高黏度改性瀝青研制與應(yīng)用

辛潤(rùn)勤，李智慧

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

高黏度改性瀝青，是指60℃的動(dòng)力黏度在20 000 Pa·s以上的瀝青[1]，能顯著提高混合料的抗變形能力，使集料與瀝青的黏結(jié)性得到有效的改善，在環(huán)境溫度變化較大時(shí)對(duì)粗集料骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生足夠的約束和限制[2]，同時(shí)具有優(yōu)異抗老化性能。高黏度改性瀝青目前主要用于排水性瀝青路面，日本在排水路面應(yīng)用方面走在世界前列。我國(guó)高黏度改性瀝青的標(biāo)準(zhǔn)[3]也是參照日本規(guī)范，其中60℃黏度及黏韌性是瀝青黏度的重要指標(biāo)[4]。

在鋼箱梁橋面的鋪裝方面，利用進(jìn)口高黏度改性瀝青制備的SMA混合料在國(guó)內(nèi)的廣東虎門(mén)大橋、廣東崖門(mén)大橋、汕頭宕石大橋、廈門(mén)海滄大橋、重慶鵝公巖大橋、武漢白沙洲大橋等橋面鋪裝工程中應(yīng)用[5-6]，經(jīng)過(guò)夏季高達(dá)70℃高溫考驗(yàn)以及繁重的交通，使用狀況良好。

山西省內(nèi)有大量的長(zhǎng)大縱坡路段，瀝青面層結(jié)構(gòu)承受水平力和垂直荷載的組合外力作用；載重車(chē)輛在大縱坡路段上的行駛速度不超過(guò)40 km/h，不到平坡路段行駛速度的一半，對(duì)大縱坡路段瀝青面層的實(shí)際加載時(shí)間延長(zhǎng)。在炎熱季節(jié)車(chē)轍、推移、擁包等病害較為嚴(yán)重。針對(duì)山西省交通特點(diǎn)，為了利用高黏度改性瀝青的特殊性能緩解長(zhǎng)大縱坡瀝青路面破壞難題，本文進(jìn)行高黏度改性瀝青的研制和應(yīng)用研究。

1 瀝青黏度

基質(zhì)瀝青采用遼寧盤(pán)錦90號(hào)重交通瀝青；SBS改性劑為中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司生產(chǎn)；增黏樹(shù)脂為市售。

將基質(zhì)瀝青加熱到170℃，將一定比例的改性劑緩慢投入容器內(nèi)，機(jī)械攪拌溶脹20 min后高速剪切45 min，溫度不高于180℃。停止剪切后保持溫度在170℃以上繼續(xù)機(jī)械攪拌，發(fā)育不少于30 min。改性劑用量較高時(shí)，剪切時(shí)間和發(fā)育時(shí)間必須相應(yīng)延長(zhǎng)。SBS采用內(nèi)摻法，不同用量時(shí)改性瀝青指標(biāo)見(jiàn)表1，并采用瀝青PG分級(jí)技術(shù)對(duì)各種瀝青進(jìn)行了分級(jí)。

表1 不同SBS用量的改性瀝青指標(biāo) %

隨著SBS用量增加，改性瀝青針入度逐漸降低，但幅度趨緩；軟化點(diǎn)、5℃延度逐漸升高，但幅度趨緩；動(dòng)力黏度與運(yùn)動(dòng)黏度則迅速增加，呈倍數(shù)增長(zhǎng)。PG分級(jí)也顯示，改性瀝青高溫穩(wěn)定性能明顯提高。當(dāng)SBS用量為8%及其以上時(shí)，動(dòng)力黏度達(dá)到了高黏度改性瀝青要求，但運(yùn)動(dòng)黏度超過(guò)3 Pa·s，由于黏度過(guò)高，將給實(shí)際生產(chǎn)、施工泵送帶來(lái)困難，同時(shí)加上SBS價(jià)格昂貴，采用高比例用量經(jīng)濟(jì)性較差。因此必須在SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上，輔以增黏樹(shù)脂進(jìn)行復(fù)合改性。表2為SBS與增黏樹(shù)脂復(fù)合改性的瀝青試驗(yàn)結(jié)果。

表2 SBS與增黏樹(shù)脂復(fù)合改性瀝青指標(biāo)

增黏樹(shù)脂具有提高動(dòng)力黏度、降低運(yùn)動(dòng)黏度的雙重作用，其市場(chǎng)價(jià)格只是SBS的一半，與SBS配合使用既能大幅度降低成本，還能最大程度發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。

