TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青及混合料的低溫性能

張家偉,黃衛(wèi)東,呂 泉,關(guān)維陽(yáng)

(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804; 2.中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200135)

低溫開裂是瀝青路面的主要病害之一，在中國(guó)北方地區(qū)，冬季氣溫通常在0℃以下，隨著溫度的下降，瀝青路面內(nèi)部的低溫應(yīng)力迅速累加直至超過(guò)混合料的強(qiáng)度從而發(fā)生開裂.在瀝青混合料中，集料的溫縮系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于瀝青，故普遍認(rèn)為瀝青混合料低溫性能的80%由瀝青的低溫性能決定[1].因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，一般通過(guò)改善瀝青的低溫性能來(lái)提高混合料的低溫抗裂性.

TB膠粉改性瀝青(MA-TB)是特殊的橡膠粉改性瀝青[2]，TB膠粉在高溫條件下發(fā)生脫硫反應(yīng)，快速分解并與瀝青融合，形成的改性瀝青外觀與普通改性瀝青無(wú)異，可以均勻存儲(chǔ)和工廠化生產(chǎn).研究表明[3-5]，TB膠粉改性瀝青具有良好的低溫性能和耐疲勞特性，但高溫性能較差，因此通常與苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)進(jìn)行復(fù)合改性來(lái)提升瀝青混合料的路用性能.TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青混合料的疲勞性能要優(yōu)于SBS改性瀝青以及橡膠瀝青混合料[6]，TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青的低溫PG分級(jí)溫度也顯著低于其他種類的改性瀝青[7].魏相榮[8]研究發(fā)現(xiàn)TB膠粉和SBS復(fù)合改性瀝青后，其混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及疲勞性能均優(yōu)于TB膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青混合料.董瑞琨等[9]的研究結(jié)果也顯示出TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青比SBS改性瀝青具有更好的疲勞自愈合性能.但目前關(guān)于TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青的研究大多側(cè)重于與其他種類改性瀝青進(jìn)行性能對(duì)比，復(fù)合改性過(guò)程中TB膠粉和SBS摻量對(duì)瀝青及其混合料性能影響的相關(guān)研究較少.

目前對(duì)瀝青低溫性能的評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外較為主流的評(píng)價(jià)指標(biāo)是低溫延度試驗(yàn)、測(cè)力延度試驗(yàn)以及SHARP推薦的低溫PG分級(jí)[10].這些指標(biāo)給出的是瀝青在某一特定條件下的試驗(yàn)結(jié)果，雖然能區(qū)分不同瀝青低溫性能的優(yōu)劣，但瀝青路面的低溫開裂是由于溫度下降，混合料內(nèi)部應(yīng)力緩慢集中而發(fā)生開裂的過(guò)程，其無(wú)法模擬降溫過(guò)程中瀝青內(nèi)部實(shí)際的受力情況.對(duì)瀝青混合料低溫性能的評(píng)價(jià)，最常見(jiàn)的方法是通過(guò)低溫小梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)(BBR)得到其彎曲蠕變勁度，該方法較為簡(jiǎn)單，但評(píng)價(jià)指標(biāo)也較為單一，無(wú)法評(píng)價(jià)路面開裂后的裂縫發(fā)展情況.

本文制備了不同TB膠粉摻量和SBS摻量的TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青，通過(guò)BBR研究了其低溫流變特性，探究了在溫度下降過(guò)程中，瀝青內(nèi)部低溫應(yīng)力的變化情況；通過(guò)半圓彎拉試驗(yàn)(SCB)研究了TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青混合料的低溫抗裂性能；系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了TB膠粉摻量和SBS摻量變化對(duì)TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青及混合料低溫性能的影響，并對(duì)其低溫性能指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1改性瀝青

瀝青為埃索70#基質(zhì)瀝青(E70)；TB膠粉為江陰產(chǎn)橡膠粉，粒徑為0.6mm；SBS為岳陽(yáng)石化公司生產(chǎn)的線型SBS.改性瀝青的制備工藝為：將TB膠粉加入到基質(zhì)瀝青中，在220℃下高速剪切16h以上，制備TB膠粉摻量(1)文中涉及的摻量、油石比等除特殊說(shuō)明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.為20%的TB膠粉改性瀝青(20TB)，其他摻量TB膠粉改性瀝青則通過(guò)在20TB中添加基質(zhì)瀝青稀釋后得到；TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青則通過(guò)向175℃TB膠粉改性瀝青中加入一定量的SBS，攪拌1h后制得.改性瀝青的配合比及基本性能指標(biāo)如表1所示.文中：MA-TB+3SBS表示SBS摻量為3%的TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青；MA-10TB+SBS表示TB膠粉摻量為10%的TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青.

