不同改性劑對瀝青黏結(jié)及抗水損害性能的影響

周 璐, 黃衛(wèi)東, 呂 泉,2,3, 鄭 茂

(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點試驗室, 上海 201804; 2.同濟(jì)大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院, 上海201804; 3.同濟(jì)大學(xué) 上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點試驗室, 上海201804; 4.四川交投建設(shè)工程股份有限公司, 四川 成都 610000)

剝落松散與水損害是發(fā)生在瀝青路面的主要病害.在車輛荷載、凍融循環(huán)及水的剝離作用下,瀝青-集料之間的黏結(jié)作用逐漸失效從而發(fā)生剝落現(xiàn)象.根據(jù)黏結(jié)失效產(chǎn)生界面的不同,可以分為瀝青自身的內(nèi)聚失效與瀝青-集料界面的黏附失效.

從上世紀(jì)30年代至今,國內(nèi)外對于瀝青-集料黏結(jié)性能已有較多研究,但大部分研究并未明確區(qū)分瀝青或瀝青混合料的“內(nèi)聚破壞”與“黏附破壞”.在研究方法上,大多針對瀝青混合料開展試驗,評價檢測所需時間較長.在研究內(nèi)容上,關(guān)于各類改性劑對瀝青黏結(jié)性能的影響,由于不同研究中所用改性劑的摻量不同,試驗方法也不統(tǒng)一,導(dǎo)致研究結(jié)果較為零散,未成體系,甚至對于同一類改性劑,研究結(jié)論也不相同[1-3].綜上,目前缺少利于快速檢測的標(biāo)準(zhǔn)試驗來對多種改性瀝青的內(nèi)聚性能和黏附性能進(jìn)行準(zhǔn)確、統(tǒng)一的系統(tǒng)評價.

針對瀝青黏結(jié)性能的評價,很多研究人員采用肯塔堡飛散試驗來探究瀝青混合料的抗松散性能,利用浸水漢堡車轍(HWT)試驗來評價瀝青混合料在有水條件下的抗剝落性能.這些試驗雖然能夠較為準(zhǔn)確地反映出瀝青材料的路用性能,但檢測過程耗時耗力,且由于影響因素(瀝青、集料、礦粉、纖維等)較多,通常試驗結(jié)果的變異性都較大.而傳統(tǒng)的水煮法與水浸法試驗由于易受試驗人員主觀判斷因素影響,現(xiàn)在已經(jīng)不常使用.另外,研究人員還開發(fā)出了不少新的定量評價方法,例如Gaskin等[4-5]基于動態(tài)剪切流變儀進(jìn)行了兩板法黏結(jié)測試;Cui等[6]用剝離試驗對比了基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青的黏附性.這幾種試驗方法雖然較為快捷,但存在試驗儀器較昂貴、試驗夾具需定制、試驗流程未規(guī)范的問題.

近年來,一些研究中采用拉拔試驗(BBS試驗)對瀝青-集料的黏結(jié)性能進(jìn)行測試.BBS試驗最開始發(fā)展于涂料行業(yè)[7],后被引入到瀝青材料行業(yè)并被納入規(guī)范AASHTO TP—91《Standard method of test for determining asphalt binder strength by means of the binder bond strength(BBS) test》中,成為評價瀝青-集料黏結(jié)性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗.由于其能夠在較短時間里對瀝青的黏結(jié)性能進(jìn)行直觀、便捷的測量,已得到越來越多的應(yīng)用[8-11].

針對目前在瀝青黏結(jié)性能方面研究存在的不足,本文基于BBS試驗,采用5種道路常用改性劑(SBS、橡膠顆粒、TB溶解性膠粉(簡稱TB膠粉)、巖瀝青、多聚磷酸(PPA)),研究了改性劑種類及其摻量對瀝青黏結(jié)性能的影響;同時為明確區(qū)分瀝青的內(nèi)聚破壞和黏附破壞形式,試驗時設(shè)置了干燥與潮濕2種養(yǎng)護(hù)條件.另外,為驗證BBS試驗在評價瀝青黏結(jié)性能與抗水損害性能方面的有效性與準(zhǔn)確性,還進(jìn)行了相應(yīng)瀝青混合料的肯塔堡飛散試驗和浸水漢堡車轍試驗.

