復(fù)合改性劑對(duì)瀝青路面快速修復(fù)用冷補(bǔ)液影響研究

謝邦柱

(山西省交通科技研發(fā)有限公司 太原市 030032)

0 引言

現(xiàn)階段瀝青路面快速修補(bǔ)料主要包括可以實(shí)現(xiàn)冷拌冷鋪的乳化瀝青混合料和溶劑型瀝青混合料兩類，但因前者自身為水溶液體系，難以在低于5℃的低溫環(huán)境中施工，且存放過(guò)程中易于破乳等不足，無(wú)法在坑槽修補(bǔ)中推廣應(yīng)用。溶劑型瀝青快速修補(bǔ)料可長(zhǎng)時(shí)間存放，能夠在冬季較低溫度條件下施工，是我國(guó)瀝青路面快速修補(bǔ)用材料主要類型[1-2]。然而國(guó)內(nèi)對(duì)于低溫修補(bǔ)料的設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)體系并不完善，相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法兼顧施工和易性以及強(qiáng)度要求，同時(shí)修補(bǔ)后路面耐久性有待提升，修補(bǔ)后路面出現(xiàn)反復(fù)產(chǎn)生病害修補(bǔ)的問(wèn)題[1-3]。

充分發(fā)揮SBR膠乳能夠顯著提升瀝青低溫延展性和C5石油樹(shù)脂改善瀝青高溫穩(wěn)定性和強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，加之其可作為單組分改性劑使用[4-6]，無(wú)需與外摻固化劑復(fù)配，故本研究將二者協(xié)同用于瀝青改性，后溶于0#柴油，摻以少量抗剝落劑形成冷補(bǔ)液。通過(guò)測(cè)試改性瀝青三大指標(biāo)確定出石油樹(shù)脂的適宜摻量，并對(duì)不同石油樹(shù)脂摻量相應(yīng)冷補(bǔ)液的黏度、相應(yīng)冷補(bǔ)料的強(qiáng)度以及改性瀝青的車轍因子等指標(biāo)進(jìn)行了表征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

瀝青：齊魯石化70#基質(zhì)瀝青，三大指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青基本指標(biāo)

改性劑1：SBR膠乳(淡黃色膠體)。

改性劑2：液態(tài)C5石油樹(shù)脂(黃色膠體)。

冷補(bǔ)液添加劑：稀釋劑(國(guó)標(biāo)0#柴油)、抗剝落劑B(購(gòu)于江蘇某公司)。

1.2 改性瀝青制備

將基質(zhì)瀝青加熱到120～130℃，摻入占瀝青質(zhì)量3%的SBR膠乳，高速剪切30min，即得SBR改性瀝青；用于常規(guī)指標(biāo)測(cè)試復(fù)合改性瀝青制備時(shí)，在上述SBR改性瀝青中添加不同摻量石油樹(shù)脂即得復(fù)合改性瀝青。

1.3 冷補(bǔ)液制備

保持復(fù)合改性瀝青120℃，分別添加占瀝青質(zhì)量20%和1%的稀釋劑和抗剝落劑，充分?jǐn)嚢杈鶆?，即得冷補(bǔ)液。

1.4 冷補(bǔ)混合料制備

冷補(bǔ)液與提前備好的集料拌和均勻，即得冷補(bǔ)混合料。

1.5 性能測(cè)試

1.5.1復(fù)合改性瀝青三大指標(biāo)、布氏旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的規(guī)定完成。

1.5.2冷補(bǔ)料初始強(qiáng)度馬歇爾試件的制備及測(cè)試

收集了2007年5月—2012年2月期間經(jīng)病理證實(shí)的8例原發(fā)于鼻竇、鼻腔IMT，其中男性5例，女性3例，無(wú)明顯性別優(yōu)勢(shì)；年齡28～60歲，年齡中位值40歲左右；出現(xiàn)癥狀到就診時(shí)間為3個(gè)月～3年，中位時(shí)間近12個(gè)月。臨床表現(xiàn)反復(fù)鼻塞打噴嚏，涕中帶血，流鼻血，面部腫脹、疼痛（脹痛、針刺痛、蟻行痛）,以及侵襲范圍不同表現(xiàn)相應(yīng)癥狀（眼脹痛、突眼、復(fù)視、聽(tīng)力下降）。其中1例有鼻咽癌放療史、3例有鼻息肉術(shù)后史、2例有拔牙史、2例有過(guò)敏性鼻炎。

