天然岩沥青及其改性沥青的应用

1. 天然岩沥青及其改性沥青的应用 潍坊明星工程材料技术研发部 2010-11-8

2. 内容提要 1.公司简介 2. 天然岩沥青的基本概况 3. 青川岩沥青介绍 4. 岩沥青改性沥青 5. 岩沥青改性沥青混合料 6. 业绩展示

3. 一、公司简介 • 四川公司位于广元市青川县白家乡，是以经营天然岩沥青等固体石油能源类新产品为主，是开采、研发和深加工天然沥青矿的高科技民营企业，具有较强的经济实力和长久的发展潜力。 • 四川公司坚持以“科技、环保、创新、发展”为经营宗旨；以“科技创新无限，发展动力之源”为经营理念；以“追求高新科技，制造优质产品，创造民族品牌，做行业示范标准”为经营目的，力争为国家和社会创造最大效益。

4. 矿区介绍 沥青矿 • 公司矿区位于青川县南东148℃方向，直径约28Km，隶属四川省青川县建峰乡、白家乡所辖。四川北部龙门山一带，分布着丰富的天然岩沥青矿资源，我公司已探明储量300万吨，远景储量超过1000万吨。被专家誉为“中国罕见的天然矿体”。

5. 矿区风景

6. 合作模式 由于山东高速青川天然沥青有限公司和我公司为了充分利用资源，发挥各方优势，共建销售网络，推进青川岩沥青开发及应用，在资源、生产加工、销售、技术等方面形成互补，利于长期发展创造最佳效益。经过协商，达成合作。共同推广青川岩沥青，双方经营的品牌分别为NES（CEI为以前的名字，有些资料还在用）和MXA（都是一样的产品，主要介绍MXA）主要产品： 1、MXA140岩沥青（环保增强型） 2、MXA160岩沥青（环保温拌型） 3、MXA230岩沥青（超细纳米型）

7. 二、天然岩沥青的基本概况 • 天然沥青是石油经过历史上长达亿万年的沉积、变化，在热、压力、氧化、触媒、细菌的综合作用下生成的硬沥青类物质。 • 由于常年与自然环境共存，性质特别稳定，但含有一定的土砂类杂质。

8. 岩沥青的形成 • 按形成的环境可分为湖沥青、岩沥青、海底沥青、油页岩等。岩沥青是石油不断从地壳中冒出，存在于山体、岩石裂隙中长期蒸发凝固而形成的天然沥青。由于岩沥青产生于岩石裂隙中，所收的压力与温度条件要比其他天然沥青高，故聚合程度很高，分子量很大，软化点较高。天然沥青的基本性质取决于它的聚合程度和纯净度，即软化点的高低及灰分的多少。一般情况下，软化点越高，其聚合程度越高，平均分子量也越大。

9. 常见的几种天然沥青 • 不同产地的天然沥青的组成、性质具有明显的差别，根据软化点的大小可分为： • 特拉尼达湖沥青 • 软化点大于90℃ 非硬质天然沥青 • 印尼布顿岩沥青 • 软化点70~98 ℃ • 阿尔巴尼亚岩沥青 • 软化点120 ℃ 硬质天然沥青 • 北美硬质岩沥青 • 软化点150~180 ℃ ? • 我国硬质岩沥青 • 我国硬质岩沥青 • 软化点大于200 ℃

10. 我国岩沥青储量分布 • 四川：青川地区，分布着丰富的天然岩沥青矿资源，探明的储量在300万吨以上，远景储量3000万吨。 • 新疆：克拉玛依市的乌尔禾区，储量较小，不易开采。

11. 四川青川岩沥青 • 是在四川省青川县境内发现的，目前已探明储量在300万吨以上，远景储量超过了3000万吨，被专家誉为“中国乃至世界罕见的沥青天然矿体”，储藏量位居全国第一。 秦岭支脉龙门山

