能、高低温流变性能和抗老化性能。调查总结岩沥青混合料强度、低温抗裂性能、高温抗车辙性能、抗水损坏性能，并深入探究岩沥青改性机理，展望未来岩沥青材料研究方向，为其在道路材料领域的进一步推广与发展奠定基础，本研究技术路线如图 1所示。
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| 图 1 技术路线图 Fig. 1 Flowchart of research procedure |
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1 岩沥青种类分布及化学组成 1.1 种类分布
岩沥青是在各种自然条件综合作用下生成的沥青类物质，除了沥青外，还含有一定比例的矿物质(灰分)[14, 18]; 同时岩沥青作为沥青类物质，化学组分也有饱和酚、芳香酚、胶质和沥青质四组分。根据产地不同，岩沥青主要包括北美岩沥青(UM)，伊朗岩沥青(IRA)，布敦岩沥青(BRA)，欧洲岩沥青(ERA)、中国青川岩沥青(QC)及新疆岩沥青(XRA)。岩沥青主要分布在亚洲和北美洲地区，不同种类岩沥青形状和颜色并无显著差异[3, 22, 25-28]。
各种岩沥青储量情况如图 2(a)所示。由图可见，UM和BRA已探明的储量大，大于2022年中国石油沥青产量，QC和XRA次之。各种岩沥青在路面工程中的应用占比如图 2(b)所示。BRA已探明的储量较大，且能够很好地与集料粘附[29]，因此现有研究和应用大部分围绕BRA展开，现有关于BRA的相关研究占比为43.9%。
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| 图 2 岩沥青储量及应用占比 Fig. 2 Rock asphalt reserves and application proportions |
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不同产地自然环境差异大，会导致所生成的岩沥青在化学组成上会有较大差异[30]，几种占比较大的岩沥青主要化学元素组成如表 1所示[6, 31]。可见岩沥青含有较多的C元素和H元素，且C元素和H元素的比值较大，这说明岩沥青缩合度很高，而O，N，S元素的含量随沥青种类而变化。目前国内外缺乏对岩沥青组成元素的研究，因此未来可从量子化学角度对岩沥青元素组成及对其性能的影响进行探究。
| 岩沥青 | 元素/% | C/H | ||||
| C | H | O | N | S | ||
| BRA | 79.40 | 7.89 | 2.80 | 1.85 | 0.37 | 10.1 |
| IRA | 84.88 | 5.96 | 1.52 | 0.78 | 3.16 | 14.2 |
| QC | 81.82 | 7.81 | 2.72 | 2.27 | 4.06 | 10.5 |
| XRA | 86.50 | 8.47 | 2.80 | 1.85 | 0.37 | 10.2 |
| UM | 64.90 | 6.84 | 1.40 | 3.30 | 8.04 | 9.5 |
| ERA | 83.64 | 6.28 | 1.71 | 1.93 | 3.59 | 13.3 |
1.2 灰分含量及性能评价
岩沥青在地壳深处经过长达亿万年的沉积、变化，会吸收周围环境中活性矿物，从而形成灰分，各种岩沥青灰分含量如图 3所示[6, 14-17, 32-33]。分析可知，BRA中灰分含量最高，最高可达到76%, 最低为50.9%。现有研究中的BRA灰分含量集中在70%~ 75%；QC灰分含量集中在10%~78%；XRA灰分含量集中在0%~0.5%；UM灰分含量集中在10%~20%。与另外4种岩沥青相比，BRA中含有高灰分。XRA虽然含有的灰分最少，但灰分含量却是岩沥青中最稳定的。
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| 图 3 灰分含量 Fig. 3 Ash content |
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已有研究利用X射线衍射发现BRA灰分化学组成中约有73.8%~85%的碳酸盐，并结合动态剪切流变试验和沥青混合料试验证明了用灰分取代矿粉，能够改善沥青胶结料和沥青混合料的性能[9, 29]。与矿粉胶浆相比，灰分胶浆拥有更大的比表面积，加上发达的微孔隙，会与基质沥青形成稳定、抗剥落能力强的“沥青-矿物”共混体，提高与集料的黏结强度[9, 18, 29]。综上，作为矿粉的绿色替代物，灰分与集料沥青拌和可以增大胶浆与集料的黏附力，提高混合料的抗剥落和抗水损坏能力[18]。所有岩沥青中，BRA含有的灰分最多，为保障最优的替代效果，采用干法工艺制备岩沥青改性沥青混合料时，推荐采用BRA。