2 瀝青黏韌性

高黏度改性瀝青還有黏韌性指標(biāo)的要求。國(guó)內(nèi)對(duì)瀝青黏韌性研究很少，該指標(biāo)在日本非常受到重視。根據(jù)日本的研究，瀝青的黏韌性影響瀝青混合料的抗剝離性能、脆性和高溫穩(wěn)定性，提高黏韌性能夠防止骨料松散、改善抗滑能力以及抗車(chē)轍能力[7]。黏韌性試驗(yàn)在1974年被日本橡膠協(xié)會(huì)定為標(biāo)準(zhǔn)，并收入日本道路協(xié)會(huì)鋪裝試驗(yàn)法便覽。日本瀝青路面鋪裝要綱的改性瀝青標(biāo)準(zhǔn)中正式列入了黏韌性指標(biāo)，用以評(píng)價(jià)瀝青改性效果[8]。

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[9]，黏韌性試驗(yàn)荷載—變形曲線如圖1，瀝青韌性=曲線CDEF的面積，單位為N·m；瀝青黏韌性=曲線ABCDF的面積，單位為N·m。根據(jù)黏韌性試驗(yàn)原理，本文提出瀝青“黏結(jié)性”的概念，瀝青黏結(jié)性=曲線ABCE的面積=瀝青黏韌性－瀝青韌性，單位為N·m。瀝青黏結(jié)性為瀝青的黏結(jié)性部分，表現(xiàn)為力值較大，變形較小；瀝青的韌性為瀝青的彈性部分，表現(xiàn)為力值較小，變形較大。瀝青是典型的黏彈性材料，在黏韌性試驗(yàn)中會(huì)同時(shí)表現(xiàn)出兩種性質(zhì)。

圖1 黏韌性試驗(yàn)荷載—變形曲線

本文中的部分改性瀝青黏韌性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 改性瀝青黏韌性試驗(yàn)結(jié)果

SBS用量從0%增加到6%，黏韌性和韌性逐漸增加，但是黏結(jié)性幾乎沒(méi)有變化，峰值拉力也增加較小。說(shuō)明SBS對(duì)基質(zhì)瀝青的改性作用，主要體現(xiàn)在提高瀝青彈性方面，在提高黏結(jié)強(qiáng)度方面貢獻(xiàn)較少。當(dāng)SBS用量為8%及其以上時(shí)，黏韌性、韌性、黏結(jié)性、峰值拉力開(kāi)始降低，表明此時(shí)改性瀝青內(nèi)部的改性劑聚集態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，由自由分散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟Y(jié)聚集狀態(tài)，內(nèi)聚力增大，改性瀝青流動(dòng)性下降，依靠SBS形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變形吸收能量的作用被削弱。由于黏韌性試驗(yàn)拉伸速度很快（500 mm/min），改性瀝青未能及時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)位移，導(dǎo)致不易再被拉伸，而且斷裂較快。黏韌性—SBS用量的關(guān)系曲線上存在峰值點(diǎn)，SBS用量并不是越高越好。表3中還表明樹(shù)脂能夠顯著提高瀝青的黏韌性能，黏韌性和韌性分別提高了19%和23%。

3 工程應(yīng)用

高黏度改性瀝青試驗(yàn)路段位于大同至渾源高速公路路面工程在渾源—大同方向大縱坡路段。試驗(yàn)路段設(shè)計(jì)為兩種結(jié)構(gòu)，見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)路段設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

高黏度改性瀝青采用現(xiàn)場(chǎng)加工方式，中標(biāo)供應(yīng)商提供的基質(zhì)瀝青為加德士90號(hào)道路A級(jí)石油瀝青，采用SBS與增黏樹(shù)脂復(fù)合改性技術(shù)，改性劑用量進(jìn)行了微調(diào)，最終制備的高黏度改性瀝青指標(biāo)見(jiàn)表5，高黏度改性瀝青混合料路用性能見(jiàn)表6。

表5 高黏度改性瀝青指標(biāo)

表6 高黏度改性瀝青混合料路用性能

試驗(yàn)路段于2011年施工完畢并投入使用，經(jīng)過(guò)近3年的高溫重載、低溫雪凍，目前無(wú)車(chē)轍無(wú)裂紋無(wú)坑槽，是預(yù)防長(zhǎng)大縱坡病害頑疾的一個(gè)典范。其長(zhǎng)期使用性能仍在密切監(jiān)測(cè)中。

4 結(jié)論

a）隨著SBS用量增加，改性瀝青動(dòng)力黏度、運(yùn)動(dòng)黏度均呈倍數(shù)增長(zhǎng)，黏韌性先增加后降低。

b）增黏樹(shù)脂能夠有效提高SBS改性瀝青動(dòng)力黏度，降低運(yùn)動(dòng)黏度，提高黏韌性。

c）采用SBS與增黏樹(shù)脂復(fù)合改性是制備高黏度改性瀝青的一種有效方法，高黏度改性瀝青混合料路用性能優(yōu)異，長(zhǎng)期使用性能還待觀察。