12. 天然岩沥青在我国储量丰富，但其地域不同，物性存在着很大的差异。上世纪由于国内缺乏系统研究，无法形成产业化生产，岩沥青在路面工程中一直没有得到大规模推广应用。天然岩沥青在我国储量丰富，但其地域不同，物性存在着很大的差异。上世纪由于国内缺乏系统研究，无法形成产业化生产，岩沥青在路面工程中一直没有得到大规模推广应用。 自2003年始，我公司和山东高速物资集团总公司历经8年连续攻关，通过对岩沥青开发及应用关键技术的综合研究，开启了国产岩沥青应用的先河 在天然岩沥青改性机理、关键掺配技术与工艺、混合料设计和施工质量控制等方面取得了重大突破，形成了系统的高性能天然岩沥青改性沥青应用技术，建立了技术标准体系，实现了产业化

13. 青川岩沥青的介绍 • 四川北部龙门山一带，分布着丰富的天然沥青矿资源，已探明储量300万吨，远景储量3000万吨。这些天然沥青是以分子量高达一万的沥青质为主要的组成成分，其化学构成为碳（C）81.7%，氢（H）7.5%，氧（O）2.3%,氮（N）1.98%，硫（S）4.4%，铝（Al）1.1%，硅（Si）1.8%及其他金属0.87%。其中碳、氢、氧、氮、硫的含量较高，几乎每个沥青质大分子中都含有上述元素的极性官能团，使其在岩石表面能产生强吸附力，实验数据表明其吸附自由能及在硅酸岩、石英岩、石灰石、高岭石和硅铝酸岩表面的吸附能量，都比普通沥青胶质高出数倍，具有良好的抗剥落性能。同时，该天然岩沥青还含有多种能促进石油沥青中的活性基团（羧基、羰基、醛、萘等）交联聚合的有机链，使得掺入该天然沥青的石油沥青分子的排列方式和网状结构（结点和强度）得以改善，增强了沥青内聚力，使其抗流动性、抗氧化性、粘附性和感温性等性能获得明显的改善，尤其在抗车辙方面，更是表现出十优异的特性。因此，可以认为天然沥青是一种天然的化学综合改性剂。

14. 作用机理 青川岩沥青中碳、氢、氧、氮的含量较高，几乎每个沥青质的大分子中都含有上述元素的极性官能团，较高的含氮量使其在岩石的表面产生极强的吸附力。研究和实验表明，青川岩沥青吸附自由能及其在硅酸岩、石英岩、石灰石、高岭石和硅酸铝岩表面的吸附能量，都比普通沥青质高出数倍，具有良好的抗剥落性。 青川岩沥青的分子量达一万之多，其软化点高达200多度，高温性能突出，同时因其本身是在自然状态下形成，所以表现出十分优异的抗老化性能突出。。 青川岩沥青富含极性官能团，掺入基质沥青可增强沥青的降低了蜡含量，使基质沥青抗流动性、抗氧化性、粘附性和感温性等性能获得明显的改善。

15. 三、青川岩沥青介绍 施工技术指南和质量控制标准的建立 科研课题内容： 试验段 天然沥青 改性沥青 混合料 • 天然沥青 化学组成与结构 • 天然沥青 改性沥青机理研究 • 天然沥青 质量要求制定 • 岩改沥青 工艺优化 • 岩改沥青 性质研究 • 岩改沥青 生产放大方案研究 • 岩改沥青 质量技术要求制定 • 岩沥青混合料性能研究 • 干法掺配工艺与湿法对比研究 • 岩沥青混合料路面结构适应性 • 适应重载交通条件的岩沥青改 性混合料典型路面结构组合 实体路面的长期检测 系统总结高性能天然岩沥青改性沥青应用技术，建立了技术标准体系，实现了产业化和工程应用。

16. 组分分析 青川岩沥青 饱和分 芳香分 胶质 沥青质 高 0.96% 4.49% 11.56% 82.99%

17. 青川岩沥青改性剂生产工序 开采 筛选 添加助剂 研磨 检验、包装

18. 青川岩沥青改性剂 岩沥青改性剂执行企业标准Q/70898088-4.1-2004

19. 青川岩沥青改性剂的特性 天然沥青的特性是由它内部组成成分决定的，相同的组成具有相同的物理化学性质，由于四川岩沥青特殊的山体环境，也决定了NES和MXA岩沥青改性剂的特性。 1、抗车辙 2、抗剥落 3、抗老化 4、抗高温 另外，岩沥青的低温性能和抗水损害能力也很好。