1.3 四组分含量及性能评价岩沥青属于石油基固体，化学结构与沥青非常接近[13]，不同岩沥青的沥青含量如图 4所示。分析发现，XRA沥青含量最高，接近100%；BRA沥青含量最低，现有研究沥青含量集中在20%~30%；QC的沥青含量范围较广，可达57.5%~90%。
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| 图 4 沥青含量 Fig. 4 Bitumen content |
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按照四组分划分方法，沥青组成可分为胶质、沥青质、芳香酚和饱和酚。受自然环境条件的影响，不同岩沥青四组分含量差异较大，具体含量如表 2所示[34]。与SK70#相比，岩沥青沥青质较多，而胶质、芳香酚和饱和酚等轻组分含量较少，这是由于岩沥青经过长时间的地质和生物降解作用，轻组分已经很少，只留下分子量较大以及高缩合度的沥青质。胶质含量少会导致沥青黏结力减弱，使低温抗裂性能劣化；而高含量的沥青质会与基质沥青中沥青质形成较大的胶核，从而改善其黏附性、高温稳定性和抗水损坏性[10, 30]
| 沥青种类 | 沥青质 | 胶质 | 芳香酚 | 饱和酚 |
| SK70# | 12.97 | 26.62 | 44.60 | 16.35 |
| BRA | 34.33 | 13.08 | 38.81 | 13.78 |
| IRA | 63.87 | 30.06 | 3.97 | 2.23 |
| QC | 61.17~85.88 | 9.35~31.76 | 2.01~6.43 | 0.17~2.38 |
| XRA | 31.34 | 48.74 | 9.22 | 5.39 |
| UM | 43.62~64.05 | 21.34~30.06 | 9.22~18.32 | 5.39~7.02 |
| ERA | 48.38 | 27.19 | 17.59 | 5.71 |
2 岩沥青改性沥青和混合料制备工艺
岩沥青在路面工程中的可能应用包括3个方面：(1)用作改性剂，采用湿法工艺制备；(2)用作改性剂，采用干法工艺制备，即按照集料、岩沥青、基质沥青、矿粉的顺序加入到拌和锅中，经过拌和得到生产配合比的沥青混合料，然后用于铺筑路面；(3)作为天然沥青的一种，直接替代基质沥青用于路面工程的建设[6, 35]。现阶段研究主要围绕用作改性剂展开，其中湿法工艺与干法工艺在路面工程中的应用比例分别为73.3%和26.7%，未有对岩沥青直接替代沥青的应用研究。
岩沥青用作改性剂可采用湿法或干法制备工艺[6]，2种制备工艺各有优点和缺点，如表 3所示。多数岩沥青可作为沥青改性剂，采用湿法工艺掺加到基质沥青中，改善沥青高温稳定性、抗老化性及水稳定性，如IRA，QC，XRA；但BRA岩沥青在采用湿法工艺时，因含有灰分较多，导致改性沥青性质不稳定，发生离析，也会对沥青低温性能产生不利影响。
| 制备工艺 | 参考文献 | 优点 | 缺点 |
| 湿法 | [19，36-37] | 多数岩沥青改性得到的沥青性质稳定，不会发生离析 | BRA因灰分比例大，会发生离析 |
| 有助于改善沥青的高温稳定性、抗老化性、水稳定性 | 工艺复杂，需要添加专门的生产设备，且成品改性沥青不宜长时间储存 | ||
| 干法 | [1，9，38] | 施工工艺简单，易于操作 | 研磨不细、拌和不均匀、施工变异性 |
| 明显提高沥青路面的高温抗车辙及抗水损坏能力 | 岩沥青与基质沥青融合不充分，会发生离析 | ||
| 对机械设备、质量管理等技术性能的要求更为简单灵活 | 岩沥青中分离的矿物粉粒会降低矿物粉粒作用效果 |
2.1 湿法工艺
湿法工艺是将岩沥青加入到基质沥青中，在一定温度、转速、搅拌和剪切时间条件下用搅拌机和高速剪切机制备得到沥青胶浆，再与集料拌和，工艺流程图如图 5所示。不同岩沥青制备工艺参数不同，不同工艺参数会对沥青胶浆性能产生不同的影响。
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| 图 5 湿法工艺流程图 Fig. 5 Wet process flow diagram |
