【跟著AI學(xué)技術(shù)】天然瀝青在熱拌瀝青混合料中的應(yīng)用：處理后的天然瀝青替代石油瀝青結(jié)合料的適用性?
發(fā)布時(shí)間：2025-07-31
編者按：該論文于2025年5月發(fā)表于《 IIUM Engineering Journal 》期刊。
稿件：巴格達(dá)大學(xué)工程學(xué)院土木工程系，伊拉克巴格達(dá)
通訊作者: roaa.hamed@coeng.uobaghdad.edu.iq
本文采用騰訊元寶全文翻譯版，如有不妥之處，請(qǐng)多多包涵指正。后附期刊原文，請(qǐng)參閱。
摘要： 近年來，尋找經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的替代品已成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)原材料的全球性需求?；谶@一理念，源自硫磺泉的天然瀝青(NB)現(xiàn)已成為許多應(yīng)用領(lǐng)域中最有前景的替代能源之一，特別是在瀝青路面建設(shè)中。NB的特點(diǎn)是價(jià)格低廉且儲(chǔ)量豐富，因?yàn)榱蚧侨磕戤a(chǎn)出數(shù)千噸NB，但其應(yīng)用領(lǐng)域卻非常有限。本研究設(shè)定了兩個(gè)主要目標(biāo)。第一個(gè)目標(biāo)是檢驗(yàn)來自五個(gè)硫磺泉的原始NB的特性，并將其與石油瀝青進(jìn)行比較。第二個(gè)目標(biāo)是通過應(yīng)用熱處理來增強(qiáng)NB的特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱處理在改善NB性能方面非常有效。這一點(diǎn)通過進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試得到證實(shí)，如瀝青測(cè)試、馬歇爾測(cè)試、掃描電鏡-能譜儀(SEM-EDX)測(cè)試和間接拉伸強(qiáng)度測(cè)試。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，原始NB的特性不符合瀝青規(guī)范限值，不適用于柔性道路。此外，MS-NB顯著影響了瀝青混合料的力學(xué)性能，其馬歇爾穩(wěn)定度比傳統(tǒng)混合料提高了41.3%。另外，SS-NB在抗水損害方面更為有效，其拉伸強(qiáng)度比提高了5.72%，并且比傳統(tǒng)混合料提供了高出40.36%的勁度指數(shù)?？傊幚砗蟮腘B可以成功地用作熱拌瀝青混合料中的結(jié)合料材料。
關(guān)鍵詞：天然瀝青，熱處理，石油瀝青，馬歇爾，水損害。
1. 引言
道路建設(shè)對(duì)于通過創(chuàng)建高效、安全和耐久的交通路線來改善連通性至關(guān)重要，同時(shí)也能提高社區(qū)生活質(zhì)量并促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。因此，確保鋪砌道路的高性能和高質(zhì)量對(duì)于最大限度地推動(dòng)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)部門的進(jìn)步至關(guān)重要。更具體地說，工業(yè)部門需要高性能道路以安全容納大型貨車。對(duì)于農(nóng)業(yè)部門，道路可以更容易地進(jìn)入市場(chǎng)以保存易腐產(chǎn)品并降低運(yùn)輸成本。對(duì)于商業(yè)部門，道路為短途貨物運(yùn)輸提供了更快的路線，從而最大限度地降低成本并減少延誤。這需要持續(xù)的道路發(fā)展努力，包括制定維護(hù)計(jì)劃、擴(kuò)展道路網(wǎng)絡(luò)，以及最重要的，提高道路路面的質(zhì)量以防止失效。技術(shù)和材料的不斷發(fā)展支持了全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，從而在道路建設(shè)中采用了創(chuàng)新的方法和材料[1-5]。
高粘度石油和天然瀝青(NB)商業(yè)開發(fā)的全球性問題受到碳?xì)浠衔锵脑黾?、石油?chǔ)備結(jié)構(gòu)變化、重質(zhì)原油主導(dǎo)地位以及瀝青生產(chǎn)和加工創(chuàng)新技術(shù)的影響[6],[7]。石油仍然是重要的全球資源，占能源消耗的30%以上。2019年，全球石油庫存下降了0.1%，導(dǎo)致煉油廠石油生產(chǎn)的瀝青結(jié)合料數(shù)量減少，因?yàn)椴糠衷驮谡麴s過程中轉(zhuǎn)化為瀝青結(jié)合料。此外，委內(nèi)瑞拉、沙特阿拉伯、加拿大、伊朗和伊拉克擁有最大的探明儲(chǔ)量[8-9]。這促使道路工程師尋找替代品，因?yàn)闉r青影響混合料的性能，并且其成本被認(rèn)為是集料的7-8倍。高昂的成本和資源匱乏促使人們尋找工業(yè)瀝青的替代品。NB存在于瀝青礦床、瀝青湖、瀝青巖等中。它改善了路面性能并降低了熱拌瀝青(HMA)的價(jià)格[10]。
英國(guó)首次發(fā)現(xiàn)NB是在1877年的Alphalt，它成為第一個(gè)油頁巖礦。然而，石油開采和提煉變得比礦山更重要，隨著頁巖油工業(yè)的逐步淘汰，該礦于1919年關(guān)閉。盡管NB具有眾多優(yōu)勢(shì)，但它仍然是全球范圍內(nèi)鮮為人知的材料，因?yàn)樗鼉H存在于世界特定地點(diǎn)，并且未經(jīng)處理無法用于路面生產(chǎn)[11]。
