抗車(chē)轍復(fù)合改性瀝青的制備及性能評(píng)價(jià)

徐敏顏奇

（1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410000 2.湖南省第二測(cè)繪院 湖南長(zhǎng)沙 410000）

1 概述

近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，大交通量、重載、超載現(xiàn)象頻出，導(dǎo)致公路在設(shè)計(jì)周期內(nèi)早期病害問(wèn)題嚴(yán)重，其中夏季高溫地區(qū)或長(zhǎng)大陡坡路段的車(chē)轍問(wèn)題表現(xiàn)尤為突出。究其原因，除了重載、超載嚴(yán)重外，路面材料自身抗高溫性能不足及抗推移性能欠缺等也是形成病害的重要原因。為了改善瀝青混合料的膠漿性能，提高路面鋪裝層的抗車(chē)轍性能，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)使用了各式各樣的改性瀝青，但效果均不是很理想。鑒于此，為進(jìn)一步提高鋪裝層抗車(chē)轍能力，本文制備了一種的新的復(fù)合改性瀝青，通過(guò)一系列試驗(yàn)并與其他各種瀝青的路用性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明：復(fù)合改性瀝青具備良好的高溫穩(wěn)定性和抗車(chē)轍能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，適用于高溫地區(qū)、收費(fèi)站進(jìn)出口、長(zhǎng)大陡坡路段或宜于橋面鋪裝層。

2 改性瀝青制備

2.1 原材料

本次試驗(yàn)主要目的是為了提高瀝青的高溫穩(wěn)定性，獲得具有良好抗車(chē)轍能力的改性瀝青，依據(jù)聚合物改性原理，本文選取的制備材料包括：基質(zhì)瀝青、改性劑A、B、C、D。基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 基質(zhì)瀝青

2.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)方案采用正交設(shè)計(jì)，選用一張L9（34）的正交表，安排了4個(gè)因素，每個(gè)因素有3個(gè)水平，并隨機(jī)化處理，均衡搭配，試驗(yàn)次數(shù)9次，所得的試驗(yàn)結(jié)果在一定程度上具有可靠性。在分析數(shù)據(jù)時(shí)采用直觀分析法，即在試驗(yàn)中，諸因素對(duì)響應(yīng)的影響是有主次之分的，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響大，就是主要的，相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之間的差異就大，反之，是次要的，差異就小，這個(gè)主次關(guān)系用極差R來(lái)表示。以此判定各因素對(duì)性能指標(biāo)的影響，并采用綜合平衡法確定各水平之間的最佳組合方案。

2.3 生產(chǎn)工藝及流程

改性瀝青生產(chǎn)流程主要分為研磨反應(yīng)系統(tǒng)和導(dǎo)熱油加熱循環(huán)系統(tǒng)。研磨反應(yīng)系統(tǒng)將基質(zhì)瀝青與改性劑充分混合后，聚和物改性劑在研磨、擠壓和加熱的綜合作用下逐漸變細(xì)，最終以細(xì)小的顆粒狀或絲狀分布于瀝青中；送到成品罐繼續(xù)攪拌反應(yīng)，使基質(zhì)瀝青與改性劑的混合體進(jìn)一步相互作用，發(fā)生溶脹、滲透和擴(kuò)散，形成一個(gè)均勻、穩(wěn)定的膠狀體物質(zhì)。本次所用改性瀝青的生產(chǎn)工藝為對(duì)聚合物實(shí)現(xiàn)兩級(jí)研磨、兩次發(fā)育，使改性劑A、B、C、D均勻分散到基質(zhì)瀝青中，充分發(fā)育，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，達(dá)到改性效果。其工藝流程如圖1所示。

圖1 復(fù)合改性瀝青工藝流程圖

2.4 最佳配比方案確定

本文選取當(dāng)量軟化點(diǎn)T800和旋轉(zhuǎn)粘度兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量高溫穩(wěn)定性。當(dāng)量軟化點(diǎn)T800具有軟化點(diǎn)表示瀝青高溫性能的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，又克服了瀝青中蠟對(duì)軟化點(diǎn)的影響。當(dāng)量軟化點(diǎn)升高，說(shuō)明其高溫穩(wěn)定性得到了提高，因此考核此指標(biāo)較真實(shí)客觀，為了兼顧瀝青低溫性能，將當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2納入考核體系一并考慮。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析如表2。

表2 T800、T1.2正交試驗(yàn)分析表

試驗(yàn)結(jié)果分析：

（1）第4號(hào)試驗(yàn)的總功率系數(shù)d=1.00，其值最大，相應(yīng)的試驗(yàn)條件是A2B1C2D3；

（2）對(duì)于總功率系數(shù)d，影響因素的主、次順序?yàn)镃＞B＞A＞D。因素A隨摻量的增加，總功率系數(shù)d增加的幅度趨勢(shì)是先陡后緩，并略有降低，故取水平A2；當(dāng)因素B對(duì)總功率系數(shù)d影響是先降后升，可取水平B1；因素C在C1～C3范圍內(nèi)變化時(shí)，d呈先快速上升后減緩的趨勢(shì)，可取水平C2；因素D在各水平內(nèi)，d呈下降的趨勢(shì)，但變化不大，且影響是最次要的，可取三水平中的任一水平，記為D0，故推薦的試驗(yàn)條件為：A2B1C2D0。