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不同学者采用湿法制备沥青胶浆所采用的关键工艺参数见表 4。虽然不同岩沥青制备工艺关键参数有差异，但差异并不大，如QC、BRA和IRA，搅拌温度集中在150~180 ℃，搅拌时间控制在15~30 min，剪切转速控制在2 000 r/min以上。分析发现，有些学者在制备胶浆时，为使岩沥青能够充分溶胀，在搅拌和剪切的基础上增加了发育步骤，即将基质沥青和岩沥青的混合物放入设定温度的烘箱中一段时间。综上，现有研究中岩沥青湿法制备工艺路线主要有2条：加岩沥青—搅拌—发育—剪切；加岩沥青—搅拌—剪切—发育。
| 岩沥青种类 | 参考文献 | 搅拌 | 发育 | 剪切 | |||||||
| 温度/℃ | 转速/(r·min―1) | 时间/min | 温度/℃ | 时间/min | 温度/℃ | 转速/(r·min―1) | 时间/min | ||||
| QC | [20, 27, 33, 39] | 150 | — | 30 | — | — | 180 | 5 000 | 60 | ||
| 180~185 | — | 30 | — | — | 160~170 | 3 000 | 30 | ||||
| — | — | 10 | 150 | 60 | 150 | 4 000 | 30 | ||||
| 170 | 5 000 | 30 | — | — | — | — | — | ||||
| BRA | [1, 40-44] | 150 | — | 15 | 160 | 60 | — | 5 000 | 40 | ||
| 120 | 1 000 | — | — | — | — | — | — | ||||
| 150 | 160 | 30 | — | — | — | — | — | ||||
| 160 | 500 | 15 | — | — | — | 2 000 | 20 | ||||
| 140~145 | — | — | — | — | 140 | 4 000 | 10 | ||||
| — | — | — | — | — | 175 | — | 30 | ||||
| 140~145 | — | 25~30 | — | — | — | — | — | ||||
| IRA | [15, 21] | 180 | 800 | 30 | 180 | 60 | — | 5 000 | 30 | ||
| 150 | 3 000 | 30~40 | — | — | — | 5 000 | 10 | ||||
| 165 | 2 500 | 30 | — | — | — | — | — | ||||
| XRA | [45] | 150 | — | 45 | 175 | 60 | — | 5 500 | — | ||
| 150 | 500 | 15 | — | — | 175 | 3 500 | 30 | ||||
| UM | [32] | 155~165 | 1 500 | 30 | — | — | 155~165 | 3 000 | 60 | ||
| — | — | — | — | — | 170~180 | 2 000~4 000 | 30~60 | ||||
BRA因灰分比例大，为达到较好的改性效果，采用湿法工艺改性基质沥青时会采取较大掺量，如10%，15%，20%。掺量过大通常会导致岩沥青与基质沥青发生离析，影响岩沥青最后的路用性能。为解决这个问题，将BRA中的沥青成分单独提取出来用作沥青改性剂。而Li等[11]则发明了一种活化湿法制备工艺，即通过破碎、筛分、过胶体磨等活化预处理提高岩沥青与基质沥青之间的胶合度，进而充分发挥岩沥青的改性能力。活化湿法工艺流程如图 6所示[11]。
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| 图 6 活化湿法工艺流程 Fig. 6 Activated wet process flow |
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2.2 干法工艺
如2.1节所述，湿法虽然能够改善沥青高温稳定性、抗老化性、水稳定性，但存在工艺复杂、需要专门设备的问题，因此在实际工程建设中岩沥青多采用干法施工。干法又被称为直投式或者内掺法，即将岩沥青直接加入到拌和锅中与集料、沥青、矿粉充分拌和得到岩沥青改性沥青混合料，用于铺筑路面。干法工艺流程如图 7所示。整理现有研究发现，各种岩沥青的不同级配沥青混合料干法制备参数较为集中，如布敦岩沥青AC-13，AC-16，AC-20C拌和温度稳定为165~175 ℃，集料和岩沥青的拌和时间控制在60~90 s，沥青拌和时间则固定为90 s[6, 19]。
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| 图 7 干法工艺流程图 Fig. 7 Flowchart of dry process |