1 試驗

1.1 材料

基質(zhì)瀝青選用?？松梨诠旧a(chǎn)的埃索(ESSO)70#瀝青;改性劑有5種,分別為SBS、橡膠顆粒(粒徑0.60mm)、TB膠粉、巖瀝青、多聚磷酸(PPA),其中橡膠顆粒為內(nèi)摻,其余均為外摻.改性瀝青種類及改性劑摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),本文涉及的摻量、用量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示.

表1 改性瀝青種類及改性劑摻量

SBS改性瀝青在儲存過程中容易發(fā)生離析,影響其路用性能.在制備過程中,通常向其中加入硫磺穩(wěn)定劑以防止離析的產(chǎn)生.本文使用的SBS改性瀝青中硫磺摻量均為0.15%.TB溶解性膠粉改性瀝青(TB膠粉瀝青)是一種新型的橡膠粉改性瀝青,通過向瀝青中加入較細(xì)的橡膠顆粒(粒徑一般細(xì)于0.60mm),在高溫下剪切脫硫制成.與傳統(tǒng)的橡膠瀝青不同,TB膠粉瀝青具有很好的儲存穩(wěn)定性,不容易產(chǎn)生離析現(xiàn)象.此外,在施工和易性、路用性能與環(huán)保方面,TB膠粉瀝青相較于傳統(tǒng)的橡膠瀝青也具有明顯優(yōu)勢[12].近20年來,TB膠粉瀝青相關(guān)技術(shù)在國內(nèi)外得到了不斷的發(fā)展與應(yīng)用.

1.2 試驗參數(shù)與方法

1.2.1BBS試驗

本文利用BBS試驗對不同改性瀝青的內(nèi)聚性能和黏附性能進(jìn)行評價.在試件制備過程中,將瀝青加熱至150℃(若為改性瀝青,則加熱溫度為165～170℃)后,將約1g流動瀝青滴在玄武巖石料基板上,再將拔頭覆蓋其上,施加一定的壓力.由于拔頭底部邊緣高度突出0.2m作為支撐,多余的瀝青可以從溢流槽中流出,借此可保證拔頭底部與石板之間的瀝青膜厚度為0.2mm,如圖1(a)所示.隨后,將試件置于25℃恒溫箱中養(yǎng)護(hù)2h,以確保瀝青-集料黏結(jié)強(qiáng)度的形成.為了區(qū)分瀝青的內(nèi)聚破壞和黏附破壞,將試件分為干燥養(yǎng)護(hù)與潮濕養(yǎng)護(hù)2組.干燥養(yǎng)護(hù)組試件在25℃條件下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)24h;潮濕養(yǎng)護(hù)組為模擬路面水損害情況,將試件置于40℃水浴箱中浸泡24h.養(yǎng)護(hù)結(jié)束后,潮濕養(yǎng)護(hù)組試件在BBS試驗前需在25℃恒溫箱中降溫10min,以確保2組試件在測試過程中溫度相同.隨后利用Positest AT-A拉拔儀(見圖1(b)),對黏結(jié)在石板上的拔頭進(jìn)行垂直拉拔.拉拔破壞后,記錄拉拔強(qiáng)度(fP)作為評價瀝青內(nèi)聚性能和黏附性能的指標(biāo),每種樣品有3個平行數(shù)據(jù)，結(jié)果取平均值.通常情況下,干燥養(yǎng)護(hù)組試件的破壞形式基本均為瀝青內(nèi)聚破壞(見圖1(c)),而潮濕養(yǎng)護(hù)組試件由于水的侵入剝離作用,破壞形式以瀝青- 石板界面的黏附破壞(見圖1(d))為主.

