基于材料性能和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的改性瀝青適用性

張 琛, 潘 峰, 李佳儂

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)特殊環(huán)境道路工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410114； 2.西安航空學(xué)院能源與建筑學(xué)院，西安 710077)

瀝青路面是中國(guó)高等級(jí)公路的一種常見路面結(jié)構(gòu)型式。近年來(lái)，隨著中國(guó)汽車工業(yè)及物流產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，瀝青路面承受越來(lái)越多的超載與重載作用，在溫度、降雨等外界環(huán)境的綜合作用下，進(jìn)而產(chǎn)生了各種各樣的路面病害，較為常見的為高溫車轍和低溫裂縫[1-2]。瀝青結(jié)合料是瀝青路面的主要組成部分之一，是一種具有時(shí)間和溫度依賴性的黏彈性材料，即低溫條件下表現(xiàn)為脆性黏彈性，高溫條件下則具有良好的流動(dòng)性，瀝青路面的車轍和裂縫病害均與瀝青結(jié)合料的黏彈性能有關(guān)[3-4]。

針對(duì)于此，中外學(xué)者們嘗試了使用不同類型的改性劑來(lái)提升瀝青結(jié)合料或混合料的性能。郝培文等[5]采用黏度試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)研究了反應(yīng)性彈性體三元共聚物對(duì)基質(zhì)瀝青與SBS(styrene-butadiene-styrene)改性瀝青性能的影響。賀強(qiáng)等[6]通過添加SBR(styrene-butadiene rubber)改性劑制備復(fù)合改性瀝青，系統(tǒng)研究了剪切速率、剪切溫度等因素對(duì)復(fù)合改性瀝青路用性能的影響。彭超等[7]探究了單寧酸改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量、相位角、車轍因子和黏度隨著不同溫度不同單寧酸改性瀝青摻量的變化而變化的情況。王嵐等[8]對(duì)不同溫拌劑及溫拌劑摻量的溫拌橡膠改性瀝青與膠粉改性瀝青進(jìn)行高溫動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)與重復(fù)荷載恢復(fù)試驗(yàn)，并對(duì)溫拌橡膠改性瀝青的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。Menapace等[9]研究了兩種瀝青結(jié)合料(一種未改性的和一種聚合物改性的)在抗老化劑作用下表面微觀結(jié)構(gòu)的變化。Hamedi等[10]針對(duì)道路工程中瀝青抗剝落劑的使用問題，研究了兩種液體抗剝落劑的使用效果，并對(duì)瀝青混合料試件進(jìn)行了疲勞實(shí)驗(yàn)和車轍試驗(yàn)。Kim等[11]通過25 ℃動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和-12 ℃彎曲梁流變?cè)囼?yàn)，評(píng)價(jià)了含蠟添加劑的廢橡膠改性瀝青的抗裂性能。由中外研究現(xiàn)狀分析可知，性能良好的改性劑會(huì)在高溫下提升瀝青結(jié)合料的勁度和復(fù)數(shù)模量，而低溫下則降低瀝青結(jié)合料的勁度和復(fù)數(shù)模量，從而達(dá)到改善瀝青結(jié)合料性能的目的。聚合物改性劑通過改善瀝青的黏合力和內(nèi)聚力來(lái)提高瀝青及瀝青混合料的性能，并增強(qiáng)瀝青路面的抗車轍性和疲勞性能。然而，聚合物改性瀝青比傳統(tǒng)瀝青的成本要高，且在改善瀝青低溫性能方面不是很理想，目前實(shí)際工程中在改性瀝青的選用方面也缺乏相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)。

因此，尋找經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的瀝青改性方法并考慮其區(qū)域適用性，對(duì)于路面工程師來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)迫切任務(wù)。相關(guān)研究表明，使用回收材料代替原始材料具有顯著的社會(huì)效益，比如可以減少垃圾填埋場(chǎng)的壓力[12]。此外，通過使用少量廉價(jià)的改性劑，也是一種獲取更經(jīng)濟(jì)的改性瀝青材料的方法[13]?；诖耍x擇廢膠粉(ground tire rubber, GTR)、多聚磷酸(polyphosphoric acid, PPA)和SBS高聚物作為SK90#基質(zhì)瀝青的改性劑，以河北某高等級(jí)公路為依托工程，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(dynamic shear rheometer, DSR)和彎曲梁流變儀(bending beam rheometer, BBR)對(duì)不同改性瀝青結(jié)合料的高低溫性能進(jìn)行研究，基于Bonferroni法對(duì)不同老化狀態(tài)下的各改性瀝青進(jìn)行分組，并分析廢膠粉(GTR)改性瀝青和多聚磷酸(PPA)改性瀝青在河北地區(qū)的適用性，從而為實(shí)際工程中改性瀝青的合理選用提供理論支撐。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