1.1.2改性瀝青混合料

粗集料為玄武巖，細(xì)集料為石灰?guī)r，礦粉為石灰?guī)r礦粉，混合料選用AC-13級(jí)配，設(shè)計(jì)孔隙率為4%(體積分?jǐn)?shù))，選用馬歇爾設(shè)計(jì)方法，確定最佳油石比為0.049，混合料的級(jí)配如表2所示.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1BBR試驗(yàn)

按照ASTM D6648—2016《Standard test method

表1 改性瀝青的配合比及基本性能指標(biāo)

表2 改性瀝青混合料的級(jí)配

for determining the flexural creep stiffness of asphalt binder using the bending beam rheometer(BBR)》，采用Cannon彎曲梁流變儀進(jìn)行BBR試驗(yàn).采用壓力老化試驗(yàn)(PAV)后的瀝青樣品進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)置平行試驗(yàn)2組，結(jié)果取平均值.分別加載8、15、30、60、120、240s，瀝青小梁試件的彎曲蠕變勁度St為：

(1)

式中：P為跨中加載力；L為跨徑；b為小梁試件寬度；h為小梁試件厚度；δ(t)為t時(shí)刻的跨中撓度.

取60s時(shí)的S60和蠕變曲線斜率m60作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并以S60≤300MPa和m60≥0.3作為控制指標(biāo)進(jìn)行低溫PG分級(jí)的劃分.

根據(jù)ASTM D6816-11《Standard practice for determining low-temperature performance grade(PG) of asphalt binders》，首先通過(guò)Christensen-Anderson-Marasteanu(CAM)模型構(gòu)建彎曲蠕變勁度主曲線，然后采用Hopkins and Hamming方法將彎曲蠕變勁度主曲線換算成松弛模量主曲線，最后完成低溫應(yīng)力計(jì)算.假設(shè)從0℃開始降溫，降溫速率為1℃/h，降溫終點(diǎn)為-45℃，線膨脹系數(shù)α為0.00017，即可得到溫度不斷下降的情況下瀝青內(nèi)部產(chǎn)生的低溫應(yīng)力.

1.2.2SCB試驗(yàn)

采用預(yù)先開縫的圓盤形試件進(jìn)行SCB試驗(yàn).試件尺寸為φ150×110mm，通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型.采用數(shù)控機(jī)床將成型好的圓柱形試件切割成厚度為25mm 的圓盤，將圓盤對(duì)中切開，并在跨中進(jìn)行開縫，縫深(a)為12.7、25.4、38.1mm.試驗(yàn)溫度為-18℃，設(shè)置3組平行試驗(yàn)，結(jié)果取平均值.加載前將試件置于-18℃的冰箱進(jìn)行保溫，試驗(yàn)開始時(shí)取出并放置于UTM-100儀器上進(jìn)行加載.為保證開裂速度均勻，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)及文獻(xiàn)調(diào)研，加載速率定為0.5mm/min，跨徑為120mm.SCB試驗(yàn)荷載-位移曲線見(jiàn)圖1.

圖1 SCB試驗(yàn)荷載-位移曲線Fig.1 Load-displacement curve of SCB test

采用應(yīng)變能釋放速率Jc值來(lái)評(píng)價(jià)混合料的低溫抗裂性能，Jc值與現(xiàn)場(chǎng)路面的開裂率有很好的相關(guān)性[11-12]，通常瀝青混合料的Jc值越大，表明其抗裂性能越好.Jc值由不同縫深下SCB試驗(yàn)的應(yīng)變能密度U(見(jiàn)圖1)來(lái)計(jì)算：

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 BBR試驗(yàn)

2.1.1低溫PG分級(jí)