圖1 BBS試驗Fig.1 BBS test

1.2.2肯塔堡飛散試驗

肯塔堡飛散試驗被用來評價瀝青混合料的抗松散能力.測試前,瀝青混合料試件在25℃水中浸泡20h,取出后以30r/min的速率旋轉(zhuǎn)300轉(zhuǎn).試驗結(jié)束后,計算試件的質(zhì)量損失作為評價瀝青混合料抗松散性能的指標(biāo).每組試件有4個平行樣品，結(jié)果取平均值.

1.2.3浸水漢堡車轍試驗

本文利用浸水條件下的漢堡車轍試驗來測試瀝青混合料的抗水損害性能.在試驗中,漢堡車轍試件被放置在50℃水浴中進(jìn)行反復(fù)輪碾,當(dāng)加載次數(shù)N達(dá)20000次或形成的車轍深度d達(dá)20.0mm時終止試驗.利用試驗數(shù)據(jù)能夠得到試件在加載過程中出現(xiàn)的蠕變斜率與剝落斜率,2條擬合線相交的點即為“剝落拐點”(SIP),如圖2所示.剝落拐點代表著瀝青混合料開始進(jìn)入水損害階段,一般研究通常將最大車轍深度和剝落拐點指標(biāo)作為評價瀝青混合料性能優(yōu)劣的指標(biāo)[13].在本文的浸水漢堡車轍試驗中,將剝落拐點對應(yīng)的輪碾加載次數(shù)作為瀝青混合料抗水損害性能的評價指標(biāo).每組試件有2個平行樣品，結(jié)果取平均值.

圖2 浸水漢堡車轍試驗結(jié)果Fig.2 Result of wet Hamburg wheel-tracking test

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 BBS試驗結(jié)果分析

2.1.1SBS對瀝青內(nèi)聚性能和黏附性能的影響

圖3為SBS摻量對瀝青內(nèi)聚性能和黏附性能的影響.由圖3可見：SBS改性瀝青的內(nèi)聚拉拔強(qiáng)度和黏附拉拔強(qiáng)度均低于基質(zhì)瀝青;當(dāng)SBS摻量達(dá)到4.5%時,SBS改性瀝青的拉拔強(qiáng)度才有一定的提升,接近于基質(zhì)瀝青,而當(dāng)SBS摻量較高(≥6.0%)時,SBS改性瀝青的內(nèi)聚拉拔強(qiáng)度和黏附拉拔強(qiáng)度又呈現(xiàn)出下降的趨勢.因此,4.5%是SBS改性瀝青的最佳SBS摻量.

圖3 SBS摻量對瀝青內(nèi)聚性能和黏附性能的影響Fig.3 Effect of SBS contents on asphalt cohesion and adhesion properties

BBS試驗結(jié)果顯示,從內(nèi)聚拉拔強(qiáng)度的角度來看,SBS對瀝青的內(nèi)聚性能有不利影響,但多年的道路工程經(jīng)驗卻表明,SBS改性劑能夠明顯改善瀝青的抗松散能力.對這一現(xiàn)象,有以下2點解釋：