NB是一種復(fù)雜的有機(jī)化合物混合物，其化學(xué)成分包括長(zhǎng)碳?xì)滏満蛷?qiáng)烈的極性芳香環(huán)。這使得瀝青具有從固體到液體的廣泛性能，鼓勵(lì)研究人員研究并改進(jìn)其性能，以用作鋪路作業(yè)的替代品。NB是一種獨(dú)特的材料，存在于特立尼達(dá)和死海。它已被用于各種應(yīng)用數(shù)個(gè)世紀(jì)，包括浴池建造、防腐處理、造船和防水[12-13]。
瀝青是伊拉克發(fā)現(xiàn)的一種天然瀝青，由分解的生物體和固體形成。它是石油衍生物，是輕質(zhì)元素蒸發(fā)后殘留在地球表面的物質(zhì)。瀝青存在于受斷層或裂縫影響的地質(zhì)區(qū)域，導(dǎo)致地下水從地下流向地表。它含有高比例的鹽和硫。希特(Heet)地區(qū)富含石油，這一點(diǎn)由瀝青泉的存在得到證明[14]。
瀝青是一種源自石油的非晶態(tài)固體或粘稠物質(zhì)，可溶于二硫化碳。其成分包括碳(87%)、氫(11%)、氧(2%)以及微量的氮、鐵和鎳[15]。外觀呈棕色或黑色。它是建筑材料的合適選擇，因?yàn)樗嗫?、脆且易氧化。雖然易燃，但難以點(diǎn)燃[16-17]。NB是一種黑色、堅(jiān)硬且脆性的材料，由高分子量碳?xì)浠衔锘旌衔镏瞥?，碳原子?shù)眾多，可達(dá)150個(gè)。它具有粘稠流體稠度、特殊氣味且易溶解。存在兩種形式：固體瀝青巖和來自溫暖硫磺泉的粘性物質(zhì)[18]。
許多物理和化學(xué)過程已被用于處理和開發(fā)NB，以滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。Shlimon等人[19]評(píng)估了庫爾德斯坦地區(qū)(伊拉克北部)的油井，以確定NB的起源及其成分。此外，F(xiàn)arhan等人[20]通過對(duì)希特地區(qū)泉水的NB進(jìn)行多項(xiàng)化學(xué)測(cè)試并識(shí)別其化學(xué)元素，研究了其化學(xué)性質(zhì)。同樣，Muttar等人[21]研究了希特三個(gè)泉水(Al-Khader、Al-Khalidiyah和Al-Shuhada)的NB和水。在該研究中，NB被干燥、與水分離，并通過加熱處理以增強(qiáng)其性能。物理和化學(xué)性質(zhì)得到了檢驗(yàn)，并顯示出改善。此外，該研究揭示了NB與傳統(tǒng)瀝青之間的化學(xué)相似性。
Al-Dulaymie等人[14]的研究調(diào)查了Abu Al-Jeer泉NB的成分。它評(píng)估了該泉水及其成分的特性。在該研究中，開發(fā)了一種排序和篩選技術(shù)來評(píng)估指定用于自然療法的優(yōu)選硫磺泉，該技術(shù)的應(yīng)用展示了四個(gè)分級(jí)的、連續(xù)的優(yōu)選硫磺泉用于溫泉治療投資。在Abdul-Jaleel和Najres[22]的調(diào)查中，應(yīng)用氧化處理來增強(qiáng)Abu Al-Jeer泉生產(chǎn)的NB的性能。在該處理中，NB在160°C的烘箱中加熱不同時(shí)間：5、10、25、35和55小時(shí)。化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，芳香族比例降低，而瀝青質(zhì)由于氧化而增加。這導(dǎo)致NB轉(zhuǎn)變?yōu)槟z類型。此外，粘度和延度增加，同時(shí)針入度降低，是氧化處理對(duì)NB物理性能的其他影響。
Abdul-Jaleel等人[23]研究了NB的提取和檢驗(yàn)，以用作煉油廠瀝青的替代品。研究采用了兩種方法：第一種，使用液相色譜法分離瀝青，然后使用正戊烷作為溶劑檢驗(yàn)化學(xué)性質(zhì)，并進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析以徹底分析成分。第二種策略是通過將去除水分后的NB與在安巴爾省大量天然存在且成本低廉的礦物(石灰石)按特定比例(5%、15%、35%和35%)混合，來提高源自Abu-Aljeer硫磺泉的NB的流變性能，這是由于氧化鈣CaO(石灰石)的巨大有效性及其形成吸附化學(xué)物理鍵以連接瀝青烴鏈的能力。結(jié)果表明，隨著石灰石的添加，軟化點(diǎn)、閃點(diǎn)、燃點(diǎn)和粘度增加，針入度降低；此外，石灰石添加的最佳比例為35%。
Mahmood等人[24]研究并評(píng)估了源自希特市的NB，并使用聚氯乙烯(PVC)管作為改性劑來增強(qiáng)NB的性能，并降低這種廢物對(duì)環(huán)境的危害。將PVC粉末按NB重量的三個(gè)百分比(10%、20%和30%)添加到NB中。研究結(jié)果表明，在NB中添加PVC導(dǎo)致針入度顯著降低，粘度顯著增加。NB物理性能的這種增強(qiáng)歸因于NB和PVC之間的化學(xué)相容性，這提供了兩者之間更強(qiáng)的粘附力和內(nèi)聚力，因?yàn)镻VC和NB都被認(rèn)為是碳?xì)浠衔锊牧?。根?jù)本地和國(guó)際規(guī)范，用45%至60% PVC改性的NB適用于屋頂工程，如防水和絕緣目的。同時(shí)，Ahmed等人[25]使用熱處理來增強(qiáng)來自Abu Al-Jeer泉的NB的性能，以用于瀝青路面。將NB在163°C的溫度下加熱不同時(shí)間(5、10、15、20和25小時(shí))以改善其物理性能。結(jié)果顯示針入度、延度、軟化點(diǎn)和其他性能得到改善。對(duì)含有NB的瀝青混合料進(jìn)行的馬歇爾測(cè)試表明，與由石油瀝青制成的瀝青混合料相比，馬歇爾穩(wěn)定度值增加了17.8%，因?yàn)闊崽幚硎筃B的勁度比石油瀝青增加得更多。為了避免外部熱處理成本，Ahmed等人[16]研究了將NB與石油瀝青以不同比例(20%、40%、60%和80%)混合的過程。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，NB和煉油廠瀝青的組合產(chǎn)生了一種新的瀝青，符合用于道路建設(shè)的本地標(biāo)準(zhǔn)要求。含有80% NB的混合料比傳統(tǒng)混合料具有更高的馬歇爾穩(wěn)定度值，高出23.5%。