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3 岩沥青改性沥青及混合料性能评价
现有研究主要对岩沥青改性沥青常规性能、高低温流变性能及衰减规律进行了评价分析；而岩沥青混合料主要围绕混合料的强度、抗水损坏性能、抗高温车辙性能、抗低温开裂性能及耐疲劳性能开展研究。
3.1 岩沥青改性沥青性能评价国内外对岩沥青改性沥青的性能进行了大量分析与研究，可分为2个方面。一方面是对岩沥青单独改性沥青的性能评价及衰减机理研究，金鑫等[21]对掺量5%~20%的岩沥青改性沥青的流变性能进行研究，并分析其微观特性，评价了改性沥青车辙因子、恢复率和不可恢复蠕变柔量等指标，结果显示岩沥青能够增强沥青的弹性响应和高温流变性能；为了分析比较不同岩沥青复合改性沥青的疲劳特性，Wen等[46]采用应变控制模式分别对岩沥青/SBS、岩沥青/橡胶复合改性沥青进行时间扫描试验，选取Nf50作为沥青疲劳特性评价指标，对不同沥青抗疲劳特性进行研究，发现岩沥青，SBS，CR掺量分别为5%，2%，18%时，复合改性沥青的疲劳寿命明显改善，抗疲劳特性最好。
另一方面，岩沥青可以改善沥青的高温流变性，但对沥青低温性能有不利影响。为此，大量学者研究了岩沥青与其他改性剂复合改性沥青的路用性能。生物沥青为新型绿色可再生材料，掺入到沥青中会改善沥青混合料的低温抗裂性，但对高温抗车辙性能有不利影响。曾梦澜等[47]和祝文强等[48]将岩沥青与生物沥青进行复掺，充分发挥二者的协同作用，对复合改性沥青的常规性能和流变性能进行试验，分析二者之间相关性，推荐在夏炎热冬温潮湿区，复合改性剂的掺量范围为25%~40%；李薇等[49]则用不同掺量的岩沥青和SBS对沥青进行改性，并对其软化点和针入度进行了测定。王淋等[15]探究老化对岩沥青/胶粉及岩沥青/SBS复合改性沥青的影响, 利用动态剪切流变仪对短长期老化状态的复合改性沥青黏弹特征和疲劳性能进行分析研究，发现岩沥青/胶粉复合改性沥青具有较好的高温抗剪切变形能力，长期老化会显著提高2种复合改性沥青的抗疲劳性能，并给出了具有较好抗老化性能的岩沥青/胶粉和岩沥青/SBS复合改性沥青的掺量。本研究总结了近年来国内外学者推荐的各种岩沥青复合改性沥青的掺量[27, 46, 50-51]，如表 5所示。由表可见，目前用于与岩沥青复掺的材料主要可以分为4类：聚合物类，包括胶粉、SBS和SBR等；纤维类，包括玄武岩纤维和木质素纤维等；纳米材料类，包括纳米二氧化硅和纳米气凝胶；油脂类，主要是生物沥青。不同改性剂与岩沥青复掺对沥青改性效果不同，因此复合改性时要确定岩沥青种类，再选择适宜的改性剂及掺量。
| 编号 | 岩沥青 | 改性剂 | |||
| 种类 | 掺量 | 种类 | 掺量 | ||
| I1 | IRA | 4 | 玄武岩纤维 | 6 | |
| I2 | IRA | 5 | 胶粉 | 18 | |
| I3 | IRA | 8 | SBS | 2 | |
| Q1 | QC | 6~8 | 丁苯橡胶 | 20 | |
| Q2 | QC | 6 | 纳米二氧化硅 | 1 | |
| Q3 | QC | 15 | TB胶粉 | 20 | |
| B1 | BRA | 15 | 复合纤维(木质素纤维、聚酯纤维) | 7 | |
| B2 | BAR | 20 | 硅藻土 | 14 | |
| B3 | BRA | 10 | 纳米气凝胶 | 2 | |
| B4 | BRA | 8.2 | 环氧树脂 | 37 | |
| E1 | ERA | 18 | 生物沥青 | 4 | |
| X1 | XRA | 3 | SBS | 2 | |
3.1.1 岩沥青改性沥青常规物理性能
改性沥青常规性能包括针入度、软化点、延度及旋转黏度等，全面调查相关研究动态中岩沥青及复合改性沥青常规物理性能，如图 8所示[27, 48, 50, 52]。
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| 图 8 常规物理性能 Fig. 8 Conventional physical properties |
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由图 8可知，不同岩沥青与复合改性沥青基本性能差异较为显著，可能是不同产地的岩沥青化学组成有差异，加上另外一种改性剂化学组成差异的叠加作用，导致改性沥青性能发生了较为显著的差异。与基质沥青相比，加入岩沥青后，沥青的针入度大幅减小，其中20%的岩沥青掺入到基质沥青后，针入度降低了25%。这说明岩沥青的加入使沥青变硬，由于掺加岩沥青后沥青的沥青质含量会增加，沥青质增多使针入度降低[34]。各种沥青软化点由高到低排序为15%QC+20%TB胶粉，20%BRA +14%硅藻土，8%IRA+2%SBS，20%BRA，18%ERA+4%生物岩沥青；软化点升高幅度分别达到了48.5%，46.7%，31.5%，20.4%，16.3%。这说明在改善沥青高温稳定性方面，BRA单独改性效果不如QC和IRA。