(1)根據(jù)前期研究,在BBS試驗中,當(dāng)瀝青膜厚度一定時,瀝青樣品的黏結(jié)強(qiáng)度會隨著拉拔速率的上升而增加.瀝青在常溫下是黏彈性體,相較于基質(zhì)瀝青,SBS改性瀝青在受力狀態(tài)下的延遲彈性變形更為明顯,延長了加載力從拉拔儀器傳遞到瀝青內(nèi)部所需要的時間,這導(dǎo)致了SBS改性瀝青相對于基質(zhì)瀝青具有較低的被加載速率.因此利用BBS試驗在測定SBS改性瀝青的內(nèi)聚拉拔強(qiáng)度時,存在著由于瀝青的延遲變形而導(dǎo)致的拉拔強(qiáng)度降低現(xiàn)象,且隨著SBS摻量的增加,這種效應(yīng)愈加明顯.然而在實際改性效果方面,SBS在瀝青中聚集形成物理交聯(lián)區(qū)域,并相互交織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).這一網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會吸收基質(zhì)瀝青中的飽和分和芳香分而發(fā)生溶脹,同時與瀝青形成較多的物理交聯(lián)和纏繞,導(dǎo)致SBS嵌段共聚物鏈段伸張和取向的阻力增大,從而提高了SBS改性瀝青的內(nèi)聚力.因此,SBS摻量帶來的正向效應(yīng)與反向效應(yīng)相互拮抗,導(dǎo)致了“瀝青的內(nèi)聚拉拔強(qiáng)度隨SBS摻量增加先上升后下降”這一結(jié)果.

(2)由于SBS改性瀝青突出的彈性性能,在評價其內(nèi)聚性能時,不應(yīng)單純從內(nèi)聚拉拔強(qiáng)度的角度分析,還應(yīng)當(dāng)考慮在拉拔過程中其所能承受的拉力做功.在試驗中觀察拉拔儀采集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),基質(zhì)瀝青的拉拔強(qiáng)度在達(dá)到峰值后會立即降至零,破壞界面偏向于“脆斷”;SBS改性瀝青的拉拔強(qiáng)度在達(dá)到峰值后并不呈斷崖式下降,而是呈“坡狀”逐漸降至零,試驗后的破壞界面呈現(xiàn)出部分瀝青“拉絲”的狀態(tài).這表明SBS改性瀝青試件在達(dá)到拉拔破壞值之后,依然能夠承受一定的拉力荷載,說明相對于基質(zhì)瀝青,需要更多的外界拉力做功才能將SBS改性瀝青試件完全破壞.

綜上所述,SBS的摻入一方面會提高瀝青的內(nèi)聚力,另一方面會增加瀝青的彈性性能,導(dǎo)致SBS改性瀝青在受力時出現(xiàn)變形延遲現(xiàn)象.這二者相拮抗的作用效果造成了“SBS改性瀝青的內(nèi)聚拉拔強(qiáng)度隨SBS摻量增加先提高后下降,但低于基質(zhì)瀝青”的現(xiàn)象.但從試件破壞所消耗的能量角度分析,SBS改性瀝青在受到路面各向荷載時,能夠更持久地抵抗荷載,耗散路面荷載的破壞能.因此,SBS的摻入提高了基質(zhì)瀝青的內(nèi)聚性能,這與工程實踐中得到的結(jié)論一致.

在黏附性能方面,SBS的摻入降低了瀝青的黏附拉拔強(qiáng)度.根據(jù)瀝青黏附理論中的“力學(xué)理論”,集料表面有粗糙的多孔結(jié)構(gòu),高溫狀態(tài)下的瀝青能夠進(jìn)入這些孔隙中.當(dāng)溫度降低,瀝青冷卻硬化后,會在孔隙中形成“機(jī)械錨固力”.而SBS的摻入會造成瀝青內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的團(tuán)聚現(xiàn)象,使得瀝青不易被石板表面的小孔隙所吸附.此外,相同加熱條件下,SBS改性瀝青的流動性明顯弱于基質(zhì)瀝青,這也在一定程度上阻礙了瀝青-集料的黏附過程,降低了瀝青與集料實際接觸的面積,從而導(dǎo)致了瀝青黏附能力的下降.