在本研究中，NB取自安巴爾省希特市的五個(gè)硫磺泉：Al-Mamora、Al-Jabal、Atatt、Al-Atffa和Al-Askaree。先前的研究已經(jīng)對(duì)這些泉水的NB進(jìn)行了評(píng)估，并側(cè)重于其物理性質(zhì)。因此，需要進(jìn)行廣泛而深入的分析以了解這些泉水生產(chǎn)的NB的性質(zhì)。本研究有兩個(gè)主要目標(biāo)。第一個(gè)目標(biāo)是研究原始NB在生產(chǎn)符合規(guī)范限值的熱拌瀝青混合料(HMA)中的適用性。第二個(gè)目標(biāo)是通過根據(jù)泉類型應(yīng)用不同時(shí)間的熱處理來改善NB的物理性能。此外，還檢查了處理后NB和石油瀝青的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)掃描。另外，本研究評(píng)估了NB改善瀝青路面力學(xué)性能和水損害抵抗力的能力。最后，將原始和處理后NB的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原油煉油廠生產(chǎn)的石油瀝青的結(jié)果進(jìn)行了比較。
2. 研究區(qū)域
硫磺泉是伊拉克NB的主要來源。研究區(qū)域包括安巴爾省內(nèi)希特的許多瀝青泉，距離伊拉克巴格達(dá)約190公里，如圖1(a)所示。希特市位于東經(jīng)15°42'-15°43'，北緯15°33'-38°34'之間。研究區(qū)域的眾多泉水中有五個(gè)被選為本研究，如圖1(b)所示。選定的泉水是Al-Mamora、Al-Jabal、Atatt、Al-Atffa和Al-Askaree。
圖1. 安巴爾省希特市的硫磺泉地點(diǎn)
3. 材料
本項(xiàng)目使用伊拉克本地材料以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益并利用國(guó)家資源。材料列于以下各節(jié)。
3.1. 石油瀝青
它源自杜拉煉油廠原油的蒸餾過程，是經(jīng)批準(zhǔn)用于伊拉克中部和南部鋪筑AC(40-50)的瀝青，遵循道路橋梁部的規(guī)范[26]。
3.2. 天然瀝青
天然瀝青(NB)取自伊拉克安巴爾省不同地區(qū)的五個(gè)泉水。如圖2所示，從這些泉水中提取的NB在物理和化學(xué)性質(zhì)上與原油破壞性蒸餾產(chǎn)生的合成瀝青不同，后者的特性主要由杜拉煉油廠控制。NB含有大量的水濃度和污染物，因此不能直接使用。因此，在用于鋪路作業(yè)之前，NB必須進(jìn)行干燥和處理。
圖2. 希特市的硫磺泉
3.3. 細(xì)集料和粗集料
本工作中使用的細(xì)集料和粗集料由Al-Nibaie采石場(chǎng)提供。保留在3/4英寸篩和4號(hào)篩之間的集料被歸類為粗集料。同時(shí)，保留在4號(hào)篩和200號(hào)篩之間的集料被歸類為細(xì)集料。在道路實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)細(xì)集料和粗集料進(jìn)行篩分并組合，以生產(chǎn)符合本地規(guī)范[26]限值的選定級(jí)配，如圖3所示。細(xì)集料和粗集料的物理特性經(jīng)過測(cè)試并列于表1。
圖3. 表層材料的累計(jì)級(jí)配曲線
3.4. 礦物填料
石灰石填料產(chǎn)自伊拉克東南部的卡爾巴拉市。該填料的特性經(jīng)過測(cè)試，結(jié)果列于表2。
4. 工作程序
通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了熱處理前后NB的特性。此外，還應(yīng)用了許多測(cè)試來研究使用處理后的NB作為結(jié)合料材料制備熱拌瀝青混合料(HMA)以替代石油瀝青的適用性。
4.1. 天然瀝青處理
干燥和分離從硫磺泉提取的NB是處理過程的第一步。這是通過在烘箱中將NB加熱至110°C的溫度，根據(jù)泉的類型和含水量變化時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)注意避免瀝青燃燒[27]。處理的第二階段涉及在烘箱中將NB加熱至163°C的溫度，每個(gè)樣品所需的時(shí)間不同，取決于確認(rèn)瀝青已與水分離并使其符合本地規(guī)范[26]。NB取自五個(gè)泉水并按如下方式處理：
4.1.1. Al-Mamora泉(MS)
Al-Mamora泉位于希特-卡比薩(Heet-Kabisa)公路上。由于其液態(tài)性質(zhì)和高含水量，從中回收的NB需要在110°C的烘箱中干燥兩小時(shí)。接下來，為了使其性能與鋪路作業(yè)中使用的AC(40-50)瀝青一致，遵循本地規(guī)范[26]，將NB在163°C的烘箱中加熱17小時(shí)，分為5、10、15和17小時(shí)幾個(gè)階段。
4.1.2. Al-Jabal泉(JS)
