寬溫域改性瀝青基礎(chǔ)性能研究

顏展翔

(長沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410007)

寬溫域改性瀝青基礎(chǔ)性能研究

顏展翔

(長沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410007)

針對(duì)季凍區(qū)路面使用環(huán)境，為解決其低溫抗開裂和高溫抗車轍能力之間的矛盾，以橡膠瀝青和SBS改性瀝青為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，通過不同材料組成及配比對(duì)改性瀝青配方進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究其高低溫性能，最終獲得典型寬溫域改性瀝青配方，這種改性瀝青能夠滿足高低溫性能均衡；在理論上闡述寬溫域改性瀝青形成機(jī)理；最后通過試驗(yàn)分析獲得寬溫域改性瀝青針入度、延度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)率等基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)。

改性瀝青； 寬溫域； 針入度； 延度； 軟化點(diǎn)； 彈性恢復(fù)率； 試驗(yàn)分析

0 引言

改性瀝青品種在一些特殊環(huán)境施工中具有優(yōu)勢(shì)，目前認(rèn)為高低溫綜合性能較好的改性瀝青品種有3種，分別是SBS改性瀝青、SBR改性瀝青和橡膠瀝青。它們的優(yōu)勢(shì)顯而易見，不足之處也無法避免：首先是SBS改性瀝青，由于SBS和瀝青無法有效相融，一旦儲(chǔ)存溫度過高時(shí)解離情況就會(huì)出現(xiàn)；其次為SBR改性瀝青，相對(duì)于SBS改性瀝青和橡膠瀝青承載能力相對(duì)較弱，無法保證強(qiáng)度安全儲(chǔ)備；最后為橡膠瀝青，由于低溫延度較小，因此低溫性能并不理想。基于以上種種情況，研究出高低溫性能均衡的瀝青意義重大，故而本文將重點(diǎn)放在寬溫域改性瀝青方面，希望能夠解決這一問題。

1 高低溫性能均衡的寬溫域改性瀝青研究

現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》關(guān)于公路工程常用的SBS改性瀝青、SBR改性瀝青、橡膠瀝青高低溫主要性能指標(biāo)要求如表1。

表1對(duì)比結(jié)果顯示，SBR改性瀝青優(yōu)勢(shì)在于其低溫性能，因此在寒區(qū)應(yīng)用效果較好，橡膠瀝青功能主要表現(xiàn)在高溫性能方面，在熱區(qū)能夠有效發(fā)揮作用，由此不難發(fā)現(xiàn)在高低溫性能方面三者都無法做到均衡，存在一定提升空間，實(shí)踐需要一種改良瀝青能夠同時(shí)兼具優(yōu)良高低溫性能，二者達(dá)到平衡，這也是本文研究方向。

表1 SBS、SBR、橡膠改性瀝青高低溫性能指標(biāo)規(guī)定

本文參照了橡膠瀝青和SBS改性瀝青的優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上將目光放在了寬溫域改性瀝青方面，希望能夠做到高低溫性能均衡，研究以我國季凍區(qū)氣候?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，參看其他改良瀝青技術(shù)指標(biāo)，設(shè)置寬溫域改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)，即5℃延度指標(biāo)超過60cm，軟化點(diǎn)TR&B指標(biāo)超過80℃，25℃彈性恢復(fù)指標(biāo)超過80%，針入度(25℃，100g,5s)指標(biāo)范圍為50～110(0.1mm)，設(shè)置由表2所示。

表2 擬定寬溫域改性瀝青基本性能指標(biāo)

研究材料主要為基質(zhì)瀝青、SBS、廢胎橡膠粉，在此基礎(chǔ)上加入添加劑，從而完成寬溫域改性瀝青。本研究所需要主要材料性能指標(biāo)由表3所示。

每種聚合物改性瀝青配比條件不同，本研究對(duì)4種瀝青進(jìn)行對(duì)比，它們分別為橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青、寬溫域改性瀝青。表4中顯示這4種不同聚合物改性瀝青材料配比情況。