2.1.2膠粉對瀝青內(nèi)聚性能和黏附性能的影響

圖4顯示了多種摻量下傳統(tǒng)橡膠瀝青和TB膠粉瀝青的內(nèi)聚性能和黏附性能,以及這2種橡膠瀝青的對比.由圖4可見,橡膠顆粒的加入會降低瀝青的內(nèi)聚性能和黏附性能,并且隨著摻量的增加,這種不利影響愈加明顯.這是由于0.60mm橡膠顆粒的粒徑較大,在瀝青中不易分散均勻,溶脹并不充分,降低了瀝青的勻質(zhì)性,且橡膠顆粒與瀝青的結(jié)合較弱,降低了瀝青的內(nèi)聚力.橡膠顆粒對瀝青黏附性能的不利作用主要有以下原因：瀝青中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量越高,瀝青-集料間的黏附性越好,而橡膠顆粒在瀝青中的溶脹發(fā)育不充分,橡膠帶來的膠質(zhì)含量提升并不明顯;此外,橡膠顆粒本身并不具有黏附性,其存在又占用了本該被瀝青覆蓋的集料表面積,降低了瀝青與集料黏附的可能性.因此,橡膠顆粒對瀝青黏附性帶來的負(fù)面影響抵消了其“膠質(zhì)含量上升”的正面提升效應(yīng),總體上呈現(xiàn)不利影響.在試驗中可以觀察到,經(jīng)過BBS拉拔試驗后的石板表面會附著部分橡膠顆粒,這進(jìn)一步驗證了橡膠顆粒的存在會對瀝青-集料界面的黏附效應(yīng)產(chǎn)生不利影響,在有水條件下,水更容易侵入到瀝青-集料界面,從而加速了水損害的進(jìn)程.

圖4 橡膠顆粒摻量和TB膠粉摻量對瀝青內(nèi)聚性能和黏附性能的影響Fig.4 Effect of crumb rubber contents and TB rubber contents on asphalt cohesion and adhesion properties

對于TB膠粉瀝青,其內(nèi)聚性能和黏附性能也劣于基質(zhì)瀝青.即使高溫剪切的制備方式使得TB膠粉瀝青具有較好的穩(wěn)定性和勻質(zhì)性,但TB膠粉會導(dǎo)致瀝青的低溫勁度模量降低,其內(nèi)部應(yīng)力吸收的能力變差,抗變形能力不足.此外,在TB膠粉瀝青制備過程中會產(chǎn)生炭黑,這些炭黑在瀝青中分散較為均勻,會阻礙瀝青被集料表面孔隙吸附的過程,從而造成TB膠粉瀝青的黏附性能下降.

對比傳統(tǒng)橡膠瀝青和TB膠粉瀝青的內(nèi)聚性能可知,當(dāng)二者均處于較低摻量(≤10%)時,橡膠瀝青的內(nèi)聚性能略微優(yōu)于TB膠粉瀝青,這是由于橡膠瀝青黏度較大,相對于TB膠粉瀝青有較高的內(nèi)聚拉拔強(qiáng)度.當(dāng)摻量較高(≥15%)時,橡膠瀝青的內(nèi)部勻質(zhì)性下降明顯,影響了其內(nèi)聚拉拔強(qiáng)度,而TB膠粉瀝青中的細(xì)小膠粉溶脹發(fā)育,與瀝青的相容性較好,因此保持了較好的內(nèi)聚性能.在黏附性能方面,TB膠粉瀝青明顯優(yōu)于傳統(tǒng)橡膠瀝青,這是因為在有水條件下,較大粒徑的橡膠顆粒會增大水侵入瀝青-集料界面的可能性,造成較低的黏附拉拔強(qiáng)度,且摻量越高,該現(xiàn)象越明顯.