混合料實(shí)驗(yàn)選取細(xì)粒式LB-10級(jí)配類型，油石比4.8%。

(1)取定量冷補(bǔ)料裝入馬歇爾試模中，雙面輪流擊實(shí)50次，保證試件高度范圍為63.5mm±1.3mm。

(2)脫模后立即測(cè)試試件的馬歇爾穩(wěn)定度。

1.5.3冷補(bǔ)料成型強(qiáng)度馬歇爾試件的制備及測(cè)試

(1)同1.5.2步驟(1)。

(2)將試件側(cè)放于預(yù)熱到110℃的烘箱內(nèi)24h，取出試件雙面輪流擊實(shí)25次，側(cè)放室溫地面靜置6～8h。

(3)脫模后將試件放入60℃恒溫水槽30min，用濕布擦拭試件表面水分，測(cè)試馬歇爾穩(wěn)定度。

1.5.4流變性能測(cè)試

車轍因子隨溫度(50～90℃)的變化關(guān)系曲線采用美國(guó)TA公司DSR(DHR-1)測(cè)定，夾具為直徑25mm的平板，設(shè)置板間距離為1100μm。試樣安放好保溫15～30min。

2 結(jié)果與討論

由圖1可見(jiàn)，隨著石油樹(shù)脂摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)逐漸增大，且當(dāng)摻量達(dá)到2%以上時(shí)，軟化點(diǎn)呈直線上升趨勢(shì)，當(dāng)石油樹(shù)脂摻量達(dá)到4%以上時(shí)，改性瀝青軟化點(diǎn)即可保持在高于60℃的狀態(tài)，說(shuō)明樹(shù)脂的加入能夠明顯提高和改善SBR膠乳改性瀝青的高溫性能，同時(shí)體系的黏稠度明顯增加。另外，改性瀝青針入度隨石油樹(shù)脂摻量增加明顯降低，即石油樹(shù)脂的加入改善SBR膠乳改性瀝青的高溫穩(wěn)定性[5]。

圖1 改性瀝青軟化點(diǎn)和針入度隨石油樹(shù)脂摻量變化規(guī)律

圖2中，SBR膠乳改性瀝青的低溫延度可以達(dá)到100cm，石油樹(shù)脂的加入使改性瀝青的低溫延展性急劇下降。當(dāng)石油樹(shù)脂摻量為4%時(shí)，改性瀝青低溫延度急劇下降，數(shù)值在60cm左右，隨著其摻量增加，延度持續(xù)下降，當(dāng)摻量達(dá)到8%時(shí)，延度下降到30cm以下，這緣于樹(shù)脂類材料含有苯環(huán)類剛性側(cè)鏈結(jié)構(gòu)，脆性特征顯著，容易影響改性瀝青體系的低溫延展性的緣故[6]。故而，合適的石油樹(shù)脂摻量對(duì)于兼顧改性瀝青體系高低溫性能具有非常重要的意義。綜合三大指標(biāo)隨石油樹(shù)脂變化關(guān)系曲線，為保證改性瀝青體系同時(shí)具有較好的高低溫性能，應(yīng)選取石油樹(shù)脂摻量為4%～6%之間。