20. 四、岩沥青改性沥青 研究内容 岩沥青改性沥青试验 改性工艺优化 温度敏感性 高温性能 低温性能 稳定性

21. 天然沥青改性的机理 • 将天然沥青加入普通沥青中，由于温度与小分子溶剂的共同作用，使得天然沥青这些分子量很大的胶束被破裂，从破裂的胶束上暴露出的许多活性点立刻被普通沥青中的小分子物质所填充、饱和，形成一种全新的组合，最终形成以天然沥青大胶束分子为中心，普通沥青小分子填充、包围的新的方式。实质上是在普通沥青中加入了大量的非自发核心物质，这个核心的分子量较普通沥青分子量大，对原基质沥青以小分子量的沥青质为核心的结构进行了改造，其改造程度的大小取决于加入沥青分子量大小及氮、氧、硫侧链的数量多少。分子量越大，活性越高，则这种改造程度就越明显，得到的改性沥青技术性能也就越优越。

22. 岩沥青改性沥青常规性能指标

23. 岩改性沥青车辙因子及高温等级

24. 岩改沥青技术要求 岩沥青改性70号沥青技术要求

25. 实验结论 • 对沥青的高温性能、感温性、低温性能、车辙因子、PG等级等方面研究证明：青川岩沥青具有良好的改善沥青综合性能的效果，特别是提高沥青高温性能作用明显。 • 对岩改沥青稳定性的研究表明，岩改沥青具有稳定不离析、易于储存使用的特点。 • 在以提高沥青高温性能和抗车辙能力为主要目标时，建议岩沥青改性剂的掺量为8%左右。

26. 五、岩沥青改性沥青混合料 • 高温性能： 车辙实验、动态模量实验、汉堡实验 • 低温抗裂性能：低温弯曲实验 • 抗水损害性能： 冻融劈裂实验、汉堡实验 • 抗疲劳性能：疲劳实验

27. 岩沥青改性沥青常规性能指标 青川岩沥青改性沥青、基质沥青、SBS改性沥青混合料检测结果对比

28. 试验表明 试验表明，添加7％的青川岩沥青改性剂的岩沥青改性沥青混合料的动稳定度、TSR、弯曲试验破坏荷载等指标发生较大的改善，因为天然岩沥青含有氮元素较高，使沥青与集料的粘附性得到极大的提高，可提高混合料抵抗动水压力的能力，起到了抗剥落剂的作用，从而提高了沥青混合料的抗水损害能力。

29. 沥青混合料车辙对比试验

30. 沥青混合料车辙对比试验 岩沥青改性沥青车辙变形量

31. AC-16结构，占基质沥青8%的改性剂掺量 与其他抗车辙材料的对比 实验结果表明：相同掺量时，青川岩沥青对抗车辙能力的提升效果最为明显。

32. 沥青混合料车辙试验 • 可以看出：经过天然岩沥青改性后，沥青混合料的动稳定度有了大幅度的提高，高温性能得到了较大的改善。 • 添加5%--10%岩沥青可以明显改善道路石油沥青的高温稳定性，对提高路面沥青混合料抵抗车辙变形的能力有明显的效果。

33. 动态模量试验

34. 动态模量试验表明 • 以上试验数据表明：在50℃时岩沥青改性沥青混合料的动态模量是基质沥青混合料的3.1倍，是SBS改性沥青混合料的1.8倍，说明岩沥青改性沥青在高温条件下比SBS改性沥青具有更优良的力学性能。

35. 沥青混合料汉堡试验 汉堡轮辙试验(Hamburg Wheel-tracking Test)用于测定沥青混合料水稳定性及抗车辙性能。 试验的基本过程是，使用一定规格和重量的钢制轮子在浸泡于温度为40ºC到55ºC水中的沥青混合料试件表面上来回碾过20000遍，通过测量沥青混合料的轮辙深度和变形曲线的特征判断沥青混合料的水稳定性和抗车辙性能。