2.1.3巖瀝青對瀝青內(nèi)聚性能和黏附性能的影響

圖5為不同摻量的巖瀝青對瀝青內(nèi)聚性能和黏附性能的影響.由圖5可見,相較于其他改性劑,巖瀝青能夠顯著提高瀝青的內(nèi)聚性能和黏附性能,且摻量越高,提升效果越明顯.巖瀝青對瀝青黏結(jié)性能具有優(yōu)異改性效果的原因有二：

圖5 巖瀝青摻量對瀝青內(nèi)聚性能和黏附性能的影響Fig.5 Effect of gilsonite contents on asphalt cohesion and adhesion properties

(1)巖瀝青與基質(zhì)瀝青的化學(xué)成分相近,二者具有非常好的相容性,其極易與基質(zhì)瀝青形成穩(wěn)定的體系；相比于其他改性劑,巖瀝青在瀝青中分散更均勻,性能也更為穩(wěn)定.將瀝青進(jìn)行巖瀝青改性,能夠顯著提高瀝青的模量與黏度,改善瀝青的內(nèi)聚性能.

(2)巖瀝青中含有較多金屬元素與氮元素,具有較強(qiáng)的分子極性與浸潤性[14],同時能夠提高瀝青中的膠質(zhì)含量和瀝青極性.根據(jù)表面能理論,這使得瀝青在與集料接觸時,能形成更小的瀝青-集料接觸角,增大瀝青與集料在黏附過程中的吸附面積,從而提高瀝青的黏附性能.

綜上,巖瀝青能夠同時改善瀝青的內(nèi)聚性能和黏附性能,起到非常好的抗剝落及抗水損害的效果.

2.1.4PPA對瀝青內(nèi)聚性能和黏附性能的影響

圖6展示了不同摻量PPA對瀝青內(nèi)聚性能和黏附性能的影響.由圖6可見,PPA改性劑對瀝青的內(nèi)聚性能有輕微的提升效果.這是由于PPA能夠降低瀝青的針入度,促進(jìn)瀝青的凝膠化[15].而對于瀝青在有水條件下的黏附性能,PPA有較明顯的有利影響,改性效果隨其摻量的提高先上升后下降.根據(jù)瀝青黏附性表面能理論,極性較強(qiáng)的瀝青具有較大的表面能,在有水條件下,瀝青從瀝青表面剝落的可能性較低.已有研究[16-17]表明,瀝青在PPA改性過程中,其組分結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化,其中瀝青質(zhì)含量增加,使瀝青的吸附極性得以增強(qiáng),因此瀝青-集料間的黏附性得到提高.根據(jù)圖6中瀝青的內(nèi)聚拉拔強(qiáng)度和黏附拉拔強(qiáng)度隨PPA摻量的變化情況,認(rèn)為最佳PPA摻量為0.4%.

圖6 PPA摻量對瀝青內(nèi)聚性能和黏附性能的影響Fig.6 Effect of PPA contents on asphalt cohesion and adhesion properties

值得注意的是,與上述其他改性瀝青在干燥養(yǎng)護(hù)和潮濕養(yǎng)護(hù)條件下的對比結(jié)果相反,經(jīng)過浸水養(yǎng)護(hù)后的PPA改性瀝青試件的拉拔強(qiáng)度反而高于其在干燥養(yǎng)護(hù)條件下的拉拔強(qiáng)度,說明PPA能夠降低瀝青的水敏感性.可能的原因除了以上提到的“表面能理論”中瀝青黏附極性的增強(qiáng)之外,還在于PPA帶來的瀝青酸性增強(qiáng).根據(jù)瀝青黏附性能的酸堿性理論,酸性較強(qiáng)的瀝青能夠與集料形成更穩(wěn)定的有效黏附.相比于其他改性劑,PPA的酸性較強(qiáng).利用PPA對瀝青進(jìn)行改性,能夠明顯提高瀝青表面活性點的酸性,從而提高瀝青與集料表面形成化學(xué)黏附的強(qiáng)度.