近年来不同岩沥青及岩沥青复合改性沥青延度和布氏旋转黏度试验结果见图 8(b)和图 8(c)。延度试验温度为5 ℃，旋转黏度试验温度为135 ℃。由图 8(b)可见，5 ℃时5种岩沥青及岩沥青复合改性沥青的延度由大到小排序为10%BRA+2%纳米气凝胶，15%QC+20%TB胶粉，3%XRA+2%SBS>70#，20%BRA。135 ℃旋转黏度由大到小排序为20%XRA，20%BRA，8%QC，15%QC+20%TB胶粉>6%QC，1%纳米SiO2，70#基质沥青。这说明加入岩沥青能够改善沥青的高温稳定性，对低温性能会产生些许不利影响，而纳米气凝胶、TB胶粉和SBS均能够提升基质沥青的低温性能，可以与岩沥青进行复掺，综合考虑沥青的高低温性能确定最佳掺量比。
3.1.2 岩沥青改性沥青高低温流变性能国内外学者主要利用动态剪切流变仪及弯曲梁流变仪对岩沥青单独和复合改性沥青的高低温流变性能进行研究。Shi等[27]等探究了不同掺量岩沥青对岩沥青-纳米SiO2改性沥青流变性能，综合考虑流变性能和纳米材料在沥青中的分散状况，给出了6%岩沥青和1%纳米SiO2的掺配比。为改善岩沥青改性沥青低温性能不足的问题，Wang等[52]将橡胶粉掺入到岩沥青改性沥青，对沥青进行复合改性，综合考虑高低温性能最佳，给出最佳掺量组合为6%QC+20%橡胶粉。此外，也有一部分学者对岩沥青改性沥青进行了多重应力蠕变试验，分析恢复率R和不可恢复蠕变柔量Jnr指标后，均得出岩沥青能够增强沥青在高温条件下抵抗较大荷载的能力，使其应力敏感性降低的结论[21]。目前学者对岩沥青改性沥青流变性能进行了大量研究，为此，本研究整理了已有文献中的部分试验数据，如图 9和图 10所示[19, 27, 40-41, 49, 52-58]。
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| 图 9 高温流变性能 Fig. 9 Rheological properties at high temperature |
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| 图 10 低温流变性能 Fig. 10 Rheological properties at low temperature |
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图 9(a)和(b)分别是不同岩沥青及岩沥青复合改性沥青复数剪切模G*和车辙因子G*/sin δ图。由图可知，改性沥青的G*和G*/sin δ随温度的升高而降低，这说明加热后沥青弹性组分减少，抵抗高温变形的能力减少，且随着温度升高，G*和G*/sin δ降低速率减小。以6%QC为例，当温度以6 ℃间隔由58 ℃升至82 ℃时，G*/sin δ分别下降了50.48%，50.21%，48.40%，44.97%。
在温度相同的情况下，增加岩沥青的掺量可以提高G*/sin δ；但温度高于70 ℃时，4%IRA+6%玄武岩纤维，6%QC，6%QC+1%纳米SiO2的复数剪切模量和车辙因子与70#基质沥青差异很小，如4%IRA+ 6%玄武岩纤维在70℃时的车辙因子只高于70#基质沥青23.9%；但15%BRA+6%丁苯橡胶粉则不同，70℃的车辙因子仍然能够高出70#基质沥青249.6%。这证明了岩沥青掺量越大，改善沥青高温流动性的效果越好。结合BRA中沥青含量少的情况，单独改性的效果不如其他岩沥青，这说明BRA更适宜采用大掺量，现有文献中推荐给出的BRA掺量范围为15%~30%[9, 14, 17, 41]。
图 10(a)和(b)是不同岩沥青改性沥青在― 6 ℃和― 12℃条件下的劲度模量和蠕变速率图。对比分析70#，6%QC，6%QC+1%SiO2，在温度为― 6 ℃时，掺加6%的QC后，沥青的劲度模量增加了122.1%，蠕变速率减小了41.9%，劲度模量增加和蠕变速率的减小意味着沥青在低温条件下更易变硬，容易发生脆性破坏，这说明岩沥青对沥青低温性能有不利影响；在岩沥青改性沥青中掺加一定比例的纳米SiO2会使劲度模量减小，蠕变速率增加，这证明纳米SiO2对岩沥青改性沥青低温性能有提升作用。温度为― 12 ℃时，根据Superpave沥青结合料规范可知，6%QC+1%SiO2和15%BRA+6%SBR劲度模量大于300 MPa，蠕变速率小于0.3，而4%IRA+6%玄武岩纤维在― 12 ℃时的劲度模量及蠕变速率仍能满足规范中劲度模量≤300 MPa，蠕变速率≥0.3的要求，这说明4%IRA+6%玄武岩纤维可用于极端低温环境的沥青改性。