河北地區(qū)位于中國(guó)華北地帶，地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季相對(duì)炎熱，冬季寒冷有雪，各地的氣溫年較差、日較差都較大。采用韓國(guó)SK90#瀝青作為基質(zhì)瀝青，該瀝青為河北地區(qū)常用瀝青，其基本性能如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)性能

1.2 改性瀝青

采用廢膠粉(GTR)、多聚磷酸(PPA)、SBS聚合物三種不同的改性劑對(duì)SK90#基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，技術(shù)指標(biāo)如表2所示。改性瀝青制備的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表2 不同類型改性劑的技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

2.1 改性瀝青的制備

研究的改性瀝青分別為SBS改性瀝青、GTR改性瀝青和PPA改性瀝青，不同改性瀝青的制備有一定的區(qū)別。具體的制備方法分別如下：

表3 改性瀝青結(jié)合料的制備參數(shù)

2.1.1 SBS改性瀝青

為了避免瀝青結(jié)合料長(zhǎng)期暴露于高溫[(175±1) ℃]條件下而產(chǎn)生的一定程度的降解，采用熔融共混的方法制備研究所需SBS改性瀝青[14]。首先將商用20%高濃度SBS改性瀝青樣品加熱至(175±1) ℃，然后用適量的SK90#基質(zhì)瀝青稀釋至本研究所需的不同濃度；接著，將混合后的SBS改性瀝青在溫度為(150±1) ℃的條件下以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌2 h，以確保本研究所用SBS改性瀝青均勻混合。

2.1.2 GTR改性瀝青

為了制備GTR改性瀝青，根據(jù)供應(yīng)商的建議，將SK90#基質(zhì)瀝青加熱至(150±1) ℃，然后將所需的GTR加入到結(jié)合料中并在高速剪切機(jī)中以4 000轉(zhuǎn)混合20 min，然后將拌和好的改性瀝青樣品攪拌1 h以確?；旌暇鶆颉?/p>

2.1.3 PPA改性瀝青

根據(jù)供應(yīng)商的建議，將SK90#基質(zhì)瀝青加熱至(150±1) ℃，然后將所需的PPA加入到結(jié)合料中并以300 r/min的轉(zhuǎn)速將拌和好的改性瀝青樣品攪拌1 h，以確保其混合均勻。

2.2 試驗(yàn)方法

為了研究各結(jié)合料的高溫性能，基于DSR動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(AASHTO T 315)對(duì)瀝青結(jié)合料壽命的三個(gè)關(guān)鍵階段進(jìn)行評(píng)估。第一階段針對(duì)未老化瀝青進(jìn)行研究，表征瀝青運(yùn)輸(混合前)期間的性質(zhì)。第二階段針對(duì)經(jīng)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(rolling thin film oven, RTFO)短期老化處理后的瀝青結(jié)合料進(jìn)行研究，表征瀝青混合料生產(chǎn)和施工期間的性質(zhì)。第三階段對(duì)經(jīng)壓力老化容器(pressure aging vessel, PAV)長(zhǎng)期老化處理后的瀝青進(jìn)行研究，表征瀝青路面服役后期的性質(zhì)。此外，為了評(píng)估各瀝青結(jié)合料的低溫性能，基于AASHTO T 313試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行了彎曲梁流變儀(BBR)試驗(yàn)。

為了分析廢膠粉(GTR)和多聚磷酸(PPA)在河北地區(qū)的適用性，以及對(duì)SBS改性劑的替代作用，采用Bonferroni法對(duì)不同改性瀝青進(jìn)行了分組研究。Bonferroni法又稱Bonferronit檢驗(yàn)，該方法首先用t檢驗(yàn)完成各組間均值的配對(duì)比較，然后通過設(shè)置每個(gè)檢驗(yàn)的誤差率來(lái)控制整個(gè)誤差率，常用于當(dāng)幾組資料的平均水平被初步判定差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義后，所需進(jìn)行的進(jìn)一步歸類分組研究[15]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 DSR動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