Al-Jabal泉位于安巴爾省希特的Jabal社區(qū)，也稱為Ein Al-Khader。液態(tài)NB含有大量水分，通過在110°C的烘箱中干燥約兩個(gè)半小時(shí)去除。然后，在烘箱中加熱25小時(shí)，時(shí)間從5小時(shí)到25小時(shí)不等，以符合鋪路作業(yè)用瀝青的本地規(guī)范[26]。
4.1.3. Atatt泉(TS)
Atatt泉位于安巴爾省希特，靠近Al-Mamora泉。NB的干燥和去除水分過程在110°C的烘箱中進(jìn)行兩小時(shí)。熱處理在163°C下持續(xù)21小時(shí)，時(shí)間分為5、10、15、20和21小時(shí)幾個(gè)階段，確保符合本地規(guī)范[26]。
4.1.4. Al-Atffa泉(AS)
Al-Atffa泉位于安巴爾省希特的火坑社區(qū)。由于從該泉提取的瀝青是固體，且針入度較低，與其他硫磺泉相比，在110°C的烘箱中干燥NB去除水分需要一個(gè)半小時(shí)。熱處理需要兩小時(shí)以達(dá)到本地規(guī)范[26]的限值。
4.1.5. Al-Askaree泉(SS)
Al-Askaree泉位于安巴爾省希特的Askaree社區(qū)。它也被稱為Siali泉，因?yàn)檫@里發(fā)現(xiàn)的NB是Siali類型，非常液態(tài)且具有高針入度。干燥過程在110°C的烘箱中進(jìn)行了兩個(gè)半小時(shí)以去除水分并分離瀝青。然后將NB通過加熱處理26小時(shí)，分為5、10、15、20、25和26小時(shí)幾個(gè)階段，以符合本地規(guī)范[26]。
4.2. 瀝青結(jié)合料測(cè)試
如表3所示，對(duì)石油瀝青、未經(jīng)處理的NB以及來自五個(gè)泉水的處理后NB（根據(jù)每個(gè)樣品加熱不同時(shí)間）進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試。
4.3. 掃描電子顯微鏡-能譜儀分析(SEM-EDX)
瀝青分子成分的化學(xué)組成對(duì)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有顯著影響。瀝青是一種主要由碳?xì)浠衔锝M成的復(fù)雜混合物，其中一些結(jié)構(gòu)相似的雜環(huán)物質(zhì)，以及包含氧、氮和硫原子的官能團(tuán)。此外，瀝青含有微量金屬，如釩、鎳、鐵、鋁和鈣，它們以無機(jī)鹽、氧化物或卟啉絡(luò)合物的形式存在。
能譜儀(EDX)分析（圖4）是一種分析技術(shù)，用于基于特定源相互作用的樣品元素或化學(xué)表征。該設(shè)備在荷蘭制造。EDX設(shè)備的操作原理是分析當(dāng)電子束撞擊樣品并與樣品原子相互作用時(shí)從樣品發(fā)射的X射線。每種元素具有獨(dú)特的X射線能量，EDX探測(cè)器記錄發(fā)射的X射線，區(qū)分存在的元素及其濃度。該技術(shù)用于研究環(huán)境污染，其中EDX微分析可以極大地檢測(cè)重金屬污染[28]。
除了這些探測(cè)器外，現(xiàn)代SEM設(shè)備還配備了內(nèi)置的EDX傳感器，可以對(duì)材料進(jìn)行成分分析，稱為帶有EDX光譜的掃描電子顯微鏡(SEM-EDX)。EDX測(cè)試可以通過化學(xué)元素分析幫助道路工程師理解瀝青路面的物理化學(xué)行為。另一方面，SEM圖像可以提供與EDX結(jié)合的元素分析信息，因?yàn)樗鼈冇兄诜治霰砻婧拖嗷プ饔茫⒗斫饣衔锏谋砻嫘再|(zhì)。此外，SEM-EDX測(cè)試有助于檢查在原子和分子水平上發(fā)生的變化[29]。SEM的操作原理涉及產(chǎn)生一束電子，通過包含電磁透鏡的柱引導(dǎo)到樣品上。然后電子與樣品表面相互作用。由于這種相互作用，會(huì)發(fā)射出不同的信號(hào)。探測(cè)器收集這些產(chǎn)生的信號(hào)以生成具有精細(xì)細(xì)節(jié)的三維或二維圖像，例如表面組成。
圖4. SEM-EDX設(shè)備
4.4. 馬歇爾測(cè)試
根據(jù)ASTM D6927-15的規(guī)定，采用馬歇爾測(cè)試來制備、壓實(shí)和驗(yàn)證樣品。將瀝青和集料分別加熱幾個(gè)小時(shí)，溫度分別達(dá)到135°C和150°C。避免過度加熱和預(yù)熱瀝青至關(guān)重要，因?yàn)檫@可能改變其性能并對(duì)整體混合料產(chǎn)生負(fù)面影響。根據(jù)本地規(guī)范[26]，磨耗層的瀝青結(jié)合料含量必須在4%至6%之間。因此，將五種瀝青比例（以集料重量為基準(zhǔn)，恒定增量為0.5%，即4.0%、4.5%、5.0%、5.5%和6.0%）與加熱的集料混合，以找到最佳瀝青含量(OBC)?；旌衔锉仨殧嚢柚辽偃昼?，以確保瀝青水泥均勻地涂覆在每個(gè)集料顆粒上。
傳統(tǒng)的圓柱形馬歇爾試模直徑為102毫米，高度為64毫米。使用前，將這些模具加熱至130°C的溫度。然后將模具填充加熱的混合物，并使用馬歇爾錘壓實(shí)，對(duì)重交通道路每面施加75次沖擊。壓實(shí)后的馬歇爾樣品被允許冷卻。24小時(shí)后，打開模具，將試樣浸入60°C的水浴中30分鐘，然后進(jìn)行檢查。
評(píng)估了石油瀝青和五個(gè)泉水處理后NB的混合料特性。這些特性包括流值、馬歇爾穩(wěn)定度值、空隙率、瀝青填充空隙、礦料間隙率和最佳瀝青含量(OBC)。圖5詳細(xì)說明了馬歇爾測(cè)試程序。
馬歇爾試驗(yàn)
4.5. 水損害測(cè)試
水損害是指由于瀝青與集料表面的粘附力減弱以及內(nèi)聚阻力降低而導(dǎo)致的路面混合料性能逐漸下降。水分導(dǎo)致瀝青表面與集料之間的粘附力喪失。因此，混合料會(huì)發(fā)生分離，導(dǎo)致由于內(nèi)聚力降低而導(dǎo)致穩(wěn)定性、強(qiáng)度和硬度下降。
