岩沥青资源开发与路用性能研究

岩沥青资源开发与路用性能研究报告简本一、项目背景随着公路交通量的增加和对路面耐久性要求的提高，改性沥青在我国路面工程中应用越来越多。

对沥青进行改性的方法很多，使用岩沥青是其中之一。

岩沥青是石油流入岩石夹缝经过长达亿万年的沉积、变化，在热、压力、氧化、触媒、细菌的综合作用下生成的沥青类物质。

岩沥青是天然沥青中的一种，其他天然沥青还有湖沥青、油砂沥青等，世界上天然沥青资源在3000亿吨以上。

岩沥青生成年代久远，性能非常稳定，北美天然岩沥青等很早在国外路面工程中获得了广泛的应用，国外研究与工程应用认为用于改性基质沥青会提高其路用性能，尤其高温稳定性、抗水损坏和抗老化性能。

在我国新疆克拉玛依的乌尔禾、四川青川等地，有储量丰富的天然岩沥青。

但由于未进行研究，在路面工程上的应用受到了限制。

以本项目主要研究的新疆岩沥青为例，以前的用途主要集中于油漆、油墨等化工行业，而未曾在路面工程中应用。

为开发地方资源，繁荣地方经济，从而达到开发西部的目的，2005年交通部批准了西部交通科技项目《岩沥青资源开发与路用性能研究》(合同号：2005 318 223 05)由交通部公路科学研究院承担，新疆生产建设兵团农七师交通局等单位参加，研究评价国产岩沥青路用性能，解决在路面工程应用中的技术问题，促进国产岩沥青尤其新疆岩沥青在路面工程中的应用。

图1-1 新疆产天然岩沥青二、项目研究内容与工作思路根据研究合同，项目研究的主要目标包括：1）研究、评价和改善岩沥青路用性能；2）研究解决岩沥青材料的工程应用技术。

通过此项目研究，得出面向工程实际应用的岩沥青材料设计与施工技术，使国产天然岩沥青在国内道路工程建设中获得应用，从而促进西部地区资源开发，促进地方经济发展。

本项目围绕新疆乌尔禾地区的岩沥青资源，开展如下研究工作：1)岩沥青资源勘探调查；2)岩沥青成分、性质与改性机理分析；3)岩沥青改性沥青制备工艺、配置方案与技术性能研究；4)岩沥青改性沥青混合料路用性能研究；5)国产岩沥青与国外岩沥青路用性能比较；6)岩沥青路用性能改善技术；7)岩沥青及其改性沥青、混合料的技术要求；8) 岩沥青改性沥青路面施工技术与质量控制方法；9)岩沥青改性沥青路面野外性能等。

研究工作重点主要有三个方面，一是对新疆岩沥青资源进行勘探和调查；二是研究、评价和改善新疆岩沥青路用性能；三是研究解决新疆岩沥青在沥青路面中的工程应用技术。

对于新疆岩沥青资源的勘察，工作思路是委托地质地矿单位进行，包括勘察矿脉的数量和品质、水文地质条件、岩沥青矿开采技术条件、岩沥青总资源量，提交有关勘查成果。

对于国产岩沥青路用性能的评价和改善，研究思路是使用针入度分级评价方法、性能分级评价方法和混合料的不同性能试验，评价岩沥青改性后的高温性能、水稳定性、抗老化性能、强度、施工特性、低温抗裂性能等，并与国外等其他天然岩沥青的路用性能进行了比较。

通过对试验路性能跟踪观测，调查已有岩沥青改性混合料的长期性能，研究岩沥青材料的野外实际路面性能。

通过化学组成和结构的测试，分析岩沥青路用性能改性的机理。

通过复合改性技术的研究实现对岩沥青改性作用的增强和改善。

对于岩沥青在路面工程中的应用技术，围绕岩沥青材料的设计与施工技术，通过资料调研、室内试验、试验路铺筑和性能观测等，研究得出岩沥青的适用条件、改性沥青技术标准、混合料技术要求与方法、施工工艺和质量控制方法等，为国产天然沥青在路面工程中的应用提供依据和指导。