圖2為改性瀝青的低溫PG分級(jí)結(jié)果.由圖2可見(jiàn)：(1)對(duì)于TB膠粉改性瀝青，TB膠粉的摻量越高，瀝青的低溫PG分級(jí)溫度越低，表明TB膠粉的加入能顯著改善瀝青低溫性能.(2)對(duì)于SBS摻量為3%的TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青：隨著TB膠粉摻量的增加，TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青的低溫PG分級(jí)溫度降低；當(dāng)TB膠粉摻量由5%增加到10%時(shí)，改性瀝青的低溫PG分級(jí)溫度明顯降低；當(dāng)TB膠粉摻量大于10%時(shí)，改性瀝青的低溫PG分級(jí)溫度比較接近.說(shuō)明在TB膠粉摻量較高時(shí)，SBS的加入對(duì)瀝青低溫PG分級(jí)的改善效果并不顯著.(3)對(duì)TB膠粉摻量為10%的TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青，隨著SBS摻量的增加，改性瀝青的低溫PG分級(jí)溫度比較接近，呈先上升后緩慢降低的趨勢(shì)，由此可見(jiàn)SBS對(duì)TB膠粉改性瀝青的低溫性能改善并不明顯，甚至還會(huì)損害TB膠粉改性瀝青的低溫性能.

圖2 改性瀝青的低溫PG分級(jí)結(jié)果Fig.2 Low temperature PG classification results of modified asphalts

2.1.2低溫應(yīng)力

圖3為改性瀝青的低溫應(yīng)力曲線.由圖3可見(jiàn)：隨著溫度的降低，瀝青內(nèi)部產(chǎn)生的低溫應(yīng)力逐漸增大；隨著TB膠粉摻量的增加，相同溫度下改性瀝青的低溫應(yīng)力逐漸降低，且降低幅度較大；在 -30℃ 時(shí)，基質(zhì)瀝青的低溫應(yīng)力明顯高于TB膠粉改性瀝青，不同TB膠粉摻量的TB膠粉改性瀝青低溫應(yīng)力比較接近，說(shuō)明TB膠粉的加入對(duì)瀝青低溫性能的改善非常顯著；對(duì)于TB膠粉復(fù)合3%SBS改性瀝青，加入TB膠粉后，瀝青的低溫應(yīng)力也降低，10%TB膠粉復(fù)合3%SBS改性瀝青的低溫應(yīng)力最低，TB膠粉摻量大于10%時(shí)，瀝青的低溫應(yīng)力增大，這說(shuō)明加入3%SBS后，TB膠粉摻量不宜太高；對(duì)于10%TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青，可以發(fā)現(xiàn)幾種瀝青的低溫應(yīng)力曲線比較接近，也證明了復(fù)合改性后，SBS對(duì)瀝青的低溫性能改善并不顯著.

圖3 改性瀝青的低溫應(yīng)力曲線Fig.3 Thermal stress curves of modified asphalts

由圖3還可見(jiàn)：加入TB膠粉后瀝青的低溫應(yīng)力降低顯著；20%TB膠粉改性瀝青的低溫應(yīng)力僅為基質(zhì)瀝青的30%，降低幅度非常明顯；加入3%SBS后，隨著TB膠粉摻量的增加，改性瀝青的低溫應(yīng)力出現(xiàn)了先降低后增加的趨勢(shì)；對(duì)于10%TB膠粉改性瀝青，隨著SBS摻量的增加，瀝青的低溫應(yīng)力也出現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，但變化幅度并不大.從低溫應(yīng)力結(jié)果來(lái)看，10%TB膠粉復(fù)合3%SBS改性瀝青是較優(yōu)的復(fù)合改性方案.

2.2 SCB試驗(yàn)

對(duì)3種縫深試件的應(yīng)變能密度U進(jìn)行線性擬合，得到Jc值，改性瀝青混合料的低溫SCB試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可見(jiàn)：隨著TB膠粉摻量的增加，TB膠粉改性瀝青混合料的Jc值也隨之增加，表明其低溫抗裂性變好；TB膠粉摻量為20%時(shí)，改性瀝青混合料的Jc值很大，表明其低溫抗裂性改善效果極其顯著；對(duì)TB膠粉復(fù)合3%SBS改性瀝青來(lái)說(shuō)，TB膠粉摻量的增大使改性瀝青混合料的Jc值提高、低溫抗裂性能提升；在10%TB膠粉改性瀝青中摻加不同摻量的SBS，少量的SBS(2%)可使改性瀝青混合料的Jc值增大，其低溫抗裂性有一定的提高，而隨著SBS摻量的增加，混合料的Jc值降低，表明其低溫抗裂性變差.加入SBS后，隨著SBS摻量的增加，混合料的低溫抗裂性能逐漸下降，這與低溫PG分級(jí)變化趨勢(shì)截然相反，說(shuō)明對(duì)于TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青，瀝青的低溫性能優(yōu)劣并不能代表混合料的低溫抗裂性好壞.