經(jīng)試驗(yàn)并整理相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各聚合物改性瀝青實(shí)驗(yàn)樣品對(duì)應(yīng)測(cè)得的主要技術(shù)指標(biāo)結(jié)果如表5。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：

表3 本試驗(yàn)研究所采用的材料性能指標(biāo)規(guī)定值

表4 4類聚合物改性瀝青材料配比情況表

表5 4類聚合物樣品對(duì)應(yīng)測(cè)得的技術(shù)指標(biāo)

1) SBS改性瀝青與橡膠瀝青相比，高溫性能略好于后者，低溫性能沒有明顯差別；復(fù)合改性瀝青與SBS改性瀝青、橡膠瀝青相比，低溫性能優(yōu)勢(shì)明顯，但高溫性能要較二者為低。

2) 從高低溫性能方面進(jìn)行比較，橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青三者各占優(yōu)勢(shì)，但總體差別不大。

3) 寬溫域改性瀝青最明顯優(yōu)勢(shì)在于高低溫性能均衡，在這兩種情況下優(yōu)勢(shì)明確，尤其在低溫性能方面無可匹敵，從高溫性能指標(biāo)方面來看，其軟化點(diǎn)可達(dá)88℃已明顯說明問題，低溫性能指標(biāo)同樣突出，5℃延度最高可達(dá)70cm。

2 寬溫域改性瀝青的制作流程及機(jī)理分析

2.1 寬溫域改性瀝青的制作流程

1) 首先設(shè)定溫度范圍，在設(shè)計(jì)流程中選擇170～190℃，SBS和基質(zhì)瀝青需要符合要求，設(shè)定典型寬溫域改性瀝青比例，對(duì)上述已經(jīng)配備好的瀝青進(jìn)行剪切、攪拌、研磨，最終獲得SBS改性瀝青。

2) 廢舊輪胎橡膠粉是在常溫下獲得，通過機(jī)械粉碎方式最終成為SBS改性瀝青的改性劑，它是需要摻入SBS改性瀝青中發(fā)揮作用，操作需要在高溫環(huán)境下進(jìn)行，適宜溫度為180～200℃。需要充分拌合，只有與瀝青發(fā)生反應(yīng)后，才能最終形成新型寬溫域改性瀝青。

3) 寬溫域改性瀝青的獲得實(shí)質(zhì)經(jīng)歷2次過程，它是在改性瀝青的基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次改性。

2.2 寬溫域改性瀝青機(jī)理分析

1) 寬溫域改性瀝青的形成機(jī)理: 首先需要在高溫中使橡膠顆粒與SBS改性瀝青能夠充分混合而發(fā)生反應(yīng)，溫度條件為180～200℃，在這個(gè)溫度下橡膠粉顆粒發(fā)生變化，發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，使其向SBS改性瀝青擴(kuò)散，二者充分溶和。在這個(gè)過程中，由于吸附作用使得橡膠粉顆粒出現(xiàn)溶脹溶解等物理反應(yīng)，同時(shí)還會(huì)引起脫硫、降解等化學(xué)反應(yīng)，其自身具有的塑性和黏性有所恢復(fù)，從而變得柔軟而疏松，表面可以形成凝膠體，這將有助于核心部分與SBS改性瀝青分子形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，膠結(jié)料中出現(xiàn)連續(xù)相共混體系。

2) 寬溫域改性瀝青具有其他改性瀝青無法比及的性能，在高溫條件下性質(zhì)不會(huì)發(fā)生改變，檢查顯示200℃左右溫度無法使其固 — 液兩相體發(fā)生變化，這與其形成方式密切相關(guān)，寬溫域改性瀝青在高溫環(huán)境中的穩(wěn)定性決定了其良好性能，在這一點(diǎn)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通瀝青及橡膠瀝青，與SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青相比同樣優(yōu)勢(shì)明顯。

3 寬溫域改性瀝青基礎(chǔ)性能分析

對(duì)寬溫域改性瀝青性能進(jìn)行研究，通過對(duì)比分析方式獲得數(shù)據(jù)。對(duì)比對(duì)象分別為橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青等改性瀝青，對(duì)它們基礎(chǔ)性能進(jìn)行分析比較，尋找針入度、延度方面差別，同時(shí)也比較了其它指標(biāo)情況，如軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)率等。