2.2 肯塔堡飛散試驗和浸水漢堡車轍試驗結(jié)果分析

本文對以上BBS試驗測試的改性瀝青,選取其常用摻量(或者推薦摻量),進(jìn)行肯塔堡飛散試驗和浸水漢堡車轍試驗,以分別驗證BBS試驗在評價瀝青混合料抗松散性能和抗水損害性能方面的準(zhǔn)確性.選擇4.5%SBS改性瀝青、20%橡膠瀝青、15%TB膠粉瀝青、20%巖瀝青改性瀝青及0.4%PPA改性瀝青,用以制備瀝青混合料試件.除了橡膠瀝青混合料之外的其余混合料均采用相同級配AC-13,瀝青用量為4.7%;對于20%橡膠瀝青混合料,采用文獻(xiàn)[18]的技術(shù)規(guī)范,混合料級配采用ARAC-13,該級配與SMA級配類似(粗集料多、細(xì)集料少、礦料間隙率高、瀝青用量高,呈骨架結(jié)構(gòu)),但不同點是該橡膠瀝青混合料的間斷級配中不加礦粉,并嚴(yán)格控制0.075mm檔篩孔的通過率在3%以下,對于0.075～2.36mm之間的通過率則不加控制[19],瀝青用量選用6.5%.

利用肯塔堡飛散試驗的質(zhì)量損失指標(biāo)來評價不同瀝青混合料的抗松散能力;浸水漢堡車轍試驗的剝落拐點(SIP)指標(biāo)來評價不同瀝青混合料的抗水損害能力,試驗結(jié)果見圖7.

圖7 不同瀝青混合料的肯塔堡飛散試驗和浸水漢堡車轍試驗結(jié)果比較Fig.7 Results comparison of Cantabro test and HWT test of different asphalt mixtures

將圖7中基質(zhì)瀝青混合料與5種改性瀝青混合料的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,可以看出同種改性劑對于瀝青混合料抗松散性能和抗水損害性能的作用效果基本一致.其中,巖瀝青不但能夠大幅提高瀝青混合料的抗水損害性能,在改善瀝青混合料抗松散性能方面也有顯著效果,是本文所研究的5種改性劑中效果最顯著的一類改性劑.此外,0.4%PPA及4.5%SBS均能同時提高瀝青混合料的抗松散性能和抗水損害性能,而20%TB膠粉和15%橡膠顆粒均會對瀝青混合料抗松散性能和抗水損害性能造成不利影響,尤其是在抗水損害性能方面,20%TB膠粉會造成瀝青混合料抗水損害性能下降約2/3.因此在實際應(yīng)用工程中,對于降雨量較多的地區(qū),應(yīng)謹(jǐn)慎考慮TB膠粉瀝青用量,或者摻入一定量的SBS改性劑進(jìn)行復(fù)合改性,以確保能夠滿足瀝青混合料在抗水損害方面的道路指標(biāo).綜合以上對比,得到不同瀝青混合料抗松散性能和抗水損害性能的排序為：20%巖瀝青改性瀝青混合料>4.5%SBS改性瀝青混合料>0.4%PPA 改性瀝青混合料>基質(zhì)瀝青混合料>15%橡膠瀝青混合料>20%TB膠粉瀝青混合料.

2.3 瀝青試驗與混合料試驗相關(guān)性分析

為了驗證BBS試驗在評價瀝青材料抗松散性能和抗水損害性能方面的準(zhǔn)確性,將基質(zhì)瀝青和5種改性瀝青在干燥、潮濕養(yǎng)護(hù)條件下得到的BBS試驗拉拔強(qiáng)度與5種瀝青混合料的肯塔堡飛散試驗質(zhì)量損失指標(biāo)、浸水漢堡車轍試驗的剝落拐點指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果見圖8.