三、主要技术成果1 通过对新疆岩沥青资源勘探调查，取得了如下勘探成果：1) 查明了矿区内有13条矿脉，其中主要可采沥青矿脉9条；2) 查明矿区总体地质构造形态；3) 初步查明矿区范围内可采、局部可采沥青矿脉的露头位置、结构、构造、厚度及分布范围；4) 初步查明了矿区的的采空范围；5) 查明了矿区水文地质情况；6) 勘察得出了矿区内Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ5、Ⅲ1号等八条矿脉的各资源量和总资源量(C+D 级)126200吨，其中332资源量(C级)84581吨。

通过生产地质勘查以及调查工作，较系统地收集了矿区以往工作和开采情况，提交了完备的地质资料和勘查成果图(见下表)。

这些勘探研究成果满足了后续沥青矿生产和资源开发的需要。

表3-1 新疆乌尔禾岩沥青勘查成果图2 通过不同基质沥青掺加岩沥青改性后的针入度分级和性能分级评价试验研究，发现针入度明显减小，软化点和当量软化点增加，60℃动力粘度和粘韧性、韧性增加，动态剪切模量明显增大，抗车辙因子增加，相位角减小，PG高温等级提高，因此说明掺加岩沥青改性可以明显增强沥青的高温稳定性和抗车辙性。

沥青的老化试验表明岩沥青改性后抗老化性能显著增加,温度敏感性明显降低。

离析试验测得岩沥青改性后的软化点差均小于0.5℃，说明在存储情况下性能稳定；135℃的表观粘度完全符合我国现行技术规范与SHRP沥青胶结料标准规范要求，且低于SBS改性沥青，表明其有良好的施工特性。

加入岩沥青后，沥青的延度和当量脆点有所减小，低温蠕变劲度模量均比基质沥青大，低温劲度随时间的变化率m值均比基质沥青小，表明掺加岩沥青在改善高温性能的同时会降低沥青的低温性能，但数据表明其降低幅度很小，因此只要适当的控制岩沥青的掺量，就不会对沥青的低温性能造成大的影响，新疆岩沥青掺量不宜超过15%。

3 对新疆岩沥青进行了元素组成、四组分组成、红外光谱、核磁共振谱、X射线衍射、分子量、胶体大小测试等分析，研究发现，岩沥青中杂原子含量明显高于基质沥青，增强了沥青质和胶质的极性，可以将基质沥青的沥青质也缔合到一起，形成较大的胶核，这种特性使天然岩沥青具有很强的吸附能力和对自由氧化基的高抵抗性，具体表现就是沥青粘度增大，抗氧化性增强，感温性下降，抗水剥离性得到明显改善。

根据沥青的结构数据，建立了岩沥青及其改性沥青的分子结构模型。

天然岩沥青中胶质、沥青质含量较高，有助于改善沥青的高温性能、粘附性和胶体结构稳定性。

分析得出了岩沥青改性后沥青组分与沥青路用指标关系式的回归系数，对指导岩沥青工程应用有重要意义。

4 通过对不同基质沥青不同掺量岩沥青改性混合料的全面性能试验，发现岩沥青改性后混合料马歇尔稳定、动稳定度，且掺量越多幅度越大，高温抗车辙性能改进效果非常明显。

岩沥青改性沥青混合料残留稳定度和劈裂强度比TSR 均明显高于基质沥青，说明混合料水稳定性明显增强。

通过粘附性较差石料的试验发现，岩沥青改性后，可以增强沥青的抗剥离能力，提高其抗水损坏性能。

沥青混合料老化试验表明，老化前后的劈裂模量比岩沥青改性前显著降低，证明了用岩沥青改性可以明显增强混合料的抗老化性能，这与沥青老化试验得出的研究结论是完全一致的。

劈裂试验、小梁弯曲试验和马歇尔试验表明，岩沥青改性后其强度显著增加，因此按我国现行的沥青路面结构设计方法，可知岩沥青改性会增强沥青路面的疲劳寿命或减薄路面厚度，间接验证了沥青混合料疲劳试验的结果。

