降粘劑對高彈改性瀝青SMA性能的影響

劉廣宇，孫克強，王 民

(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣州 510623； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶 400067)

0 引言

大跨徑正交異性鋼橋面板受力復雜，對瀝青鋪裝層的抗高溫性能、低溫抗裂性能及耐久性要求較高[1-3]。而高彈改性瀝青具有較高的粘度、低溫延度和彈性恢復率，不僅擁有較好的抗高溫變形能力，低溫抗裂性和耐久性也十分突出。因此，鋼橋面鋪裝常采用高彈瀝青SMA作為磨耗層[4-5]。然而，大跨徑橋梁上一般風速較大，施工過程中瀝青混合料熱量散發(fā)快，溫度下降迅速。橋面鋪裝工程一般遠離瀝青拌和站，較遠的運距同樣會導致混合料熱量散發(fā)多，溫度下降迅速，不易壓實。再加上高彈型改性瀝青粘度較高，影響了SMA混合料鋪筑時的施工和易性，進而影響瀝青磨耗層的防水性能、力學強度和耐疲勞性能[6-7]。

通過降低混合料的粘度，既可以解決壓實度不足，同時也提高了施工和易性。本文以廣東省潮汕環(huán)線高速公路榕江特大橋工程為依托，通過采用降粘劑對現(xiàn)有高彈改性SMA瀝青結(jié)合料生產(chǎn)配方做進一步降粘優(yōu)化，并從瀝青結(jié)合料、混合料兩個維度對降粘效果進行評價。

1 降粘劑

1.1 降粘劑簡介及原理

降粘劑根據(jù)其技術(shù)原理，可分為泡沫類、有機添加劑類和化學添加劑類等，各類型降粘劑的用量和使用方法見表1。

表1 各類型降粘劑的用量和使用方法

其中，有基類降粘劑成本低、添加方便，在工程應(yīng)用中使用較為廣泛。SAK(賽克)改性劑是上海某道路公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)良的溫拌劑、高溫抗車轍劑，該材料具有增軟、降針、降粘的效果，同時易融。Sasobit是由德國Sasol-Wax公司研發(fā)的一種長鏈聚烯烴類改性劑，具有較好的降粘改性作用，當拌和溫度高于其熔點時，能夠完全融于瀝青結(jié)合料和混合料，它在瀝青中的改性機理如圖1所示。常溫下它以固態(tài)形式(晶體)存在于瀝青中，從而增大瀝青的粘度；高溫時，當瀝青溫度超過Sasobit熔點(110 ℃～120 ℃,一般115 ℃)溫度，則Sasobit溶化，從而使瀝青的粘度降低。Sasobit-REDUX為Sasobit的衍生型產(chǎn)品，同樣具有較好的降粘作用[8-10]。

圖1 Sasobit降粘機理

1.2 降粘劑比選

為對不同降粘劑的降粘效果進行對比分析，采用某高彈改性瀝青配方，對上海產(chǎn)某降粘劑A、B以及SAK三種降粘劑進行研究，通過摻加0.5%、1.0%、1.5%、2.0%用量，測試不同用量下的針入度、軟化點及粘度，試驗結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 不同降粘劑外摻比例對高彈改性瀝青針入度的影響

圖3 不同降粘劑外摻比例對高彈改性瀝青軟化點的影響

圖4 不同降粘劑外摻比例對高彈改性瀝青延度的影響

圖5 不同降粘劑外摻比例對高彈改性瀝青布氏粘度的影響

(1)從圖2可以看出，在A、B、SAK三種降粘劑試驗下，隨著三種降粘劑摻量的不斷增加，添加降粘劑B時改性瀝青的針入度變化不明顯，添加降粘劑SAK和A時改性瀝青的針入度逐漸減小，其中添加SAK改性劑時針入度值最小，可見SAK對改性瀝青的硬度改變較大，溫度敏感性最小。

(2)從圖3可以看出,隨著SAK和降粘劑A摻量的增加，軟化點隨之不斷增大，其中SAK對瀝青軟化點的提高程度要明顯比A要高，表明SAK對抗高溫變形能力具有較大程度的提升。降粘劑B隨著摻量的增加使改性瀝青軟化點呈現(xiàn)小幅度下降，與其組分密切相關(guān)，其原因是降粘劑B中含有小比例的芳烴類化合物，致使瀝青的粘度、稠度降低。

(3)從圖4可以看出，隨著SAK和降粘劑A的摻量逐漸增大時，瀝青的延度呈現(xiàn)出下降趨勢。降粘劑B對改性瀝青影響不明顯，其中SAK對瀝青延度的損傷程度最大。

(4)從圖5可以看出，三種降粘劑對高彈改性瀝青的降粘效果較明顯。隨著外摻比例的增加，175℃布氏黏度均呈現(xiàn)出線性降低的趨勢，其中SAK降粘效果最佳，降粘劑B次之。

