澆注式巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的基本性能試驗(yàn)研究

周曉靜，闞濤，喬弘，王彥敏，張愛勤

(山東交通學(xué)院 山東省高校路面結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250357)

澆注式瀝青混凝土是以改性硬質(zhì)瀝青為膠結(jié)料，與砂石骨料按一定配合比組合而成的一種新型瀝青混合料，在220～260 ℃高溫下拌合，瀝青含量高、礦粉含量多、空隙率較小，具有良好的流動(dòng)性且無需碾壓成型，主要用作鋼橋面鋪裝材料[1]。目前改性硬質(zhì)瀝青多以聚合物改性瀝青與天然湖瀝青摻配而成[2-4]，具有良好的黏結(jié)性、變形追從性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和抗疲勞性，用于國內(nèi)外鋼橋面鋪裝，取得了良好的應(yīng)用效果[5-6]。天然湖瀝青以進(jìn)口為主，成本較高，我國天然巖瀝青資源豐富且高溫穩(wěn)定性良好。

本文采用青川巖瀝青代替天然湖瀝青，對(duì)國產(chǎn)巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的基本性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青組配比例對(duì)三大指標(biāo)和質(zhì)量損失的影響，探討澆注式改性硬質(zhì)瀝青膠結(jié)料的組配方法。

1 澆注式巖瀝青混凝土對(duì)改性硬質(zhì)瀝青的技術(shù)要求

改性硬質(zhì)瀝青在澆注式瀝青混合料中具有極其重要的作用，既要具備高黏度，以提高澆注式瀝青混合料的強(qiáng)度，又要避免瀝青過稠而影響瀝青混合料高溫施工時(shí)較大的流動(dòng)性[7-9]。目前公路鋼箱梁橋面鋪裝采用澆注式混凝土的改性硬質(zhì)瀝青，主要采用聚合物改性瀝青與天然瀝青摻配或采用針入度為20～40(0.1mm)的瀝青摻入聚合物改性組配[10]。對(duì)于夏炎熱區(qū)，其技術(shù)要求見表1。

表1 改性硬質(zhì)瀝青的技術(shù)要求

2 改性硬質(zhì)瀝青的組成材料

2.1 巖瀝青

我國天然巖瀝青主要有青川巖瀝青和新疆巖瀝青，本試驗(yàn)研究采用青川巖瀝青。青川巖瀝青含碳、氫、氧、氮、硫等化學(xué)成分，以瀝青質(zhì)為主要化學(xué)組分。瀝青質(zhì)呈固態(tài)，可以提高巖瀝青的軟化點(diǎn)。青川巖瀝青還含有多種能促進(jìn)石油瀝青中活性基團(tuán)交聯(lián)聚合的有機(jī)鏈，能夠增強(qiáng)瀝青的內(nèi)聚力，改善改性瀝青的抗氧化性、抗流動(dòng)性、黏附性和感溫性，尤其表現(xiàn)出優(yōu)良的抗車轍性能[11]，但低溫性能有所劣化[12-14]。青川巖瀝青的性能指標(biāo)見表2，能夠滿足天然瀝青的技術(shù)要求[15]。

表2 青川巖瀝青的性能指標(biāo)

2.2 基質(zhì)瀝青

研究巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青需要選用合適稠度的基質(zhì)瀝青，參照目前聚合物改性瀝青與巖改瀝青的組配研究，基質(zhì)瀝青主要選用70#、90#石油瀝青，可獲得良好的高溫穩(wěn)定性[16-18]。由于青川巖瀝青硬度較高，因此本試驗(yàn)研究選用90#石油瀝青作為基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性。對(duì)90#石油瀝青采用15 ℃的延度試驗(yàn)，薄膜加熱試驗(yàn)中延度試驗(yàn)溫度為10 ℃，90#石油瀝青性能指標(biāo)見表3，其性能指標(biāo)符合道路石油瀝青的技術(shù)要求[19]。

表3 90#石油瀝青的性能指標(biāo)

2.3 改性劑

研究使用SAW瀝青改性劑、萜烯樹脂、SBS 3種改性劑，SAW瀝青改性劑主要改善瀝青的高溫性能和提高瀝青路面的抗變形能力，降低車轍、防止波浪、擁包現(xiàn)象，降低拌合及施工溫度，有效延長(zhǎng)路面的使用壽命，降低工程造價(jià)，是一種具有優(yōu)良綜合效益的改性劑；萜烯樹脂具有良好的抗氧化性、熱穩(wěn)定性、溶解性和相容性等優(yōu)點(diǎn)；SBS具有良好的拉伸強(qiáng)度和彈性，在高溫條件下氧化，可增加瀝青的硬度和黏度，可以較好改善瀝青的低溫性能、抗疲勞性能、水穩(wěn)定性，同時(shí)能夠優(yōu)化瀝青的高溫性能。為提高巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性，降低施工溫度，增強(qiáng)溶解性和相容性，改善其低溫性能,將SAW瀝青改性劑、萜烯樹脂、SBS 3種改性劑進(jìn)行優(yōu)化摻配形成復(fù)合改性劑，通過加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合改性劑和巖瀝青改性為巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青，并對(duì)巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3 改性硬質(zhì)瀝青的試驗(yàn)研究

3.1 巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的摻配比例

對(duì)90#石油瀝青和復(fù)合改性劑進(jìn)行組配，其中巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青中青川巖瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7.5%、10.0%、12.5%、15.0%[20]，復(fù)合改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、3%和5%。試驗(yàn)配合比見表4。