3.1.3 老化前后岩沥青改性沥青性能分析对岩沥青改性沥青老化性能的研究主要由郭乃胜课题组开展[21]，对比评价了老化前后5%岩沥青+2% SBS，10% 岩沥青+14% 橡胶粉，12% 岩沥青+14% 橡胶粉，5% 岩沥青+18% 橡胶粉改性沥青的弹性储能模量、黏性损失模量、归一化模量、微观形貌及官能团的变化。研究发现：短期老化RTFOT会劣化岩沥青改性沥青的疲劳性能，而长期老化PAV则会延长岩沥青改性沥青的疲劳寿命；综合功能和老化指标，5% 岩沥青+18% 橡胶粉具有更优的抗老化性能[22]。
Cheng等[45]对不同掺量的新疆岩沥青改性沥青进行了常规性能、温度扫描、多重应力蠕变和BBR试验，采用经验指标对其性能变化进行评价，并着重分析了岩沥青改性沥青老化前后的PG分级，发现岩沥青的加入可以提高沥青的PG高温分级。整理统计了XRA和QC这2种岩沥青短长期老化前后的PG分级，结果如表 6所示[27, 45]。
| 沥青种类 | 掺量/% | 原样 | RTFOT | PAV | |||||
| 高温 | 低温 | 高温 | 低温 | 高温 | 低温 | ||||
| 70# | — | — | — | 64.0 | — | — | 22.0 | ||
| K64 | — | 67.6 | ―27.9 | 72.3 | ―26.3 | 77.4 | ―24.6 | ||
| SBS | 4.2 | — | — | 76.0 | — | — | 22.0 | ||
| QC改性沥青 | 2.0 | 70.0 | ―22.0 | 76.0 | — | — | — | ||
| 4.0 | 70.0 | ―16.0 | 76.0 | — | — | — | |||
| 6.0 | 76.0 | ―16.0 | 82.0 | — | — | — | |||
| XRA改性沥青 | 8.0 | 74.3 | ―25.9 | 74.4 | ―25.1 | 80.6 | ―24.5 | ||
| 12.0 | 81.99 | ―25.2 | 82.0 | ―24.8 | 85.8 | ―23.2 | |||
| 16.0 | 82.0 | ―23.7 | 82.0 | ―22.7 | 87.3 | ―22.3 | |||
| 20.0 | 87.0 | ―19.3 | 88.0 | ―18.6 | 91.4 | ―17.7 | |||
| BRA改性沥青 | 10.0 | — | — | 70.0 | — | — | ―22.0 | ||
3.2 岩沥青改性沥青混合料性能评价
目前，岩沥青混合料主要围绕混合料的强度、抗水损坏性能、抗高温车辙性能、抗低温开裂性能及耐疲劳性能展开。李立寒等[56]研究了UM对软硬沥青复配混合料的增强作用，发现相较与热拌沥青混合料，UM混合料抗车辙性能和耐疲劳性能更强；Lü等[14]采用干法工艺制备掺量为3%(相对于混合料质量)的岩沥青混合料，测试了混合料的耗散能密度、抗弯拉强度和最大弯拉应变，提出从耗散能角度分析，BRA的加入有利于沥青混合料的低温抗裂性能；在温度为60 ℃、轮压为0.7 MPa的试验条件下，Hao等[16]测试了A-70#和7%QC+A-70#沥青混合料的动稳定度，测出A-70#的动稳定度为1 058次/mm，而7%QC+A-70#的动稳定度为1 634次/mm。这说明QC对基质沥青混合料高温抗车辙性能有改善作用，并且推荐QC掺量为7%。基于已有的对岩沥青混合料的研究，整理了部分劈裂强度、抗水损坏性能、抗高温车辙性能及抗低温开裂性能的数据，具体如表 7所示[30, 32-33, 42, 59-61]。
| 混合料类型 | 参考文献 | 抗水损坏性能 | 抗高温车辙性能 | 抗低温开裂性能 | 应用工艺 | 级配组成 | ||||||
| 劈裂强度/MPa | 冻融劈裂残留强度比/% | 残留稳定度/% | 动稳定度/ (次·mm―1) | 破坏强度/MPa | 破坏应变/με | 破坏劲度模量/MPa | ||||||
| AH-70# | [14] | 0.87 | 85.0 | — | 2 206 | — | 2 090 | 3 508 | — | AC-16C | ||
| SK70# | [59] | 0.85 | 75.3 | 88.5 | 1 135 | 5.85 | 2 792 | 2 095 | — | AC-16C | ||
| 4.2%SBS | [14] | 1.05 | 87.0 | — | 4 094 | 8.13 | 2 200 | 3 696 | 湿法 | AC-16C | ||