36. 沥青混合料汉堡试验 可以看出：岩沥青改性沥青混合料在浸水、高温条件下抵抗高轮次反复荷载的能力有了明显增强，20000次变形量为普通70号沥青混合料的54%，而且优于掺加纤维的混合料，与SBS改性沥青混合料性能相当，有效地提高混合料抗水损害及永久变形能力，延长道路使用寿命。

37. 沥青混合料冻融劈裂试验 实验结果表明：岩沥青改性沥青混合料的抗水损害性能和劈裂抗拉强度相对于基质沥青混合料有较大的改善，也优于SBS改性沥青混合料。

38. 沥青混合料疲劳试验 试验表明：岩改沥青混合料的疲劳性能明显优于基质沥青混合料，且随着岩沥青掺量的增加，疲劳性能存在一个峰值，当岩沥青掺量大于7.5%后，疲劳性能开始减弱，7.5%岩改沥青混合料的疲劳次数是基质沥青的2.3倍，而累积耗散能是基质沥青的3.18倍。 由此表表明：岩改性沥青可以有效地提高混合料的抗疲劳性能。

39. 施工及应用标准 • MXA岩沥青使用添加非常简便，一般不需要特殊装备。先将基质沥青通过流量计计量后输至带有搅拌装置的沥青罐中并加热至165℃--175℃，然后将MXA岩沥青改性剂按规定比例加入罐中，进行搅拌混合，搅拌温度控制在185-190℃，20—30min即可，不需要加任何抗剥落剂，如果生产设备带有胶体磨，那么通过胶体磨后效果更佳。加工完毕后，抽入储存罐中备用。如果设备简陋，改性沥青生产完毕后应在储存罐中培育1-2个小时后方可使用。注：如果矿粉浮在基质沥青表面，请降低液面至最高的搅拌叶处，利用搅拌叶的力量将矿粉搅匀

40. k133 k136 工程实例 • 京福高速K133-136 试验路段位于我省京福高速K133-136，该段处于国道主干道，是我省南北交通的大动脉，日交通量约40000辆/日，且重载车辆占自然车辆的51％左右。地理条件为连续大上坡路段，路线长约为3公里，最大坡度接近3% 。

41. 京福高速K133-136 由于货车载重量大，车况差，往往采用S型路线爬坡，对路面产生较大剪力。

42. 重载车辆并排满布车道行驶。

43. 京福高速K133-136 • 该路段每年出现车辙破坏现象，尤其在夏季持续高温季节下，经过连续车载作用，车辙现象非常严重。在最不利的条件下，短短几天内，车辙深度就可达到2—3cm。历年来，采用了多种目前国内流行方案，经过多次维修，都不能很好地解决这一问题。

44. 原铺设三层SMA结构方案的车辙情况

45. 路面车辙原因简要分析 • 气温和路表温度的影响 • 交通荷载的因素 • 长纵坡对车辙的影响 • 结构与材料因素

46. 2005年采用岩改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料进行车辙维修2005年采用岩改性沥青混合料和SBS改性沥青混合料进行车辙维修 • 病害情况 • 在使用SMA结构进行路面维修后两年，此路段平均车辙深度已达22mm，在上坡路段，尤其是接近坡顶近1km长度上，车辙病害相当严重，出现40—50mm，个别处出现60mm左右深度车辙，路面局部还出现了严重推移、波浪现象。通过钻取芯样观察，发现沥青混合料路面出现车辙变形主要集中于中下面层。弯沉检测发现由于面层出现病害，路面强度也随之降低，基层也产生松散、沉陷、纵向裂缝等严重病害。

47. 维修方案 • 基层产生病害路段，全部铣刨，采用沥青碎石柔性基层代替原半刚性基层；完整基层路段保留原有半刚性基层；三层沥青混合料路面全部采用岩沥青改性沥青，其中岩沥青改性剂添加量为7％，基质沥青采用加德士70＃A级沥青，沥青混合料结构设计为Suerpave设计。

48. 试验段的跟踪检测情况 现场车辙测试数据 从以上检测数据看，虽然天然岩沥青使用在最不利路段，但其表现出了较强抗车辙的能力，说明其在高温稳定性方面优于SBS改性沥青

49. 六、业绩展示 • 我公司生产的MXA岩沥青在国内道路铺设的主要应用实例展示如下：