圖2 改性瀝青5℃延度隨石油樹(shù)脂摻量變化規(guī)律

黏度指標(biāo)用于描述外力作用下物質(zhì)內(nèi)部分子之間由于摩擦所表現(xiàn)出的抵抗流體流動(dòng)的難易程度，間接表征流體體系內(nèi)分子分布狀態(tài)[6]。冷補(bǔ)液黏度能夠反映冷補(bǔ)液與集料的拌和效果，其值太大，冷補(bǔ)混合料不易保持均勻穩(wěn)定狀態(tài)，太小時(shí)，冷補(bǔ)液流淌性強(qiáng)，容易造成瀝青與集料的裹覆效果不佳，進(jìn)而影響路面修復(fù)效果。資料顯示，冷補(bǔ)液黏度保持在1～2Pa·s范圍內(nèi)時(shí)，冷補(bǔ)液與集料具有較好的和易性，此時(shí)，相應(yīng)冷補(bǔ)料初始強(qiáng)度在數(shù)值上能夠達(dá)到2kPa以上的技術(shù)要求。測(cè)試了石油樹(shù)脂摻量分別為4%和6%時(shí)，相應(yīng)冷補(bǔ)液在15℃、20℃、25℃、30℃、35℃和40℃時(shí)的布氏黏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，圖4為黏度結(jié)果線性回歸圖。

圖3 石油樹(shù)脂摻量為4%和6%時(shí)相應(yīng)冷補(bǔ)液不同溫度下的布氏黏度

圖4 石油樹(shù)脂摻量為4%和6%時(shí)冷補(bǔ)液布氏黏度線性回歸圖

圖3中可見(jiàn)，隨著溫度的升高，冷補(bǔ)液的黏度呈逐漸下降趨勢(shì)，石油樹(shù)脂摻量從4%增加到6%，冷補(bǔ)液體系黏度僅呈現(xiàn)出非常微弱的降低幅值，尤其是在15℃及以下的低溫區(qū)域，黏度數(shù)值幾乎重合，即在低溫區(qū)，石油樹(shù)脂從4%增加到6%對(duì)體系的黏度幾乎無(wú)影響。隨著溫度升高，石油樹(shù)脂摻量6%相應(yīng)的冷補(bǔ)液黏度較4%時(shí)下降幅值有一定程度增加，但是并不顯著。圖4為4%和6%相應(yīng)冷補(bǔ)液不同溫度下黏度線性回歸曲線，回歸方程分別為η=1.93428-0.03063T和η=1.9105-0.0311T，根據(jù)擬合結(jié)果可得，石油樹(shù)脂摻量為4%時(shí)，溫度在0～30℃范圍內(nèi)，相應(yīng)冷補(bǔ)液黏度均可保持在1～2Pa·s，即該溫度范圍內(nèi)冷補(bǔ)料用于瀝青路面坑槽修補(bǔ)，可保證較好的施工和易性和路面修復(fù)初始強(qiáng)度。當(dāng)摻量為6%時(shí)，溫度達(dá)到30℃時(shí)，相應(yīng)冷補(bǔ)液黏度數(shù)值為0.97Pa·s左右，略低于1Pa·s，而此時(shí)液態(tài)石油樹(shù)脂并未完全固化，故在實(shí)際施工中，可依據(jù)實(shí)際路面強(qiáng)度需求以及施工溫度等因素確定石油樹(shù)脂摻量。

冷補(bǔ)料初始強(qiáng)度用于評(píng)價(jià)坑槽修補(bǔ)后的抗變形能力，滿足技術(shù)要求的初始強(qiáng)度能夠承受行車荷載，避免掉?；蛘哕囖H等損壞[7]，根據(jù)文獻(xiàn)所述，冷補(bǔ)料的初始強(qiáng)度應(yīng)滿足不低于2kN的技術(shù)要求。成型強(qiáng)度為混合料中起稀釋作用的成分完全揮發(fā)后路面的強(qiáng)度，施工技術(shù)要求規(guī)定成型強(qiáng)度不小于3kN。測(cè)試了石油樹(shù)脂摻量為4%和6%、油石比為4.8%時(shí)，冷補(bǔ)料的初始強(qiáng)度和成型強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同石油樹(shù)脂摻量冷補(bǔ)料的初始和成型強(qiáng)度結(jié)果