綜合以上各降粘劑對比試驗結(jié)果可知，SAK的降粘效果最為明顯，能夠明顯改善瀝青混合料的粘度，進而提升現(xiàn)場施工和易性。同時，SAK對改性瀝青的軟化點、針入度均有較大幅度的改善，提高瀝青結(jié)合料的高溫穩(wěn)定性。鑒于材料來源及成本，本研究選取SAK降粘劑做進一步探究。

2 SAK對高彈改性瀝青性能影響的分析

分別加入高彈改性瀝青質(zhì)量2%、3%和4%的SAK改性劑，攪拌均勻后檢測瀝青關(guān)鍵性能參數(shù)，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 SAK改性劑對高彈瀝青軟化點和針入度的影響

圖7 SAK改性劑對高彈瀝青老化前后延度的影響

由試驗結(jié)果可以看出，隨著SAK摻量的提高，高彈改性瀝青的軟化點隨之提高，針入度下降，老化前后的延度也均有所下降。說明SAK改性劑的加入，能夠提高瀝青的高溫穩(wěn)定性，但低溫抗裂性有所降低。然而，在4%摻量范圍內(nèi)，瀝青老化前后5℃延度最低分別為33/0.1mm和17.5/0.1mm，遠高于現(xiàn)行規(guī)范對瀝青性能的要求。

3 SAK對高彈瀝青SMA性能影響的分析

3.1 基本性能

采用玄武巖粗集料、細集料和石灰?guī)r礦粉進行SMA配合比試驗，礦料級配如圖8所示。

其中，纖維采用聚乙烯纖維，用量為混合料質(zhì)量的3‰，最佳瀝青用量為6.0%，馬歇爾體積指標見表2。

圖8 高彈瀝青SMA礦料級配

表2 SMA馬歇爾體積指標

3.2 低溫抗裂性

采用本文所述礦料級配和瀝青用量，分別加入高彈改性瀝青質(zhì)量2%、3%、4%的SAK改性劑，成型小梁試件，進行-10℃低溫小梁彎曲破壞試驗，結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 SAK對高彈瀝青SMA低溫彎曲極限應(yīng)變的影響

圖10 SAK對高彈瀝青SMA彎拉強度和勁度模量的影響

由試驗結(jié)果可以看出，隨著SAK 摻量的增加，高彈改性瀝青SMA瀝青混合料的低溫小梁彎曲應(yīng)變隨之降低，彎拉強度增大，表明隨著SAK摻量的增加，對混合料低溫性能的損傷程度進一步增大。其中加入3%以上時，變化趨勢放緩，且低溫彎曲應(yīng)變滿足不低于3 000με的技術(shù)要求；隨著SAK摻量的增加，高彈瀝青勁度模量有所下降，說明混合料變得強度更高、延展性更好。由試驗結(jié)果判斷，采用3%添加量的SAK較為合適。

3.3 高溫穩(wěn)定性

以上述礦料級配和瀝青用量，加入瀝青質(zhì)量3%的SAK，進行60℃車轍試驗，試驗結(jié)果如圖11所示。

圖11 3%SAK對混合料車轍動穩(wěn)定度和疲勞壽命的影響

由試驗結(jié)果可以看出，相對于未摻加SAK的高彈改性瀝青SMA混合料，使用3%SAK時60℃車轍動穩(wěn)定度提高了0.38倍，對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的改善作用明顯，和瀝青的測試結(jié)果影響規(guī)律相一致。

3.4 耐疲勞性能

采用上述礦料級配和瀝青用量，加入瀝青質(zhì)量3%的SAK，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTJ E20-2011)》的試驗方法，成型四點彎曲疲勞試驗試件，采用應(yīng)變控制模式，在600με下進行試驗，溫度為20℃，結(jié)果如圖11所示。

由試驗結(jié)果可以看出，加入 3%SAK改性劑后，對高彈瀝青SMA的疲勞次數(shù)有一定影響，但影響幅度不足8%。

4 結(jié)論

(1)以廣東潮汕環(huán)線榕江特大橋工程項目為依托，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)泡沫類、有機添加劑類和化學添加劑類三種降粘劑中，以SAK的降粘效果最優(yōu)。

(2)摻入SAK后，高彈改性瀝青的針入度和延度下降、軟化點上升，對瀝青高溫穩(wěn)定性的改善作用明顯；對低溫抗裂性有所影響，但4%用量范圍內(nèi)，高彈改性瀝青的延度指標仍遠高于現(xiàn)行規(guī)范要求。

(3)SAK對高彈改性瀝青SMA性能的影響較大，低溫彎曲極限應(yīng)變和勁度模量有所降低，彎拉強度先有所上升后隨之降低，車轍動穩(wěn)定度提高了38%。綜合分析確定降粘劑的摻量為3%。