選定的4種瀝青材料配比如表6所示。

表6 選定的4類改性瀝青聚合物材料配比情況表

試驗(yàn)按照現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》要求，分別進(jìn)行針入度、延度、軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)率等試驗(yàn)。

3.1 針入度試驗(yàn)

獲得改性瀝青軟硬程度和稠度指標(biāo)需要通過針入度試驗(yàn)完成，二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，如果所獲得針入度較大則改性瀝青硬度較小，稠度也相對(duì)較小，反之硬度及稠度較大。這一指標(biāo)反映出改性瀝青抗剪切破壞的能力大小以及相對(duì)黏度情況。本文對(duì)比寬溫域改性瀝青與其它改良瀝青針入度情況，測(cè)試對(duì)象分別為橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青。荷重為100g±0.05g貫入試驗(yàn)試樣5s后計(jì)取，單位為0.1mm，在不同試驗(yàn)溫度下進(jìn)行，低溫分別為-20、-10、5℃,高溫分別為15、25和30℃。低溫盛樣皿在恒溫冰柜中放置，高溫盛樣皿放置在恒溫水浴中，時(shí)間都為1.5h。分別進(jìn)行3個(gè)平行試件試驗(yàn)，將所得結(jié)果取平均值，如表7所示，分別獲得不同溫度下4種改性瀝青針入度變化情況，如圖1、圖2所示。

表7 4類改性瀝青聚合物針入度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 4類改性瀝青聚合物不同溫度情況下針入度

圖2 寬溫域改性瀝青聚合物針入度隨溫度變化曲線圖

試驗(yàn)結(jié)果: ①不同溫度下寬溫域改性瀝青針入度都大于其他改性瀝青，與三者相比優(yōu)勢(shì)明顯； ②在各種溫度下對(duì)改性瀝青針入度進(jìn)行比較，其中橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青三者差距不明顯； ③通過在不同溫度下進(jìn)行針入度試驗(yàn)所獲結(jié)果來看，在對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間方面寬溫域改性瀝青明顯大于其他改性瀝青，幅度可以達(dá)到20℃。對(duì)這種情況進(jìn)行分析，考慮與將橡膠粉加入SBS改性瀝青密切相關(guān)，因?yàn)榭梢越档秃笳呦鄬?duì)粘度，使稠度明顯減少，從而提高其抗剪切破壞能力，使其在高溫及低溫環(huán)境中都能表現(xiàn)出良好性能。

3.2 延度試驗(yàn)

延度直接與改性瀝青塑性密切相關(guān)，二者呈現(xiàn)正比關(guān)系，延度指標(biāo)越大說明其塑性越好，這也是改性瀝青性能重要指標(biāo)之一。延度試驗(yàn)中將寬溫域改性瀝青與其他3種改性瀝青進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，分別為橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青，選擇4個(gè)試驗(yàn)溫度分別為5、10、15和25℃，試件拉伸速度設(shè)定在5℃時(shí)為1cm/min，超過這一溫度為5cm/min±0.25cm/min。進(jìn)行3個(gè)平行試件試驗(yàn)，將所獲得結(jié)果取平均值，以此作為每組試驗(yàn)結(jié)果，最后由表8表示出來。利用在不同溫度下所獲得數(shù)據(jù)，最終尋找各種改性瀝青延度變化規(guī)律，由圖3、圖4所示。

表8 4類改性瀝青聚合物延度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 4類改性瀝青聚合物不同溫度情況下延度