由表2可見(jiàn)，石油樹(shù)脂摻量為4%和6%相應(yīng)的冷補(bǔ)料初始強(qiáng)度和成型強(qiáng)度均能滿足施工技術(shù)要求，且成型強(qiáng)度遠(yuǎn)大于3kN。石油樹(shù)脂摻量對(duì)冷補(bǔ)料成型強(qiáng)度影響程度較大，數(shù)值從5.62kN上升到6.23kN，而對(duì)初始強(qiáng)度的影響并不顯著，可能原因?yàn)樵谠嚰苽涑跗谝簯B(tài)石油樹(shù)脂并未完全固化，強(qiáng)度效應(yīng)無(wú)法完全發(fā)揮，隨著體系內(nèi)部溶劑的揮發(fā)，石油樹(shù)脂逐漸固化，與SBR鏈狀結(jié)構(gòu)相互纏繞形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且石油樹(shù)脂摻量越大，空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越致密，相應(yīng)瀝青混合料的強(qiáng)度也越高[8]。

美國(guó) SHRP 計(jì)劃中采用DSR測(cè)量瀝青膠結(jié)料在特定溫度和加載頻率下的流變性能，引入車轍因子G*/sinδ 表征瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，其值越高，動(dòng)穩(wěn)定度越高，相應(yīng)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性越好[9]。研究了不同溫度下基質(zhì)瀝青、SBR膠乳改性瀝青及SBR膠乳與4%和6%石油樹(shù)脂復(fù)配改性瀝青的流變力學(xué)行為，得到復(fù)合模量G*和相位角δ，最終算得車轍因子G*/sinδ，結(jié)果如圖5所示。

圖5 基質(zhì)瀝青、SBR改性瀝青和復(fù)合改性瀝青車轍因子隨溫度的變化曲線

由圖5可知，在50～65℃的中溫測(cè)試區(qū)域，SBR改性瀝青的G*/sinδ略高于基質(zhì)瀝青，說(shuō)明SBR可小幅提升基質(zhì)瀝青的抗變形效果。在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，石油樹(shù)脂/SBR復(fù)合改性瀝青的G*/sinδ 均高于SBR改性瀝青，即石油樹(shù)脂能夠顯著改善瀝青的高溫抗變形能力。隨著石油樹(shù)脂摻量從4%增加到6%，復(fù)合改性瀝青G*/sinδ 有小幅提升，再一次印證了石油樹(shù)脂摻量越高，改善效果越顯著的結(jié)論。

3 結(jié)論

(1)將能夠提升瀝青低溫延展性的SBR膠乳與改善瀝青高溫穩(wěn)定性和強(qiáng)度指標(biāo)的石油樹(shù)脂作為基質(zhì)瀝青改性劑，制備得到復(fù)合改性瀝青，充分發(fā)揮二者對(duì)基質(zhì)瀝青性能提升的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，保證改性瀝青兼顧高低溫性能，以柴油稀釋改性瀝青，后摻入少量的抗剝落劑，制得一種瀝青路面快速修補(bǔ)用冷補(bǔ)液。

(2)在SBR占基質(zhì)瀝青質(zhì)量3%的條件下，分別考察石油樹(shù)脂摻量為2%、4%、6%和8%時(shí)相應(yīng)改性瀝青的常規(guī)指標(biāo)，確定出能夠保證改性瀝青高低溫性能的石油樹(shù)脂適宜摻量范圍為4%～6%。

(3)石油樹(shù)脂摻量對(duì)成型強(qiáng)度和車轍因子的影響較為顯著。當(dāng)石油樹(shù)脂摻量為6%時(shí)，冷補(bǔ)液30℃黏度略低于1Pa·s，該條件下相應(yīng)的冷補(bǔ)料強(qiáng)度指標(biāo)均滿足技術(shù)要求，可依據(jù)實(shí)際路面強(qiáng)度需求以及施工溫度等因素進(jìn)一步確定石油樹(shù)脂具體摻量。