SBS改性彩色瀝青與透水瀝青混合料性能分析

唐蘭軍

(河北交通投資集團(tuán)公司 石家莊市 050000)

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，土木工程日漸增多，尤其是道路工程建設(shè)加快，瀝青膠結(jié)料的需求量呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)[1-3]。在脫色瀝青內(nèi)外摻各類無機(jī)染料或者添加劑后制成彩色瀝青可以優(yōu)化其路用性能，在工程實(shí)踐中廣泛嘗試應(yīng)用[4]。研究脫色瀝青外摻無機(jī)染料與添加劑后各路用性能變化程度與機(jī)理成為一項(xiàng)亟待解決的課題。

以研究彩色瀝青膠結(jié)材料與透水瀝青混合料的性能為主要內(nèi)容，選取SBS改性劑依次同3類無機(jī)染料制備成復(fù)合改性劑，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了彩色瀝青膠結(jié)材料與透水瀝青混合料的路用性能變化，以實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)工程實(shí)踐的目的。

1 瀝青介紹

1.1 原材料介紹

表1 脫色瀝青各技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)概況

彩色瀝青制作的原料有脫色瀝青、SBS改性劑與各染料[5]。瀝青選擇某廠生產(chǎn)的脫色瀝青，具體的技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1數(shù)值。選擇3類無機(jī)染料完成脫色瀝青指定色彩上色，3類無機(jī)染料依次為氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鉻綠。制作前期需把無機(jī)染料利用烘箱干燥1d，期間維持溫度80℃恒定，避免出現(xiàn)潮濕和結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象。SBS改性劑選擇某廠生產(chǎn)的SBS，其比重為0.95,嵌段比S/B值為30/70。

1.2 彩色瀝青的制作

彩色瀝青制作重點(diǎn)關(guān)注剪切溫度、剪切速率與剪切時(shí)長(zhǎng)三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。其制作流程如下：

(1)把脫色瀝青利用烘箱加熱成流動(dòng)液體，保持165℃恒定，將400g脫色瀝青放進(jìn)剪切罐，把剪切罐置于油浴內(nèi)，保持溫度165℃不變。

(2)添加占脫色瀝青質(zhì)量75%的無機(jī)染料，保持剪切儀4200r/min的轉(zhuǎn)速與剪切溫度170℃0.5h。

(3)外摻占脫色瀝青質(zhì)量5.0%的SBS改性劑，保持剪切儀3200r/min的轉(zhuǎn)速0.34h，同時(shí)維持其剪切溫度170℃ 1h不變，實(shí)現(xiàn)SBS改性彩色瀝青溶脹充分發(fā)育。

2 彩色瀝青物理與流變性能分析

2.1 物理性能分析

各彩色瀝青物理性能檢測(cè)數(shù)據(jù)與相關(guān)規(guī)范要求匯總在表2中。通過表2中具體數(shù)值比較不難看出，研究所用3類顏色SBS改性彩色瀝青各評(píng)價(jià)指標(biāo)全部達(dá)到相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

表2 各顏色彩色瀝青各物理性能指標(biāo)檢測(cè)數(shù)值概況

根據(jù)表2中數(shù)值以圖形方式展示以便更為直觀獲得各無機(jī)染料SBS改性彩色瀝青物理性能異同。通過圖1與圖2能夠看出，外摻無機(jī)染料與SBS改性劑，可有效減小脫色瀝青針入度指標(biāo)，氧化鐵紅、氧化鉻綠與氧化鐵黃減小幅度依次為12.4%、41.6%、29.3%。外摻無機(jī)染料與SBS改性劑時(shí)，可提升瀝青膠結(jié)料的軟化點(diǎn)，上述3類無機(jī)染料增幅依次為2.7℃、3.8℃、3.3℃。通常規(guī)律，在外摻無機(jī)粉體材料會(huì)削減瀝青自由運(yùn)動(dòng)同時(shí)吸收瀝青中輕組分從而導(dǎo)致瀝青變硬與改善高溫性能。分析針入度與軟化點(diǎn)的變化情況可得，依次外摻5.0%SBS改性劑和氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鉻綠進(jìn)行復(fù)合，全部可以改善瀝青高溫性能，其改善程度由高至低依次為：氧化鐵黃、氧化鉻綠、氧化鐵紅。