圖4 寬溫域改性瀝青聚合物延度隨溫度變化曲線圖

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果： ①寬溫域改性瀝青在試驗(yàn)所選溫度條件下延度明顯大于其他對(duì)比改性瀝青； ②橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青在低溫條件時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，更容易發(fā)生延度試模斷裂情況，延度數(shù)值很低，無法保證試驗(yàn)有效進(jìn)行； ③在3種對(duì)比改性瀝青中SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青延度情況相似，二者在不同溫度情況下延度都大于橡膠瀝青； ④當(dāng)溫度升高時(shí)3種對(duì)比改性瀝青延度也會(huì)隨之增大，而寬溫域改性瀝青則相對(duì)穩(wěn)定，可以維持在一定范圍(≤70cm)； ⑤在所設(shè)定的實(shí)驗(yàn)溫度范圍(5～25℃)內(nèi)寬溫域改性瀝青延度變化可維持在60～70cm之間，相對(duì)變化幅度小。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得如下結(jié)論：寬溫域改性瀝青無論在高溫還是在低溫環(huán)境下塑性都較好，相對(duì)于橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青優(yōu)勢(shì)明顯，溫度變化時(shí)其可塑性較少受到影響。

3.3 軟化點(diǎn)試驗(yàn)

改性瀝青試件受熱的情況下會(huì)出現(xiàn)軟化，導(dǎo)致瀝青下垂，當(dāng)其達(dá)到預(yù)定長度時(shí)，此時(shí)溫度被稱為軟化點(diǎn)。這一指標(biāo)可以反映改性瀝青多種性能，如黏度、高溫穩(wěn)定性及感溫性。軟化點(diǎn)與高溫穩(wěn)定性呈現(xiàn)正相關(guān)，當(dāng)其增大預(yù)示著較好高溫穩(wěn)定性。本試驗(yàn)針對(duì)寬溫域改性瀝青軟化點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，與橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。每組試驗(yàn)做3個(gè)平行試件，取平均值作為最終結(jié)果，由表9及圖5所示。

表9 4類改性瀝青聚合物軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

圖5 4類改性瀝青聚合物軟化點(diǎn)

本試驗(yàn)結(jié)果顯示寬溫域改性瀝青軟化點(diǎn)明顯高于其他3種改性瀝青，可以達(dá)到83℃；軟化點(diǎn)高度與高溫穩(wěn)定性呈正相關(guān)，由此獲知寬溫域改性瀝青高溫性能明顯優(yōu)于其他3種改性瀝青；將所得結(jié)果與我國歷史所記載東北季凍地區(qū)夏季高溫時(shí)路面的最高溫度與華南地區(qū)夏季高溫時(shí)的路面最高溫度(前者可高達(dá)53℃，后者可高達(dá)73℃)，寬溫域改性瀝青軟化點(diǎn)指標(biāo)遠(yuǎn)超過這2個(gè)數(shù)值。由此獲得結(jié)論：寬溫域改性瀝青拌制混合料用于我國公路路面鋪筑材料可以顯示出優(yōu)良性能，避免高溫造成的路面損害，有效防止車轍等病害發(fā)生。

3.4 彈性恢復(fù)試驗(yàn)

彈性恢復(fù)率指標(biāo)反映了聚合物改性瀝青彈性恢復(fù)性能及內(nèi)部體系的團(tuán)聚力。本試驗(yàn)研究測(cè)試寬溫域改性瀝青彈性恢復(fù)率情況，對(duì)比其它3種改性瀝青，分別為橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青。設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度為5、10、15和25℃，設(shè)定拉伸速度在5℃時(shí)為1cm/min，其它溫度時(shí)為5cm/min±0.25cm/min。

試驗(yàn)進(jìn)行3個(gè)平行試件測(cè)試，取平均值作為最終結(jié)果，如表10所示，將其關(guān)系用曲線圖如圖6、圖7所示。

表10 4類改性瀝青聚合物彈性恢復(fù)率試驗(yàn)結(jié)果

圖6 4類改性瀝青聚合物不同溫度情況下彈性恢復(fù)率

圖7 寬溫域改性瀝青聚合物彈性恢復(fù)率隨溫度變化曲線

本試驗(yàn)結(jié)果如下: ①從所獲得的彈性恢復(fù)率情況來看，其中性能最優(yōu)越的為寬溫域改性瀝青，復(fù)合改性瀝青、橡膠瀝青緊隨其后，最差的為SBS改性瀝青； ②無論是在低溫還是在高溫環(huán)境中寬溫域改性瀝青彈性恢復(fù)能力都明顯超過其他3種改性瀝青，并能保持穩(wěn)定的彈性恢復(fù)率，維持在88%～93%范圍內(nèi)； ③彈性恢復(fù)的溫度區(qū)間方面來看，寬溫域改性瀝青優(yōu)勢(shì)同樣明顯，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青，并且其彈性恢復(fù)性能受溫度影響較小。