小梁疲劳试验表明，加入岩沥青后，可以提高沥青混合料的抗疲劳性能，且随着岩沥青掺量的增加而提高。

用我国现行技术规范的低温弯曲试验评价了岩沥青改性混合料的低温抗裂性能，结果表明，随着岩沥青的增加，低温破坏应变会减小，说明低温抗裂性能变差，但其减小的幅度较小。

全面试验的结果表明岩沥青改性后可以提高混合料的高温稳定性、粘附性、水稳定性、老化性能、强度等，因而可以增强沥青路面的抗车辙性能、抗水损坏性能和耐久性等。

岩沥青改性后混合料的路用性能试验结果基本得出与改性沥青评价完全一致的结论，针入度分级试验分析数据、PG分级试验数据和沥青混合料性能试验结果可以相互验证，有力保证了研究结论的可靠性。

5 与国外等其他天然岩沥青的路用性能进行了比较，研究表明不同岩沥青路用性能有完全相同的变化性质和规律：改性后，沥青针入度下降，软化点升高，延度降低，粘度增加，粘韧性增加，老化性能显著提高；沥青混合料的强度、劲度模量、动稳定度增加，疲劳寿命延长，抗水损坏能力增强，而低温抗裂性能略有下降。

但不同岩沥青对上述路用性能的改善程度、幅度有所不同，这是由于不同岩沥青的元素组成比例、化学组分构成比例不同所引起的，改变掺量可以使不同岩沥青达到基本相同的改性效果。

6 综合天然高分子化合物与化工合成高分子聚合物改性的技术优势，通过材料筛选、配方研制和加工工艺等研究，课题组成功研制了岩沥青复合改性添加剂，申请了发明专利(已公告)并实现了中试生产。

其突出的性能优势是更好的抗车辙性能和抗水损坏性能，可以直接在混合料拌制时使用，分散性优于国外类似的添加剂产品，适合在大交通量、重载路段以及高温多雨地区的主干公路使用。

图3-1 研究开发的复合改性剂7 通过三个依托工程的铺筑及性能测试，检验了室内研究得出的有关结论，包括掺加岩沥青改性后的高温抗车辙、抗水损坏性能和混合料设计方法等。

总结了施工工艺与质量控制方法，岩沥青在施工中应用时可以采用“湿法”工艺或“干法”工艺，湿法工艺对搅拌设备有一定要求，干法工艺简单方便，节约施工成本。

岩沥青改性混合料的施工同普通沥青混合料相比，只是温度控制需要调整，运输、摊铺和压实等主要工艺不需要特别调整。

工程实践表明岩沥青具有较好的使用效果，但费用成本要比SBS改性沥青等低，有推广应用价值。

8在山东、河北和北京等调查了宣大高速公路、110国道延庆段、石太高速河北段等十个左右我国早期铺筑的岩沥青试验段，调研了岩沥青改性混合料的长期性能，发现岩沥青改性后，会综合提高路面的使用性能；与相邻SBS改性沥青路段的路面相比，两种改性混合料的野外路用性能基本相当；由于抗车辙性能的明显增加，适于在重载交通路面应用；在低温性能方面，诸多冬寒区试验路调查表明，使用岩沥青改性不存在路面低温裂缝明显增加的情况。

图3-2 重载交通下的岩沥青试验路9 我国现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40－2004）对天然岩沥青应用仅提出了原则性的意见：“4.6.4天然沥青可以单独与石油沥青混合使用或与其他改性沥青混融后使用。

天然沥青的质量要求宜根据其品种参照相关标准和成功的经验执行”。

通过本项目研究及借鉴国内外有关技术标准，提出路用新疆岩沥青产品质量标准、岩沥青改性的针入度分级技术标准和性能分级(PG分级)技术标准，提出了岩沥青改性混合料的设计方法及混合料设计的技术要求，推荐了新疆岩沥青的典型使用范围，推荐最佳掺入量为8%。

基于研究成果，编制了《岩沥青在路面工程应用的技术指南》，对指导岩沥青在我国沥青路面工程上的应用具有重要作用。

四、应用效果与前景岩沥青用于改性基质沥青会提高其路用性能，在国外路面工程得到了广泛的应用。

我国新疆乌尔禾、四川青川等地区也有储量丰富的岩沥青，却应用很少，通过本项目的研究，可以显著地促进国产岩沥青在路面工程的应用，对开发西部地方资源，繁荣地方经济具有重要作用。