圖1 各類型瀝青針入度對(duì)比

圖2 各類型瀝青軟化點(diǎn)對(duì)比

由于SBS改性彩色瀝青在15.0℃時(shí)延度全部超過150cm，所以加設(shè)試驗(yàn)溫度15.0℃時(shí)的彩色瀝青延度試驗(yàn)以從定量角度對(duì)比各無機(jī)染料彩色瀝青延度，結(jié)果見圖3。在外摻無機(jī)染料與SBS改性劑時(shí)，瀝青膠結(jié)料延度提升，氧化鐵紅、氧化鐵黃與氧化鉻綠三者增幅依次為16.5%、11.3%、14.5%。因?yàn)闊o機(jī)粉體材料分散于瀝青內(nèi)，應(yīng)力相對(duì)集中，極易減小瀝青低溫性能。而SBS改性劑能夠大幅度提高瀝青低溫性能，所以在外摻5.0%SBS改性劑與無機(jī)染料復(fù)合改性時(shí)，可有效抵消無機(jī)染料對(duì)瀝青低溫性能的削減影響，進(jìn)而可以小幅增大瀝青延度。

圖3 各類型瀝青延度對(duì)比

2.2 彩色瀝青流變性分析

(1)復(fù)數(shù)模量與相位角

利用動(dòng)態(tài)剪切流變儀完成脫色瀝青與SBS改性彩色瀝青高溫時(shí)復(fù)數(shù)模量與相位角的檢測(cè)，以反映瀝青膠結(jié)料黏性與彈性，上述兩個(gè)參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄在表3、表4中。

表3 在不同溫度下各彩色瀝青復(fù)數(shù)模量對(duì)比

分析表3能夠得出，溫度在52.0～82.0℃時(shí)，瀝青膠結(jié)料復(fù)數(shù)模量由高至低為：綠色瀝青、黃色瀝青、紅色瀝青、脫色瀝青?？赏频萌悷o機(jī)染料和SBS改性劑復(fù)合作用全部可使脫色瀝青的復(fù)數(shù)模量值增大。復(fù)數(shù)模量值表征瀝青硬度與抗變形性能，所以復(fù)數(shù)模量值上升即瀝青硬度上升，抗高溫形變性能改善。

分析表4能夠看出，溫度在52.0～82.0℃時(shí)，各瀝青相位角值與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，即溫度上升，瀝青膠結(jié)料彈性比例下降，黏性比例逐步上升。各瀝青的相位角由高至低分別是脫色瀝青、紅色瀝青、黃色瀝青、綠色瀝青，可推斷外摻無機(jī)染料和SBS改性劑復(fù)合改性時(shí)，脫色瀝青相位角下降。相位角下降反映瀝青復(fù)變模量?jī)?nèi)彈性成分所占比例上升，瀝青彈性恢復(fù)率上升。相位角上升即反映瀝青復(fù)合模量?jī)?nèi)黏性成分比例上升。所以外摻SBS改性劑和無機(jī)染料復(fù)合可以有效增大脫色瀝青彈性，進(jìn)而改善瀝青混合料抗永久變形能力。

(2)車轍因子分析

車轍因子可反映瀝青抵抗高溫車轍性能，其求解為復(fù)數(shù)模量除以相位角的正弦值獲得[6]。在相同溫度時(shí)，復(fù)數(shù)模量值大且相位角小，車轍因子較大即表明瀝青的抗車轍能力高，反之瀝青抗車轍能力小。各SBS改性彩色瀝青車轍因子試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成表5。分析表5車轍因子隨溫度變化趨勢(shì)推斷，外摻無機(jī)染料和SBS改性劑復(fù)合改性時(shí)，脫色瀝青車轍因子值全部上升。在76.0℃溫度下，氧化鐵紅、氧化鐵黃與氧化鉻綠軟化點(diǎn)的增幅依次為22.3%、37.5%、66.5%。通過上述分析可得外摻入無機(jī)染料和SBS改性劑復(fù)合改性后，可大幅增強(qiáng)脫色瀝青的抗車轍能力。