4 結(jié)論

我國華北、東北季凍區(qū)一年內(nèi)溫度變化較大，由于這些地區(qū)大多采用瀝青材料路面，常用改性瀝青無法同時(shí)解決高溫車轍以及低溫開裂兩方面的問題，新型寬溫域改性瀝青的研究意義重大，是解決這一矛盾的有效途徑。本文以橡膠瀝青和SBS改性瀝青為基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)，力圖研制出高低溫性能均衡的改性瀝青，即寬溫域改性瀝青，設(shè)定這種瀝青性能指標(biāo)5℃時(shí)延度在60cm以上，軟化點(diǎn)TR&B指標(biāo)在80℃以上，25℃彈性恢復(fù)指標(biāo)需要超過80%，針入度在50～110(0.1mm)范圍之內(nèi)；從高低溫性能指標(biāo)來看，寬溫域改性瀝青明顯超過橡膠瀝青、SBS改性瀝青及SBR改性瀝青；將這幾種改性瀝青基礎(chǔ)性能進(jìn)行對(duì)比，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：

1) 從針入度試驗(yàn)結(jié)果來看，寬溫域改性瀝青黏度對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間明顯超過其他改性瀝青，溫度區(qū)間超過程度可以達(dá)到20℃。考慮是由于將橡膠粉顆粒作為添加劑摻入SBS改性瀝青中，使其物理及化學(xué)性能發(fā)生改變，相對(duì)黏度及稠度下降，從而獲得更好的抗剪切破壞能力，更加適應(yīng)高低溫環(huán)境變化。

2) 從延度試驗(yàn)結(jié)果來看，寬溫域改性瀝青塑性性能無論在低溫條件還是在高溫環(huán)境中都明顯超過其他3種改性瀝青，溫度變化對(duì)其性能影響較小。

3) 從軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果來看，寬溫域改性瀝青的高溫穩(wěn)定性明顯超過其他3種改性瀝青，軟化點(diǎn)可以高達(dá)83℃。

4) 從彈性恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果來看，寬溫域改性瀝青有著卓越的彈性恢復(fù)能力，無論是在高溫還是在低溫環(huán)境中都明顯超過其他改性瀝青，彈性恢復(fù)率可維持在88%～93%范圍內(nèi)。寬溫域改性瀝青聚合物具有優(yōu)良的彈性恢復(fù)性能，幾乎不受溫度的變化影響。

[1] 施曉強(qiáng),陳先華,楊軍,等. 高模量瀝青混合料的路用性能評(píng)價(jià)[J].公路工程，2014(6).

[2] 郭鋒,侯曙光.木質(zhì)素纖維在高黏瀝青混合料中的分散工藝[J].公路工程，2012(6).

[3] 樊永華.舊水泥混凝土路面瀝青罩面層間處治方案對(duì)比研究[J].公路工程,2015(5).

[4] 張瑞敏,余沛,苗方利. 改性玄武巖殘積土的水理特性試驗(yàn)研究[J].公路工程,2015(5).

[5] 冉武平,李玲,陶澤峰.基于正交試驗(yàn)的路基回彈模量影響因素分析[J].公路工程,2015(5).

[6] 崔華杰,李立寒,劉棟.高模量瀝青混凝土低溫抗裂性能研究[J].公路交通科技,2014(2).

[7] 李強(qiáng),郎衛(wèi)軍.淺談?lì)w粒狀木質(zhì)素纖維在高速公路瀝青路面上的應(yīng)用研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2015(3).

[8] 游玉石,曹榮吉,侯永發(fā),等.路用木質(zhì)素纖維產(chǎn)品制備質(zhì)量指標(biāo)影響關(guān)系研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2010(2).

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