由于使用DSR試驗(yàn)確定瀝青結(jié)合料流變參數(shù)的變異系數(shù)較小，故試驗(yàn)針對(duì)瀝青的未老化狀態(tài)、RTFO老化狀態(tài)和PAV老化狀態(tài)各制備兩個(gè)平行試件進(jìn)行研究[16]。不同溫度T(52、58、64、70 ℃)下未老化瀝青結(jié)合料的試驗(yàn)平均值如圖1所示。

|G*|為復(fù)數(shù)模量；δ為相位角；G*/sinδ為車轍因子圖1 未老化瀝青的DSR流變?cè)囼?yàn)結(jié)果Fig.1 DSR rheological test results of unaged asphalt

根據(jù)圖1中的試驗(yàn)結(jié)果，采用SPSS(statistical product and service solutions)方差分析研究各改性瀝青結(jié)合料對(duì)車轍因子的影響顯著性，其中顯著性水平為0.05，結(jié)果如表4所示。

表4 改性瀝青結(jié)合料對(duì)車轍因子的影響顯著性分析

由圖1、表4可知，三種改性劑對(duì)原樣未老化瀝青的高溫性能均有顯著影響。與基質(zhì)瀝青相比，SBS、PPA、GTR的摻加可以增加基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)模量，即勁度增大，顯著改善了瀝青的高溫性能。此外，這些改性劑降低了改性瀝青的相位角，即降低了瀝青結(jié)合料的黏度。對(duì)于PPA改性瀝青，相位角相對(duì)于溫度呈線性趨勢(shì)，而SBS和GTR瀝青則表現(xiàn)出相位角的非線性趨勢(shì)，這可能是由于GTR和SBS的熔點(diǎn)較高，且二者分別在SBS和GTR瀝青中更多呈現(xiàn)物理混溶后的發(fā)育溶脹而造成的[17]。

基于方差分析結(jié)果，采用Bonferroni法對(duì)各結(jié)合料進(jìn)行相似性分組，即將經(jīng)Bonferroni法比較后具有相近車轍因子值的結(jié)合料放入同一組中。對(duì)試驗(yàn)溫度為52、58、64、70 ℃條件下獲取的原樣瀝青(未老化)車轍因子進(jìn)行分組，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，在不同的試驗(yàn)溫度下，由于瀝青結(jié)合料的溫度依賴性，可以看出各瀝青結(jié)合料的分組略有不同。Bonferroni的分組結(jié)果表明，在所有溫度下，摻加0.7%PPA和3%SBS的改性瀝青車轍因子在統(tǒng)計(jì)學(xué)上沒有顯著差異，當(dāng)強(qiáng)調(diào)瀝青路面的高溫性能時(shí)，它們可以在河北地區(qū)互換使用。另外，摻加1.2%PPA和5%SBS的改性瀝青結(jié)合料在所有試驗(yàn)溫度下也表現(xiàn)出類似的結(jié)果。由此可推斷，PPA和SBS對(duì)瀝青結(jié)合料的流變性能的影響存在線性關(guān)系。當(dāng)試驗(yàn)溫度為52 ℃時(shí)，摻加5%SBS和8%GTR的改性瀝青結(jié)合料可以歸為一組，互換使用。然而，隨著試驗(yàn)溫度的升高，摻加5%SBS和8%GTR的結(jié)合料車轍因子則表現(xiàn)出了差異性。應(yīng)該指出的是，這一發(fā)現(xiàn)可能僅適用于本文的特定結(jié)合料組合。不同試驗(yàn)溫度下(52、58、64、70 ℃)經(jīng)RTFO老化后的瀝青結(jié)合料試驗(yàn)平均值如圖2所示。

表5 基于車轍因子的原樣瀝青分組結(jié)果

根據(jù)圖2中的試驗(yàn)結(jié)果，采用SPSS方差分析研究各改性瀝青結(jié)合料對(duì)車轍因子的影響顯著性，其中顯著性水平為0.05，結(jié)果如表6所示。

|G*|為復(fù)數(shù)模量；δ為相位角；G*/sinδ為車轍因子圖2 RTFO老化瀝青的DSR流變?cè)囼?yàn)結(jié)果Fig.2 DSR rheological test results of RTFO aged asphalt

基于Bonferroni法對(duì)試驗(yàn)溫度為52、58、64、70 ℃條件下獲取的RTFO老化瀝青車轍因子進(jìn)行分析，結(jié)果如表7所示。

綜合圖2、表6、表7可知，與未老化瀝青結(jié)合料分組結(jié)果類似，將摻加0.7%PPA和3%SBS的結(jié)合料分組在一起。同樣，摻加1.2%PPA和5%SBS改性的結(jié)合料也沒有顯示出統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著差異。不同試驗(yàn)溫度下(31、28、25、22 ℃)經(jīng)PAV老化后的瀝青結(jié)合料試驗(yàn)的平均值如圖3所示。