表4 巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的配合比 %

3.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

依據(jù)表4巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的組配比例，對(duì)針入度、延度、軟化點(diǎn)、質(zhì)量損失、閃點(diǎn)以及密度性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)條件為:針入度選擇25 ℃，100 g，5 s；延度選擇10 ℃，5 cm/min；軟化點(diǎn)采用環(huán)球法；質(zhì)量損失采用旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)，加熱溫度163 ℃，蒸發(fā)時(shí)間5 h；閃點(diǎn)采用克利夫蘭開口杯法；密度采用比重瓶測(cè)定，試驗(yàn)溫度為15 ℃。巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 巖瀝青及復(fù)合改性劑對(duì)針入度的影響

巖瀝青及復(fù)合改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與針入度曲線如圖1所示。由圖1可知，巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的針入度隨著巖瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸降低。若不摻加復(fù)合改性劑，巖瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)從7.5%增加到15.0%時(shí)，其針入度從45(0.1 mm)減小到25(0.1 mm)，減幅為44.4%?？梢姡瑤r瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)改性瀝青的針入度影響較大，巖瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，針入度越小。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)巖瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%時(shí)，針入度滿足改性硬質(zhì)瀝青的指標(biāo)要求。摻加復(fù)合改性劑后，針入度有所變化，隨復(fù)合改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，針入度增大；當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大，針入度減小。因此，當(dāng)復(fù)合改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，巖瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%，針入度滿足改性硬質(zhì)瀝青的指標(biāo)要求。

3.2.2 巖瀝青及復(fù)合改性劑對(duì)軟化點(diǎn)的影響

巖瀝青及復(fù)合改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與軟化點(diǎn)的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)隨著巖瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高，同時(shí)，隨復(fù)合改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，軟化點(diǎn)也逐漸升高，且復(fù)合改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～5%時(shí)，對(duì)軟化點(diǎn)的影響較0～3%時(shí)大。當(dāng)復(fù)合改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，青川巖瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%～15%時(shí)，巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)均大于72 ℃的指標(biāo)要求。

圖1 巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青針入度試驗(yàn)曲線

圖2 巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)曲線

3.2.3 巖瀝青及復(fù)合改性劑對(duì)延度的影響

圖3 巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青延度試驗(yàn)曲線

巖瀝青及復(fù)合改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與延度的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的延度隨巖瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小。若不摻加復(fù)合改性劑，巖瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從7.5%增加到15.0%時(shí)，其延度由16.5 cm減小到7.3 cm，減幅為55.8%?？梢?，巖瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)改性瀝青的延度影響較大，其中巖瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%～12.5%時(shí)，可以滿足改性硬質(zhì)瀝青的指標(biāo)要求。隨著復(fù)合改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，延度有所降低，但其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、巖瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%時(shí)，延度明顯改善。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)復(fù)合改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、巖瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%～12.5%時(shí)，其延度大于10 cm；當(dāng)復(fù)合改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、巖瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%～13.0%時(shí)，延度基本滿足改性硬質(zhì)瀝青的指標(biāo)要求。

圖4 巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青質(zhì)量損失試驗(yàn)曲線

3.2.4 巖瀝青及復(fù)合改性劑對(duì)其他性能指標(biāo)的影響

巖瀝青改性硬質(zhì)中巖瀝青及復(fù)合改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與瀝青質(zhì)量損失的關(guān)系曲線如圖4所示。

分析表5試驗(yàn)結(jié)果，巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的質(zhì)量損失均滿足指標(biāo)要求。由圖4可知，巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的質(zhì)量損失隨著巖瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加不斷減??；同時(shí)，隨著復(fù)合改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的質(zhì)量損失逐漸降低。隨著巖瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的質(zhì)量損失變化趨勢(shì)大致相同。當(dāng)復(fù)合改性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～5%時(shí)，巖瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從7.5%增加到15.0%時(shí)，巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的質(zhì)量損失從-0.281%變化到-0.180%，質(zhì)量損失減少了0.101%。主要原因?yàn)?摻入巖瀝青及復(fù)合改性劑，使輕質(zhì)成分的含量減少，在老化過程中由輕質(zhì)成分轉(zhuǎn)化為硬質(zhì)成分的數(shù)量減少，因而其質(zhì)量損失有所下降。

表5試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著巖瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的閃點(diǎn)逐漸增高，表明巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青具有良好的施工安全性，但閃點(diǎn)隨復(fù)合改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，提高幅度較小。巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青密度較大，其密度均大于1.00 g/cm3。綜合分析改性硬質(zhì)瀝青的基本性能指標(biāo)及其影響規(guī)律，得出巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青中m(石油瀝青):m(天然巖瀝青):m(復(fù)合改性劑)=82.5:12.5:5.0時(shí)，可以獲得良好的高溫性能。

4 結(jié)論

1)巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)隨著巖瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高，改善了巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的高溫性能，針入度、延度和質(zhì)量損失量隨著巖瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸降低。

2)隨著復(fù)合改性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)大幅度提高，針入度有所增大，延度和質(zhì)量損失略有下降。

3)巖瀝青改性硬質(zhì)瀝青中m(石油瀝青):m(天然巖瀝青):m(復(fù)合改性劑)=82.5:12.5:5.0時(shí)，可滿足改性硬質(zhì)瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)要求，可獲得良好的性能。

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