根據(jù)ASTM D 4867 M-96測(cè)試壓實(shí)混合料的拉伸強(qiáng)度比(TSR)，以評(píng)估其對(duì)水損害的敏感性。該測(cè)試旨在確定水是否會(huì)降低瀝青顆粒與集料之間的粘附力。為此，對(duì)于石油瀝青和每個(gè)泉水經(jīng)過特定處理時(shí)間后的NB，使用最佳瀝青含量(OBC)制備馬歇爾樣品。這些樣品分為兩組：未處理組，置于25°C的水浴中20分鐘；處理組，經(jīng)歷一個(gè)凍融循環(huán)，然后在相同溫度下浸泡一小時(shí)。HMA(熱拌瀝青)的TSR最低要求大于80%。TSR使用以下公式計(jì)算：
圖6顯示了如前所述的進(jìn)行TSR測(cè)試的程序。每個(gè)試樣以每分鐘50.8毫米的速率進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)荷載達(dá)到最大值后，試樣完全斷裂，并記錄該荷載值。
(a) 標(biāo)本制備(d) 解凍循環(huán)(b) 水飽和(e) 試樣測(cè)試(f) 斷裂的試樣
水損害測(cè)試
5. 結(jié)果與討論
5.1. 瀝青特性
源自泉水的未經(jīng)處理NB和石油瀝青的物理特性如表4所示。物理測(cè)試表明，石油瀝青符合本地規(guī)范[26]規(guī)定的所有要求，包括針入度、閃點(diǎn)、延度等測(cè)試。與石油瀝青相比，測(cè)試結(jié)果顯示NB的針入度值高得多，不符合規(guī)范要求[26]。它需要經(jīng)過處理以改善其質(zhì)量，使其符合鋪路瀝青的本地規(guī)范。
表5顯示了處理后NB的物理特性，并揭示了這些性能的改善。MS-NB被歸類為液態(tài)，針入度為130(0.1 mm)。此外，它需要大約17小時(shí)的熱處理時(shí)間。將瀝青加熱更長(zhǎng)時(shí)間，例如20小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不佳，并由于其高氧化速率而增加其硬度，這反過來又會(huì)影響瀝青混合料并引發(fā)問題。因此，僅17小時(shí)后，理想的針入度就達(dá)到了45(0.1 mm)。同時(shí)，JS-NB具有高針入度，處理了25小時(shí)后，針入度變?yōu)?4(0.1 mm)。這在本地規(guī)范[26]的限值之內(nèi)，并且接近石油瀝青的針入度。持續(xù)的混合和加熱會(huì)導(dǎo)致瀝青所有部分的氧化，從而改變其性能，使其變硬并呈現(xiàn)深黑色。因此，這影響了瀝青混合料的力學(xué)性能。
此外，TS-NB的熱處理總共耗時(shí)21小時(shí)；如果處理進(jìn)行25小時(shí)，針入度會(huì)非常低，不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[26]的限值。在21小時(shí)時(shí)，針入度為44(0.1 mm)，符合規(guī)范要求，因?yàn)闊崃刻岣吡藶r青的軟化點(diǎn)并增強(qiáng)了其硬度。此外，AS-NB被認(rèn)為是五種NB類型中最好的，因?yàn)閺脑撊崛〉臑r青被認(rèn)為是固體，針入度低（58(0.1 mm)），并且含水量非常少。因此，處理時(shí)間僅為兩小時(shí)，針入度變?yōu)?5(0.1 mm)，延度大于100 cm。因此，這種瀝青類型將增加抗開裂能力并延長(zhǎng)瀝青混合料的使用壽命。它符合規(guī)范限值，性能的改善歸因于加熱過程。熱處理時(shí)間越長(zhǎng)，硫的含量百分比越高，從而改善瀝青的性能。
由于其流體性質(zhì)和高含水量，SS-NB需要很長(zhǎng)時(shí)間干燥。最長(zhǎng)的熱處理時(shí)間需要26小時(shí)才能達(dá)到所需的針入度，即45(0.1 mm)。該材料的延度超過100 cm，軟化點(diǎn)為56°C，閃點(diǎn)為245°C，均符合規(guī)范限值。
Abu Al-Jeer泉的NB通過相同的熱處理過程處理25小時(shí)以改善物理性能，如Ahmed等人[25]先前研究中所進(jìn)行的。這與本研究中JS和SS的NB處理時(shí)間大致相符。此外，Altameemi等人[27]對(duì)NB-MS應(yīng)用了20小時(shí)的熱處理以增強(qiáng)其性能，這與當(dāng)前研究中的處理時(shí)間（17小時(shí)）不一致。同一泉處理時(shí)間的差異可能與多年來環(huán)境條件的變化有關(guān)，特別是溫度波動(dòng)和降雨量減少，這導(dǎo)致產(chǎn)生不同的NB。
5.2. 形態(tài)和元素分析特性
碳?xì)浠衔锸菫r青的主要成分，具有石蠟基、環(huán)烷基和芳香族結(jié)構(gòu)。它們還包括氮、硫以及環(huán)狀或非環(huán)狀氧分子。此外，還存在鎳、鐵和釩原子。含有硫、氮和氧的化合物會(huì)與這些元素反應(yīng)。各種組分分?jǐn)?shù)影響瀝青的相容性和耐久性。然而，這些組分的平衡賦予了瀝青獨(dú)特的粘彈性特性，這對(duì)于其作為鋪路作業(yè)中的瀝青結(jié)合料至關(guān)重要。因此，組分之間缺乏平衡或相容性會(huì)導(dǎo)致組分相分離和不良特性[30]。礦物質(zhì)顯著影響瀝青的物理性能，因?yàn)榉菢O性原子會(huì)引起分子干擾，從而改變材料的溶解度、沸點(diǎn)和粘度。石油瀝青和處理后NB的SEM-EDX分析如圖7所示。