圖8 BBS試驗拉拔強(qiáng)度與肯塔堡飛散試驗質(zhì)量損失指標(biāo)及浸水漢堡車轍試驗剝落拐點指標(biāo)相關(guān)性分析Fig.8 Correlation analysis of pull-off tensile strength in BBS test and Cantabro mass loss index in Cantabro test and SIP index in HWT test

由圖 8可知,本文采用的瀝青BBS試驗與混合料肯塔堡飛散、浸水漢堡車轍試驗數(shù)據(jù)之間具有良好的相關(guān)性.其中,干燥養(yǎng)護(hù)條件下的瀝青內(nèi)聚拉拔強(qiáng)度與肯塔堡飛散試驗質(zhì)量損失指標(biāo)之間的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.87,潮濕養(yǎng)護(hù)條件下的瀝青黏附拉拔強(qiáng)度與浸水漢堡車轍試驗的剝落拐點指標(biāo)之間的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.85,說明BBS試驗?zāi)軌蜉^為準(zhǔn)確地評價不同瀝青的內(nèi)聚抗松散性能和黏附抗水損害性能,并反映出相應(yīng)瀝青混合料上述2種指標(biāo)之間的對比差異.鑒于BBS試驗操作簡單、試驗器材價格相對于大型混合料設(shè)備較為低廉、試驗周期短、數(shù)據(jù)穩(wěn)定易得,在工程項目檢測中,可以考慮將其作為檢測瀝青混合料抗松散性能和抗水損害性能的篩選試驗.

3 結(jié)論

(1)盡管從BBS試驗的拉拔強(qiáng)度指標(biāo)來看,SBS改性劑并不能夠改善瀝青的黏結(jié)性能(由于瀝青彈性增強(qiáng)帶來的變形延遲導(dǎo)致),但從能量角度看,SBS改性劑能夠提升瀝青的內(nèi)聚性能,改善其承受荷載的能力.然而,由于SBS會阻礙瀝青被石板表面的微小孔隙吸附,因此SBS改性劑對瀝青的黏附性能具有不利影響.綜合判斷,SBS改性劑的最佳摻量為4.5%.

(2)0.60mm粒徑大小的橡膠顆粒與TB膠粉均會造成瀝青內(nèi)聚性能和黏附性能的下降.當(dāng)其摻量較低(≤10%)時,相同摻量的橡膠瀝青內(nèi)聚性能優(yōu)于TB膠粉瀝青;當(dāng)其摻量較高(≥15%)時,由于橡膠顆粒粒徑較大而導(dǎo)致橡膠瀝青穩(wěn)定性不足的劣勢凸顯,相同摻量的TB膠粉瀝青反而具有較高的內(nèi)聚拉拔強(qiáng)度.在抗水損害性能方面,TB膠粉瀝青優(yōu)于橡膠瀝青.

(3)巖瀝青能夠顯著提高瀝青的內(nèi)聚性能和黏附性能,摻量越高提升效果越明顯.PPA改性劑也能夠提升瀝青的內(nèi)聚性能和黏附性能,且黏附性能的提升效果明顯高于內(nèi)聚性能,表明PPA改性瀝青混合料具有較強(qiáng)的抗水損害性能和較低的水敏感性.根據(jù)試驗結(jié)果,PPA改性劑的最佳摻量為0.4%.

(4)根據(jù)瀝青混合料肯塔堡飛散試驗和浸水漢堡車轍試驗,得到最佳摻量(或常用摻量)下不同瀝青混合料抗松散性能和抗水損害性能的排序為：20%巖瀝青改性瀝青混合料>4.5%SBS改性瀝青混合料>0.4%PPA改性瀝青混合料>基質(zhì)瀝青混合料>15%橡膠瀝青混合料>20%TB膠粉瀝青混合料.此外,肯塔堡飛散試驗質(zhì)量損失指標(biāo)與干燥養(yǎng)護(hù)條件下瀝青內(nèi)聚拉拔強(qiáng)度、浸水漢堡車轍剝落拐點指標(biāo)與潮濕養(yǎng)護(hù)條件下瀝青黏附拉拔強(qiáng)度之間的相關(guān)性分析驗證了本文中BBS試驗方法在評價瀝青內(nèi)聚性能和黏附性能方面的準(zhǔn)確性.