表5 在不同溫度下各SBS改性彩色瀝青車轍因子對(duì)比

(3)透水性瀝青混合料路用性能探討

利用最大公稱粒徑13.0mm的透水性瀝青混合料(PAC-13)，通過馬歇爾設(shè)計(jì)方式獲得瀝青混合料配合比，雙面擊實(shí)50次，設(shè)計(jì)最佳油石比例為5.0%。PAC-13礦料合成級(jí)配情況如表6中數(shù)值。

表6 PAC-13混合料礦料合成級(jí)配情況表

PAC-13的路用性能能夠達(dá)到實(shí)際工程需求。依次對(duì)其進(jìn)行車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)四類試驗(yàn)以分析探討PAC-13混合料的高溫性能、低溫性能與水穩(wěn)定性能。

PAC-13混合料的高溫性能借助車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)來表征分析。設(shè)定試驗(yàn)溫度60℃不變，試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)匯總在表7中。動(dòng)穩(wěn)定度與透水瀝青混合料的高溫性能呈正相關(guān)關(guān)系。通過表7內(nèi)數(shù)值情況能夠得到，3類有色瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度全部超過6000次/mm的下限值，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度高低排序：氧化鉻綠改性瀝青混合料、氧化鐵黃改性瀝青混合料、氧化鐵紅改性瀝青混合料、脫色瀝青混合料。前者的動(dòng)穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后三者的動(dòng)穩(wěn)定度。綜上所述，3類改性瀝青混合料高溫性能高低次序?yàn)椋貉趸t綠改性瀝青混合料、氧化鐵黃改性瀝青混合料、氧化鐵紅改性瀝青混合料。

表7 透水瀝青混合料車轍試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)匯總表

PAC-13混合料的低溫彎曲試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)整理在表8中。瀝青混合料低溫性能與彎拉破壞應(yīng)變呈正相關(guān)關(guān)系，與勁度模量值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過分析表8中數(shù)值變化，能夠得到改性PAC-13混合料彎拉破壞應(yīng)變低于2800με，在外摻入無機(jī)染料和5.0%SBS復(fù)合改性時(shí)，3類彩色透水瀝青混合料彎拉破壞應(yīng)變?nèi)砍^規(guī)定的下限值2800με。3類彩色瀝青混合料彎拉破壞應(yīng)變由高至低依次為：紅色瀝青混合料、黃色瀝青混合料、綠色瀝青混合料，即得到3類彩色瀝青混合料的低溫性能優(yōu)劣如上述順序。

表8 PAC-13混合料的低溫彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

PAC-13混合料浸水馬歇爾與凍融劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總在表9內(nèi)。選取殘留馬歇爾穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比兩個(gè)指標(biāo)來表征PAC-13混合料的水穩(wěn)定性能。與脫色瀝青混合料相比較，3類PAC-13透水瀝青混合料殘留馬歇爾穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比值全部增大，即推斷外摻入無機(jī)染料和5.0%SBS復(fù)合改性可有效增大PAC-13混合料的水穩(wěn)定能力。同時(shí)3類PAC-13混合料殘留馬歇爾穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比值兩個(gè)參數(shù)全部達(dá)到工程技術(shù)規(guī)定，且3類混合料基本一致，即3者水穩(wěn)定性并無明顯差異。

表9 PAC-13混合料浸水馬歇爾與凍融劈裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

以研究彩色瀝青膠結(jié)材料與透水瀝青混合料的性能為主要內(nèi)容，選取SBS改性劑依次同3類無機(jī)染料制備成復(fù)合改性劑，通過分析各試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到如下結(jié)論：

(1)外摻3類無機(jī)染料與SBS改性劑全部可以改善瀝青高溫性能，改善程度優(yōu)劣次序：氧化鉻綠、氧化鐵黃、氧化鐵紅。

(2)外摻3類無機(jī)染料與SBS改性劑全部可以改善瀝青低溫性能，改善程度優(yōu)劣次序：氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鉻綠。

(3)外摻3類無機(jī)染料與SBS改性劑全部可以大幅度增強(qiáng)脫色瀝青抗車轍能力。

(4)3類PAC-13透水瀝青混合料路用性能全部達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，高溫性能優(yōu)劣次序：氧化鉻綠、氧化鐵黃、氧化鐵紅；低溫性能優(yōu)劣次序：氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鉻綠；水穩(wěn)定性能3類瀝青幾乎一致。