瀝青結(jié)合料的微觀結(jié)構(gòu)顯著影響其性能，因?yàn)檫@種微觀結(jié)構(gòu)與瀝青的化學(xué)成分密切相關(guān)[31]。它解釋了由于化學(xué)和環(huán)境因素在瀝青中發(fā)生的變化，并有助于檢測(cè)影響瀝青性能和質(zhì)量的缺陷和雜質(zhì)。它還有助于確定組分的分布、它們?cè)趹?yīng)用時(shí)與瀝青的均勻性及其對(duì)性能的影響。從SEM圖像來看，石油瀝青是均勻烴類的集合體，該瀝青表面主要呈現(xiàn)平坦?fàn)顟B(tài)，在表面形態(tài)上沒有任何明顯的特征。這是因?yàn)槭蜑r青的化學(xué)成分在其化合物多樣性方面不如NB樣品?？梢钥闯觯c其他泉的NB相比，SS-NB在形態(tài)結(jié)構(gòu)上近似于石油瀝青。這可能是由于其高碳含量(88.7%)和較低的組分多樣性，并且在該NB中沒有微量元素。石油瀝青和五個(gè)硫磺泉中每個(gè)泉的處理后NB的化學(xué)成分百分比如圖7所示并列于表6。評(píng)估結(jié)構(gòu)信息和分子類型對(duì)于從根本上理解元素組成如何影響瀝青的化學(xué)反應(yīng)性和物理性能非常重要。
除了硫之外，來自硫磺泉的大多數(shù)NB由有機(jī)成分（如碳和氧）、少量微量元素（如鐵、鎂和硅）以及其他污染物組成。此外，NB不含鉛、汞和氟化物等有毒元素，這對(duì)環(huán)境保護(hù)是有利的。
SS-NB的碳含量最高，為88.7%。增加碳對(duì)瀝青混合料有積極影響，改善其柔韌性，從而降低瀝青在低溫下的破壞應(yīng)力。這是因?yàn)樘几纳屏藶r青的性能，特別是抗老化行為，以及熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，增強(qiáng)了瀝青道路在不同氣候條件下的行為。此外，它還增強(qiáng)了瀝青在高溫下抵抗變形和在寒冷條件下抵抗開裂的能力，最終提高了瀝青的耐久性[32]。瀝青含有硫、氮和氧，被稱為雜原子，它們會(huì)促進(jìn)材料中的反應(yīng)。與烴類部分相比，雜原子是次要成分，其濃度不穩(wěn)定，并且根據(jù)瀝青的來源而變化。這歸因于雜原子部分通常賦予分子極性和功能性，導(dǎo)致來自不同來源的瀝青結(jié)合料在物理性能上存在差異。此外，足夠量的這些雜原子使烴類分子結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；通常，每個(gè)分子可能存在一個(gè)或多個(gè)雜原子[33]。
圖7. 來自五個(gè)硫磺泉的石油瀝青和NB的SEM-EDX分析
對(duì)于六個(gè)NB樣品中的每一個(gè)，表6中的硫百分比各不相同且不相同。AS-NB的含量最低(6.2%)，而TS-NB的硫含量最高(16.4%)。高密度的硫元素增加了結(jié)合料的密度，進(jìn)而延長(zhǎng)了瀝青路面的使用壽命并節(jié)省了成本。更明確地說，硫與吲哚反應(yīng)形成多硫化物。它導(dǎo)致其膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致瀝青質(zhì)/樹脂的比例增加，使結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定和內(nèi)聚的凝膠結(jié)構(gòu)，從而增加了密度。此外，軟化點(diǎn)隨著硫含量的增加而升高，這一結(jié)果與先前研究的結(jié)果一致[34]。與石油瀝青相比，來自五個(gè)泉的NB在其結(jié)構(gòu)中不含氮和鎳元素。氮增加了瀝青與集料的親和力，提高了瀝青混合料抵抗風(fēng)化（特別是剝離和氧化）的能力[25]。同時(shí)，鎳是微量元素之一，當(dāng)加熱瀝青時(shí)，較高濃度的鎳會(huì)導(dǎo)致更高的污染物排放[35]。此外，NB中鈣和鎂的存在對(duì)其性能產(chǎn)生積極影響，因?yàn)樗黾恿擞捕群头€(wěn)定性[36]。
5.3. 馬歇爾特性
使用石油瀝青制備的傳統(tǒng)混合料的最佳瀝青含量(OBC)為5%。對(duì)NB樣品進(jìn)行熱處理后，使用來自AS、JS、MS、SS和TS的NB制備的混合料的OBC值分別為5.2%、4.9%、5.3%、4.93%和5.1%（按集料重量計(jì)）。兩種組合（傳統(tǒng)混合料和NB混合料）的馬歇爾特性如圖8和圖9所示。在馬歇爾試驗(yàn)中，流值和穩(wěn)定度是瀝青路面最重要的性能指標(biāo)。
圖8中的結(jié)果表明，除JS-NB混合料外，NB混合料的穩(wěn)定度優(yōu)于傳統(tǒng)混合料。使用來自MS、AS、TS和SS的NB的混合料的結(jié)果分別為(13, 10.8, 12.6, 和 11.8) kN。相比之下，傳統(tǒng)混合料的穩(wěn)定度為9.2 kN。與傳統(tǒng)混合料的穩(wěn)定度相比，使用來自AS、SS、TS和MS的NB的NB混合料的穩(wěn)定度分別提高了17.3%、28.2%、36.9%和41.3%。這可能是因?yàn)镹B含有高比例的硫，硫通過將溫度提高到112至170°C之間來增加瀝青的硬度。硫由化學(xué)鏈組成，這些鏈與化合物的有機(jī)分子結(jié)合，從而形成多硫酸鹽[16, 25, 和 37]。然而，JS-NB混合料的穩(wěn)定度為8.8 kN，比傳統(tǒng)混合料的穩(wěn)定度低4.4%。這可能是因?yàn)镴S-NB比其他NB樣品更容易受到高氧化速率的影響?？傮w而言，所有混合料的穩(wěn)定度值均滿足規(guī)范限值（磨耗層最小限值8 kN）[26]。