根據(jù)圖3中的試驗(yàn)結(jié)果，采用SPSS方差分析研究各改性瀝青結(jié)合料對(duì)疲勞因子的影響顯著性，其中顯著性水平為0.05，結(jié)果如表8所示。

由圖3、表8可以看出，當(dāng)試驗(yàn)溫度在中溫區(qū)間(22～31 ℃)時(shí)，各改性劑的摻加對(duì)PAV老化瀝青結(jié)合料疲勞因子的影響并不顯著(P均大于0.05)，即上述改性劑的摻加對(duì)經(jīng)PAV老化的瀝青結(jié)合料在中溫區(qū)間時(shí)的疲勞性能不會(huì)造成顯著影響。為了進(jìn)一步研究SBS、GTR和PPA對(duì)瀝青結(jié)合料性能的影響，基于Bonferroni法對(duì)不同溫度下PAV老化瀝青結(jié)合料的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分組，如表9所示。

表6 RTFO老化改性瀝青結(jié)合料對(duì)車轍因子的影響顯著性

表7 基于車轍因子的RTFO老化瀝青分組結(jié)果

表8 各PAV老化改性瀝青結(jié)合料對(duì)疲勞因子的影響顯著性分析

由表9可知，各PAV老化改性瀝青結(jié)合料在31 ℃時(shí)可歸為一組中。也就是說(shuō)，各PAV老化改性瀝青對(duì)疲勞因子的影響無(wú)顯著的差異。對(duì)于經(jīng)PAV老化的各改性瀝青結(jié)合料在28 ℃時(shí)的結(jié)果與31 ℃類似，不同的是GTR改性結(jié)瀝青結(jié)合料在28℃時(shí)與0.7%PPA改性瀝青結(jié)合料分為一組，這是因?yàn)閾郊覩TR降低了瀝青結(jié)合料的勁度，其效果與摻加0.7%PPA類似[18]。與高溫下相位角的非線性趨勢(shì)不同，圖3(b)表明經(jīng)PAV老化的瀝青結(jié)合料在中間溫度下的相位角均具有線性趨勢(shì)，這是因?yàn)闉r青結(jié)合料在中間溫度下具有更好的黏彈性[19]。

圖3 PAV老化瀝青的DSR流變?cè)囼?yàn)結(jié)果Fig.3 DSR rheological test results of PAV aged asphalt

表9 PAV老化改性瀝青疲勞因子對(duì)比

3.2 彎曲梁流變儀(BBR)試驗(yàn)

彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)是研究瀝青結(jié)合料低溫性能的常用方法。在BBR試驗(yàn)中，主要是研究瀝青結(jié)合料的低溫勁度與松弛特性。BBR試驗(yàn)基于AASHTO T 313試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行。對(duì)于每種改性瀝青結(jié)合料，采用兩組平行試件，在三種不同溫度(-6、-12、-18 ℃)下進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 各瀝青結(jié)合料的彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)結(jié)果Fig.4 Rheological test (BBR) results of bent beams with different asphalt binders

由圖4(a)可知，摻加GTR可在低溫下顯著降低瀝青結(jié)合料的勁度。摻加SBS或PPA改性劑的瀝青結(jié)合料勁度也略微降低。圖4(b)中所示的勁度變化率(m)表示瀝青應(yīng)力松弛的速率，m越大，應(yīng)力松弛能力越好。由圖4(b)可知，相較于基質(zhì)瀝青，摻加PPA可以增加瀝青結(jié)合料的m，而摻加GTR或SBS則降低了該值[20]。采用Bonferroni法對(duì)各結(jié)合料在低溫下(-6、-12、-18 ℃)的勁度進(jìn)行分組，結(jié)果如表10所示。

結(jié)合圖4(a)、表10可知，在所有試驗(yàn)溫度下，與基質(zhì)瀝青相比，摻加5%SBS 的改性瀝青和摻加8%GTR以及摻加1.2%PPA的改性瀝青的勁度在統(tǒng)計(jì)學(xué)上均沒有顯著差異，且三者均降低了基質(zhì)瀝青的勁度。因此，當(dāng)強(qiáng)調(diào)瀝青路面的低溫性能時(shí)，摻加8%GTR和摻加1.2%PPA的改性瀝青可以在河北地區(qū)代替摻加5%SBS的改性瀝青使用。