粘度是指瀝青在外力作用下抵抗變形的能力。它反映瀝青內(nèi)部材料阻礙其相對(duì)流動(dòng)的特性。在一定的溫度范圍內(nèi)，當(dāng)溫度升高時(shí)，粘度隨之降低，反之則增大。粘度大的瀝青在荷載作用下產(chǎn)生較小的剪切變形，彈性恢復(fù)性能好，殘留的永久性塑性變形小，抵抗車(chē)轍的能力強(qiáng)。135℃粘度試驗(yàn)值見(jiàn)表3。

表3 135℃粘度正交試驗(yàn)分析表

由表3分析可知：①影響改性瀝青135℃粘度指標(biāo)大小的主要因素排列順序?yàn)椋篈＞B＞C＞D；②因素A隨摻量的增加，粘度值呈先緩慢增加后陡增的趨勢(shì)，考慮施工和易性的要求（135℃時(shí)粘度指不得超過(guò)3Pa·s），不宜采用過(guò)高摻量，取水平A2；因素B隨摻量的增加，粘度值基本上呈先增后減趨勢(shì)，可取水平B2/B1；因素C對(duì)粘度值的影響是呈遞減趨勢(shì)，可取水平C1/C2；而因素D的影響趨勢(shì)是先降后增，且相差不大，由于因素D對(duì)粘度影響程度是最次要的，可忽略。

經(jīng)論證，采用綜合平衡法，以高溫穩(wěn)定性為主要考核指標(biāo)，兼顧瀝青低溫性能和和特點(diǎn)，推薦采用方案：A2B1C2。

3 DSR試驗(yàn)評(píng)價(jià)

Superpave瀝青結(jié)合料性能規(guī)范指出以最高路面設(shè)計(jì)溫度下DSR試驗(yàn)指標(biāo)G*/sinδ作為瀝青的高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)，按照G*/sinδ超過(guò)1.0kPa（原樣瀝青）和2.2kPa（經(jīng)烘箱老化后）的臨界溫度將瀝青分成不同的等級(jí)。臨界溫度越高，表明該種瀝青抵抗高溫流動(dòng)變形的能力越強(qiáng)，在某一溫度下，瀝青G*/sinδ的越大，表示抗車(chē)轍能力越強(qiáng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

由表4可知：①?gòu)?fù)合改性瀝青的車(chē)轍因子G*/sinδ相對(duì)70#瀝青、SBS改性瀝青都有大幅度的增長(zhǎng)，表明其溫度敏感性低、高溫下抵抗剪切變形的能力強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性得到明顯改善；②經(jīng)RTFOT老化后，復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ較原樣瀝青都有不同程度的提高，表明其抗老化能力強(qiáng)，老化后瀝青的彈性作用增大，主要原因是短期老化使瀝青與改性劑的相容性得到進(jìn)一步改善；③按SHRP規(guī)范分級(jí)：復(fù)合改性瀝青PG88-22，SBS改性瀝青PG76-28，70#瀝青PG70-22，表明復(fù)合改性瀝青的高溫適應(yīng)溫度較后兩者分別高出了2～3等級(jí)，且G*/sinδ在88℃的實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，說(shuō)明其可適應(yīng)更高的溫度范圍。

表4 不同瀝青結(jié)合料老化前后的車(chē)轍因子（G*/sinδ）

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

一種好的新型材料，除了具備良好的路用性能外，還必須考慮其使用成本，本文根據(jù)市面價(jià)格，對(duì)比了幾種瀝青的成本，其結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 瀝青成本估算

由表5可知，幾種瀝青使用成本由低到高排序?yàn)椋?0#瀝青＜SBS改性瀝青＜復(fù)合改性瀝青＜環(huán)氧瀝青，雖然復(fù)合改性瀝青的價(jià)格較SBS改性瀝青高出了19.6個(gè)百分點(diǎn)，但僅為環(huán)氧瀝青的10.3%，其施工工藝遠(yuǎn)不及環(huán)氧瀝青復(fù)雜。復(fù)合改性瀝青混合料良好的路用性能要明顯優(yōu)于SBS改性瀝青混合料和普通瀝青混合料，尤其是高溫抗車(chē)轍能力，能夠提高路面的耐久性，延長(zhǎng)其壽命，可以減少維修次數(shù)、節(jié)省養(yǎng)護(hù)和維修費(fèi)用，改善行車(chē)條件，其社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益良好，應(yīng)用前景廣闊。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)正交試驗(yàn)制備出了一種新型的復(fù)合改性瀝青，確定了基于高溫性能評(píng)價(jià)的最佳配合比方案，總結(jié)了該種瀝青的生產(chǎn)工藝。

（2）復(fù)合改性瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)，G*/sinδ和粘度指較70#瀝青和SBS改性瀝青都有顯著地提高，其混合料的動(dòng)穩(wěn)定度大，表明復(fù)合改性瀝青及其混合料的高溫穩(wěn)定性得到了極大的改善。

（3）復(fù)合改性瀝青抗永久變形能力強(qiáng)，能有效的解決路面車(chē)轍問(wèn)題，且價(jià)格遠(yuǎn)低于環(huán)氧瀝青，僅略高于SBS改性瀝青，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。建議在氣候炎熱、重載較多、長(zhǎng)大縱坡等路段推薦使用。

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