圖9顯示了根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果得出的傳統(tǒng)混合料和NB混合料的馬歇爾流值。流值很接近，但MS-NB混合料除外，其流值比傳統(tǒng)混合料流值增加了12.1%。根據(jù)規(guī)范限值，流值應(yīng)在2至4 mm之間，所有混合料均符合此要求。
圖8. 馬歇爾穩(wěn)定性結(jié)果
圖9. Marshall流動(dòng)結(jié)果
圖10顯示了傳統(tǒng)混合料和NB混合料的馬歇爾商數(shù)(MQ)或勁度指數(shù)。MQ指馬歇爾穩(wěn)定度與馬歇爾流值的比例，被認(rèn)為是瀝青混合料抗車轍能力的指標(biāo)。較高的MQ值表示更好的穩(wěn)定性和更強(qiáng)的抗變形能力。因此，MQ值的增加意味著瀝青混合料在流動(dòng)性能方面的穩(wěn)定性得到了提高。這對(duì)于高質(zhì)量瀝青路面的耐久性是有利的[38]。
傳統(tǒng)混合料和NB混合料的體積特性列于表7。根據(jù)本地規(guī)范[26]，空隙率(Vv)應(yīng)在3%至5%之間。空隙增加會(huì)導(dǎo)致道路車轍、瀝青快速氧化以及更高的滲透性，從而導(dǎo)致縮短道路壽命的問題?？障堵式档鸵部赡軐?dǎo)致瀝青蠕變和泛油[39]。傳統(tǒng)混合料和NB混合料的Vv%相似，并且都落在本地規(guī)范的限值內(nèi)。
混合料的性能取決于礦料間隙率(VMA)，其應(yīng)足夠高以確保足夠的瀝青含量以滿足耐久性要求。然而，隨著VMA的增加，混合料更容易出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。結(jié)果表明，NB混合料的VMA值與傳統(tǒng)混合料略有不同。
圖10. Marshall商數(shù)結(jié)果
瀝青填充空隙(VFB)指的是壓實(shí)混合料中集料顆粒之間被瀝青填充的空間。這些空隙影響混合料的耐久性。研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)混合料和NB混合料的VFB百分比與傳統(tǒng)值相似或更低，但TS-NB除外，其比傳統(tǒng)混合料增加了2.7%。
5.4. 抗水損害能力
因此，有必要認(rèn)識(shí)到水和濕氣的有害影響并采取措施加以緩解，同時(shí)確?；旌狭显诟鞣N條件下的硬度、耐久性和彈性[40]。TSR可定義為水分耐久性指數(shù)系數(shù)，其值應(yīng)至少為80%。TSR取決于集料表面與瀝青之間的粘附力以及瀝青結(jié)合料的內(nèi)聚特性。內(nèi)聚力是指材料在承受荷載和應(yīng)力時(shí)的整體完整性，它受多種因素影響，包括瀝青結(jié)合料的粘度和化學(xué)成分、瀝青結(jié)合料內(nèi)部的吸引力以及水的滲透。水可以通過飽和和由于凍融循環(huán)而擴(kuò)大空隙系統(tǒng)來影響內(nèi)聚力。瀝青對(duì)水的粘附力可能受到分離或位移機(jī)制的影響。
粘附力取決于集料級(jí)配、Vv和滲透性。在潮濕環(huán)境下，如果這些參數(shù)中的任何一個(gè)發(fā)生變化，粘附力可能會(huì)發(fā)生變化[41]。
圖11顯示了傳統(tǒng)混合料和NB混合料的TSR值。測(cè)試結(jié)果表明，NB混合料對(duì)濕氣和水條件具有最高的抵抗力。含有SS-NB的混合料比傳統(tǒng)混合料抗水損害能力高5.72%。這可能歸因于SS-NB中含有大量的碳，因?yàn)楦吆康奶荚卦黾恿藶r青結(jié)合料的粘附性能，從而增加了耐久性并提供更好的抗水損害能力。具體來說，碳起著至關(guān)重要的作用。它以高濃度存在并形成鏈，有助于在NB結(jié)構(gòu)內(nèi)形成強(qiáng)鍵，增加瀝青的穩(wěn)定性及其粘附集料的能力。此外，高碳含量的瀝青是一種吸收性材料，有助于截留水分并增強(qiáng)瀝青的性能和抗?jié)裥訹32]。
圖11. 常規(guī)混合料和NB混合料的TSR
6. 成本分析
開發(fā)能夠同時(shí)提供經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境效益的創(chuàng)新工藝和產(chǎn)品模型，對(duì)于確保政策有效針對(duì)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)至關(guān)重要。必須發(fā)現(xiàn)更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)的替代品以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。NB被認(rèn)為是伊拉克儲(chǔ)量豐富的自然資源之一，可以在從北到南的各個(gè)省份加以利用。通過投資NB或?qū)⑵浼{入道路鋪筑作業(yè)可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益。這是因?yàn)镹B比石油瀝青更經(jīng)濟(jì)，后者源自原油的蒸餾過程，并且NB是國(guó)家資源。石油作為一種主要能源，占全球消費(fèi)量的30%以上。委內(nèi)瑞拉、沙特阿拉伯、加拿大、伊朗、伊拉克和俄羅斯等國(guó)家擁有大量的探明石油儲(chǔ)量。在煉油廠的蒸餾過程中，大約10%的原油通過瀝青制造轉(zhuǎn)化為瀝青材料和其他產(chǎn)品。這種瀝青生產(chǎn)各種零售產(chǎn)品，包括瀝青乳液、鋪路混合料、油漆、焦油屋面和其他產(chǎn)品[42]。