| 6%UM+A-70# | [32] | — | — | — | 1 724 | — | — | — | 湿法 | AC-13C | ||
| 6%UM+A-70# | [59] | — | 91.5 | 94.6 | 3 491 | — | — | — | 干法 | AC-13C | ||
| 3%BRA+AH-70# | [14, 30] | 1.18 | 87.8 | — | 4 446 | 9.32 | 1 281 | 7 176 | 干法 | AC-16C | ||
| 15%BRA+70# | [42] | 1.16 | — | — | 4 236 | 9.78 | 2 574 | 3 469 | 湿法 | AC-20 | ||
| 8%QC+SK-70# | [33] | 11.36 | 91.5 | 91.6 | 4 332 | 11.19 | 2 727 | 4 103 | 湿法 | AC-13C | ||
| 5%XRA+AH-70# | [60] | — | — | 90.0 | 1 916 | 9.40 | 3 154 | 2 899 | 湿法 | AC-13 | ||
由表 7可见，岩沥青多采用湿法工艺制备沥青混合料，如UM、QC、IRA和XRA。岩沥青产地不同，对沥青混合料的高温性能和抗水损坏性能有不同程度的提升。目前国内外学者对于BRA混合料的应用工艺尚未统一，研究中工艺既有干法也有湿法，分析文献[30]和文献[42]的数据，与湿法相比，可以发现干法混合料的高温抗车辙和强度性能更优异。这说明BRA采用干法工艺，即直接将BRA加入到拌和锅中和集料拌和后，沥青混合料的路面性能更佳。同时总结现有的文献后也发现，目前对岩沥青混合料抗疲劳耐久性的研究缺乏，可作为未来岩沥青材料路用的研究重点。
4 岩沥青改性机理研究目前主要利用扫描电子显微镜、荧光显微镜、傅里叶红外光谱仪和X-射线衍射仪等探究岩沥青改性机理，主要从材料微观形貌、岩沥青灰分组成与化学组成等方面开展研究，取得了大量研究成果。
4.1 岩沥青及改性沥青微观形貌和相态 4.1.1 岩沥青微观形貌原材料微观形貌与改性机理紧密相关，不少学者利用SEM分别对岩沥青中灰分和岩沥青的微观形貌进行观测研究。
岩沥青具有独特而丰富的孔隙结构，尤其是BRA表面形成蜂窝结构，使其与沥青有较大的接触面积，有利于形成较强的吸附能力，显著增强沥青的高温流变性能[14, 19, 62-69]。有学者利用SEM对灰分和矿粉进行了对比分析，发现灰分表面呈蓬松的鳞片状，有较大的比表面积和发达的孔隙结构，但矿粉表面较为平滑致密、无孔隙或是较大的褶皱。由于表面形貌差异，灰分较矿粉更能增强对沥青的吸附作用，从而提升与沥青之间的黏结强度，起到改善沥青混合料水稳定性的作用[18]。
4.1.2 改性沥青微观形貌和相态分布有学者采用扫描电子显微镜和荧光显微镜分对岩沥青/聚氨酯(PU)、胶粉和SBS复合改性改性沥青的微观形貌进行测试[16, 22-24]。发现因岩沥青和基质沥青相容性好，所以改性沥青表面较为光滑平整；当岩沥青与SBS、胶粉等聚合物改性剂复掺后，一方面岩沥青能够改善聚合物与沥青的相容性，聚合物也能弥补岩沥青低温抗裂性能的不足；另一方面岩沥青颗粒也能填充聚合物形成的网状结构，形成交联网络结构，提升沥青热稳定性和抗疲劳性[15, 22]，使岩沥青/SBS在高温和水藕合作用时仍具有较好的改性效果[15-16, 22]。
除了采用聚合物来改善岩沥青改性沥青低温抗裂性能，也有不少学者利用纳米材料来实现这一目的。Shi等[27]研究了不同掺量的QC与纳米SiO2复合改性沥青，综合流变性能得出复合改性沥青中QC最佳掺量为6%，并对最佳掺量下不同质量比的改性沥青微观形貌进行观察，发现当SiO2掺量超过2%后，其会出现团聚现象，导致SiO2无法被充分利用，所以推荐复合改性沥青质量比QC∶SiO2为6∶2。
4.2 灰分矿物组成不少研究发现岩沥青中灰分在改性过程中起着重要作用。为了深入探究其作用机理，有些学者利用X-射线衍射仪测定了灰分矿物组分，并与矿粉进行对比分析。整理已有研究发现，灰分的矿物成分主要是方解石，这一点与矿粉一致。但与矿粉不同，灰分中碳酸岩组分较少，并且存在碱性矿物AI2O3，碱性矿物对酸性石油沥青具有更强的吸附能力，从而改善沥青混合料高温抗车辙性能、抗水损坏性能和抗疲劳开裂性能[18, 9, 29]。
4.3 岩沥青改性沥青化学组成材料化学组成与其性能密切相关，目前国内外现有研究主要采用红外光谱仪对岩沥青改性沥青化学官能团组成进行分析。考虑沥青在自然环境影响下，面临老化的风险，因此，也有学者对岩沥青改性沥青老化前后官能团的变化和抗老化性能进行了研究[70-72]。