表3 改性瀝青混合料的低溫SCB試驗(yàn)結(jié)果

2.3 低溫指標(biāo)相關(guān)分析

瀝青低溫PG分級(jí)是現(xiàn)行評(píng)價(jià)瀝青低溫性能最常用的指標(biāo)，將其與瀝青的低溫應(yīng)力、混合料的Jc值進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖4、5所示.由圖4、5可見(jiàn)：TB膠粉改性瀝青的低溫PG分級(jí)溫度與其低溫應(yīng)力存在很強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系，與混合料Jc值也存在一定線性相關(guān)關(guān)系，即TB膠粉改性瀝青的PG分級(jí)溫度可以表征瀝青及混合料的低溫性能，瀝青低溫PG分級(jí)溫度越低，低溫應(yīng)力越小，其混合料的Jc值越大，低溫抗裂性越??；TB膠粉復(fù)合3%SBS改性瀝青的低溫PG分級(jí)溫度與其低溫應(yīng)力以及混合料Jc值的相關(guān)系數(shù)均比較低，但隨著瀝青低溫PG分級(jí)溫度的變化，其低溫應(yīng)力與混合料Jc值的變化趨勢(shì)與TB膠粉改性瀝青相同，即復(fù)合改性瀝青的低溫PG分級(jí)溫度在一定程度上也能反應(yīng)瀝青及其混合料低溫性能的優(yōu)劣；10%TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青的低溫PG分級(jí)溫度與低溫應(yīng)力之間的相關(guān)性很低，而與其混合料Jc值的相關(guān)性很高.有趣的是，線性相關(guān)分析結(jié)果顯示，隨著10%TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青低溫PG分級(jí)溫度的變化，其低溫應(yīng)力與混合料Jc值的變化趨勢(shì)與TB膠粉改性瀝青以及TB膠粉復(fù)合3%SBS改性瀝青的變化趨勢(shì)相反，即較低的低溫PG分級(jí)溫度反而會(huì)使得瀝青低溫應(yīng)力更高，混合料的Jc值更小，低溫抗裂性變差.因此對(duì)TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青來(lái)說(shuō)，SBS的摻入使瀝青體系變得更加復(fù)雜，低溫PG分級(jí)不能反映實(shí)際復(fù)合改性瀝青及其混合料的低溫抗裂性能，需要用其他指標(biāo)對(duì)其低溫性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).

圖5 低溫PG與應(yīng)變能釋放速率的相關(guān)性分析Fig.5 Relationship between low temperature PG and Jc value

3 結(jié)論

(1)與基質(zhì)瀝青相比，TB膠粉改性瀝青具有優(yōu)異的低溫性能，且隨著TB膠粉摻量的增加，TB膠粉改性瀝青的低溫PG分級(jí)溫度下降，瀝青低溫應(yīng)力變小，混合料應(yīng)變能釋放速率Jc值增大，低溫抗裂性增強(qiáng).

(2)TB膠粉復(fù)合3%SBS改性瀝青及其混合料的低溫性能高于基質(zhì)瀝青，且隨著TB膠粉摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的低溫性能改善效果較為顯著，但低于相應(yīng)摻量的TB膠粉改性瀝青.

(3)隨著SBS摻量的增加，10%TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青的低溫性能變化并不明顯，而其混合料的Jc值變小，低溫抗裂性能變差.

(4)TB膠粉改性瀝青的低溫PG分級(jí)可以很好地反映瀝青及其混合料的低溫性能，而TB膠粉復(fù)合SBS改性瀝青不能通過(guò)單一的PG分級(jí)來(lái)評(píng)價(jià)其低溫性能，需要結(jié)合其他指標(biāo)共同評(píng)價(jià).