同樣，采用Bonferroni法對(duì)各結(jié)合料在低溫下(-6、-12、-18 ℃)的m進(jìn)行分組，結(jié)果如表11所示。結(jié)合圖4(b)和表11可知，雖然摻加PPA略微增加了瀝青結(jié)合料的m，但其效果在統(tǒng)計(jì)學(xué)上并不顯著。此外，僅在試驗(yàn)溫度為-6 ℃時(shí)，摻加SBS或GTR的改性瀝青相較于基質(zhì)瀝青在一定程度上會(huì)降低m。

表10 基于低溫勁度的瀝青結(jié)合料分組結(jié)果Table 10 Grouping results of asphalt binder based on low temperature stiffness

表11 基于m的瀝青結(jié)合料分組結(jié)果

4 實(shí)際工程驗(yàn)證

依托工程為河北某高等級(jí)公路試驗(yàn)段，所采用SK90#基質(zhì)瀝青價(jià)格約為3 000元/t，SBS的價(jià)格約為12 500元/t，PPA約為8 000元/t，GTR約為1 600元/t，對(duì)不同的結(jié)合料進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，結(jié)果如表12所示。

由表12可知，GTR改性瀝青和PPA改性瀝青與SK90#基質(zhì)瀝青的單價(jià)相當(dāng)，但相對(duì)于SBS改性瀝青具有一定的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。分別采用四種瀝青(SK90#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、PPA改性瀝青、GTR改性瀝青)和相同的混合料配合比對(duì)試驗(yàn)段的上面層進(jìn)行鋪筑，并對(duì)開放交通1年后的試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，如圖5、圖6所示。

表12 不同結(jié)合料的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

圖5 試驗(yàn)路現(xiàn)場(chǎng)鋪筑Fig.5 Field building of test road

圖6 試驗(yàn)路現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研Fig.6 Field research of test road

由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果可知，GTR、PPA、SBS改性瀝青路面均無(wú)明顯的車轍或裂縫現(xiàn)象，而采用SK90#基質(zhì)瀝青鋪筑的路面則出現(xiàn)明顯的裂縫。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)環(huán)保性和技術(shù)性能指標(biāo)，從短期來(lái)看在河北地區(qū)采用PPA改性瀝青或GTR改性瀝青替代SBS改性瀝青是可行的。在未來(lái)的研究中，將會(huì)對(duì)試驗(yàn)路的狀況進(jìn)行跟蹤調(diào)研，從而對(duì)研究成果的長(zhǎng)期效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)與修正。

5 結(jié)論

以SK90#瀝青為基質(zhì)瀝青，制備了三種不同的改性瀝青(SBS、GTR、PPA)，研究不同改性劑對(duì)瀝青結(jié)合料高低溫性能和時(shí)間-溫度依賴性行為的影響，并基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和瀝青結(jié)合料的性能對(duì)不同改性瀝青在不同老化狀態(tài)和不同溫度條件下進(jìn)行分組，從而研究廢膠粉(GTR)改性瀝青和多聚磷酸(PPA)改性瀝青在河北地區(qū)的適用性，所得結(jié)論如下。

(1)與基質(zhì)瀝青相比，SBS、GTR、PPA三種改性劑對(duì)未老化和RTFO老化后的改性瀝青高溫性能均有顯著影響。當(dāng)強(qiáng)調(diào)瀝青路面的高溫性能時(shí)，在河北地區(qū)，摻加0.7%PPA(1.2%PPA)的改性瀝青可以替代摻加3%SBS(5%SBS)的改性瀝青，PPA和SBS對(duì)瀝青結(jié)合料的流變性能的影響存在線性關(guān)系。

(2)SBS、GTR和PPA三種改性劑的摻加對(duì)經(jīng)PAV老化后的改性瀝青在中溫區(qū)間時(shí)(22～31 ℃)的疲勞性能不會(huì)造成顯著影響。與高溫區(qū)間(52～70 ℃)下相位角的非線性趨勢(shì)不同，經(jīng)PAV老化的瀝青結(jié)合料在中溫區(qū)間下的相位角均呈線性趨勢(shì)。

(3)相較于基質(zhì)瀝青，摻加PPA可以增加瀝青結(jié)合料的m，而摻加GTR或SBS則使得該值產(chǎn)生一定程度的降低。當(dāng)強(qiáng)調(diào)瀝青路面的低溫性能時(shí)，摻加8%GTR和摻加1.2%PPA的改性瀝青可以在河北地區(qū)代替摻加5%SBS的改性瀝青使用。