在過去的六十年中，石油價(jià)格的持續(xù)變化影響了瀝青價(jià)格，由于煉油作業(yè)，瀝青成本增加了20倍。瀝青價(jià)格跟隨原油價(jià)格；因此，瀝青的數(shù)量和質(zhì)量受到影響。原油價(jià)格每上漲1%，瀝青價(jià)格上漲0.7%。由12個(gè)國(guó)家組成的石油輸出國(guó)組織(OPEC)所做的決定在確定瀝青成本方面發(fā)揮了重要作用[25, 43]。一些專家指出，石油峰值出現(xiàn)在2010年至2020年之間，并且由于產(chǎn)量減少、全球范圍內(nèi)發(fā)生危機(jī)以及價(jià)格大幅上漲，未來幾年將下降。與此同時(shí)，地質(zhì)學(xué)家Marion King Hubbert在1950年代預(yù)測(cè)，根據(jù)一次能源來源的估計(jì)，全球生產(chǎn)力峰值將出現(xiàn)在2007年至2037年之間，之后產(chǎn)量將下降到之前水平的三分之一以下。因此，石油價(jià)格對(duì)瀝青生產(chǎn)及其價(jià)格有重大影響，促使道路工程師研究替代的合成瀝青材料，這些材料更經(jīng)濟(jì)且更環(huán)保[44]。在瀝青生產(chǎn)過程中，環(huán)境受到高度重視。必須對(duì)瀝青生產(chǎn)商和煉油廠的排放制定嚴(yán)格的規(guī)定。在瀝青路面的運(yùn)輸和生產(chǎn)過程中減少碳排放已成為全球優(yōu)先事項(xiàng)。尋找更環(huán)保的天然材料對(duì)于盡可能管理和最小化溫室氣體排放至關(guān)重要。使用低碳技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。因此，迫切需要未來的研究來研究在鋪路工程中使用NB的碳排放率和經(jīng)濟(jì)效益。
7. 結(jié)論
本研究對(duì)源自硫磺泉的天然瀝青(NB)、石油瀝青及其混合料進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估在熱拌瀝青混合料中使用NB的適用性。物理測(cè)試表明，未經(jīng)處理的NB不符合當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)規(guī)范限值，不適合直接用于鋪路。然而，當(dāng)NB在163°C下經(jīng)過適當(dāng)干燥和熱處理（時(shí)間取決于每個(gè)泉的特性和針入度水平）后，其性能顯著改善。不建議超過163°C的過熱處理，因?yàn)榭赡軐?dǎo)致性能下降。處理后的物理和化學(xué)分析顯示特性增強(qiáng)，包括針入度降低、延度和軟化點(diǎn)增加以及閃點(diǎn)提高，使NB的性能更接近石油瀝青。形態(tài)學(xué)觀察強(qiáng)調(diào)，石油瀝青的表面微觀結(jié)構(gòu)與SS-NB非常相似，由于元素組成的差異而與其他NB類型明顯不同。處理后的NB表現(xiàn)出比石油瀝青更高的穩(wěn)定性，這可能是由于其較高的硫含量，增強(qiáng)了混合料的硬度和耐久性，鈣和氧進(jìn)一步促進(jìn)了性能。盡管如此，JS-NB混合料由于其高氧化速率并未顯著提高馬歇爾穩(wěn)定性，但在抗水損害方面顯示出輕微增強(qiáng)，提高了4.35%。值得注意的是，SS-NB混合料達(dá)到了最高的拉伸強(qiáng)度比(TSR)，為85%，超過傳統(tǒng)混合料5.7%，并超過了80%的最低閾值，表明NB在減輕水分損害方面具有強(qiáng)大潛力。總之，NB是改善瀝青混合料性能的一種有價(jià)值且有前景的替代品。在經(jīng)濟(jì)上，它具有高度優(yōu)勢(shì)，在全國(guó)范圍內(nèi)廣泛可用，且成本至少比石油瀝青低五倍。作為國(guó)家資產(chǎn)，NB值得進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)和工程研究，以優(yōu)化其在基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中的使用。
8. 建議
未來在幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的研究可能提供更深入的見解和對(duì)當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的更全面理解。需要進(jìn)一步研究評(píng)估天然瀝青(NB)的內(nèi)在特性，包括其瀝青質(zhì)來源、提取過程以及影響因素，如沉積物年齡、提取深度和與硫源的接近程度。環(huán)境變量——如降雨量、溫度波動(dòng)和泉的地理位置——也可能顯著影響NB的特性。鼓勵(lì)進(jìn)行更多研究探索替代處理方法，例如使用填料等廉價(jià)、易得的材料增強(qiáng)NB，或利用太陽能通過將NB長(zhǎng)時(shí)間暴露在陽光下并定期測(cè)試其性能變化。此外，評(píng)估NB混合料在重復(fù)荷載和高溫下的抗車轍能力以及評(píng)估其疲勞開裂行為以確保在實(shí)際條件下的性能至關(guān)重要。從可持續(xù)性角度，應(yīng)進(jìn)行NB使用的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境評(píng)估，以確定其作為石油瀝青替代品的成本效益和環(huán)境影響，包括最小化與其應(yīng)用相關(guān)的排放的策略。
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