4.3.1 未老化岩沥青改性沥青官能团分析基质沥青、岩沥青改性沥青(RAMA)、SBS改性沥青(SBSMA)、岩沥青/SBS复合改性沥青(R/SMA)的红外光谱见图 11)[15, 22]。现有研究表明岩沥青的改性为一个物理过程，过程中没有产生新的峰，只是存在官能团数量的变化[4]。岩沥青/SBS对沥青的改性也是简单的物理共混[15, 22, 24]。
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| 图 11 改性沥青FTIR结果 Fig. 11 FTIR results of modified asphalt |
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4.3.2 老化岩沥青改性沥青官能团分析
王淋等[15]和Wen等[46]对短期老化(RTFO)和长期老化(PAV)前后RAMA和R/SMA的光谱图进行了分析，如图 12所示。发现老化后2种沥青的红外光谱图吸收峰的位置和峰值都发生了变化，且有新的吸收峰生成，如岩沥青中的N官能团在老化后生成酰胺官能团。对比亚砜基指数(SI)和羰基指数(CI)发现，岩沥青能够增强沥青抗老化性能[15, 22]。
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| 图 12 老化后岩沥青改性沥青FTIR Fig. 12 FTIR results of rock asphalt modified asphalt after aging |
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4.4 岩沥青改性沥青热分析
观察同步热分析(TG-DSC)试验中热流量的变化，可以分析岩沥青对沥青热稳定性的影响；同时差示扫描量热试验中玻璃化转变温度也能反映沥青的黏弹成分比例。目前关于岩沥青改性沥青热分析的研究较少，但已有研究证明岩沥青的加入使沥青热失重速率减小，残留质量比增大，显著提高了沥青的热稳定性[21]。岩沥青也会使沥青的玻璃化转变温度升高，改变沥青黏弹比例。这是由于岩沥青中无机成分会与沥青轻质组分结合，导致沥青质含量增大，玻璃化转变温度升高。通过TG-DSC试验发现岩沥青含有的较高分子量物质和化学性质较为稳定的灰分，能够提升沥青热稳定性，但会对沥青低温性能产生不利影响[21]。
5 结论本研究系统梳理国内外岩沥青研究动态的化学组成与制备工艺，明确不同种类岩沥青化学组分、元素含量差异及工艺效能。全面对比评价国内外岩沥青改性沥青及混合料的路用性能，可以得出以下结论。
(1) 岩沥青含有的一定比例灰分(矿物质)能够起到矿粉的作用，其发达的孔隙结构能够与沥青形成沥青-矿物共混体，提高与集料的黏结强度。所有岩沥青中，布敦岩沥青灰分质量占比最高。
(2) 岩沥青改性剂制备工艺分为湿法和干法。2种制备方法各有优缺点，湿法工艺复杂，需要专门设备；干法工艺简单，但岩沥青与沥青融合不充分，岩沥青掺量过大时会发生离析。布敦岩沥青因灰分比例较大，采用用湿法工艺时，将其进行活化处理，以提高其改性效果。
(3) 岩沥青可以提高沥青的软化点、旋转黏度和沥青质组成比例，改善沥青高温流变性能，但对低温流变性能有不利影响。岩沥青可和另一种改性剂复掺，如SBS、胶粉及纳米材料等，以提升沥青低温流变性能。
(4) 不同岩沥青对沥青混合料高温抗车辙、抗水损坏和抗疲劳性能有不同程度的提升。湿法和干法制备工艺对混合料性能影响有差异，在路面工程中采用何种方法进行施工，目前国内外还无统一标准，建议岩沥青在实际应用中结合工程具体条件选择合适的岩沥青种类、制备工艺和工艺参数。
(5) 大量学者利用SEM，FTIR，X-射线衍射仪和TG-DSC对岩沥青改性机理进行研究，发现岩沥青较大的比表面积、发达的孔隙结构及灰分中含有的碱性矿物，增强了对沥青的吸附作用，增强沥青高温稳定性；岩沥青改性过程中没有官能团的产生与消失，属于物理改性；岩沥青会与沥青中轻组分结合，改变黏弹比例，提升热稳定性。
(6) 岩沥青采用湿法掺加到沥青中，可以改善沥青的高温流变性能；采用干法与集料拌和可以提高沥青混合料的抗高温车辙、抗水损坏、和抗疲劳性能。现有研究对岩沥青改性沥青常规物理性能、高低温流变性能和沥青混合料的抗高温车辙、抗水损坏性能进行了大量研究，并探究了改性机理。但路面在服役过程中受到多种因素藕合作用，其路用性能会受到严峻挑战。因此，后续可对岩沥青改性沥青及沥青混合料在复杂环境下性能的衰减规律进行研究，进而拓宽推动岩沥青在路面工程中的应用。
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