新型高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料性能研究

李 凱， 李 璐， 劉 攀， 盛興躍， 劉 洋

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司， 重慶 401336； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)不斷擴(kuò)容和延伸，跨江跨海的大跨徑橋梁在交通路網(wǎng)中越發(fā)突出，特別是大跨徑鋼橋建設(shè)的數(shù)量和規(guī)模不斷增長，隨之鋼橋面鋪裝工程也成為橋梁建設(shè)和發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

相較普通瀝青路面，鋼橋面鋪裝存在以下特殊建設(shè)條件：1) 鋪裝層受力復(fù)雜、局部變形大；2) 鋼箱梁的儲(chǔ)熱效應(yīng)，使得鋼板溫度較高，致使鋪裝層的溫度要比普通瀝青路面高，且持續(xù)時(shí)間長；3) 高溫重載現(xiàn)象嚴(yán)重，交通量大。這些不利因素對鋼橋面鋪裝材料帶來了極大的挑戰(zhàn)[2-4]。

目前，鋼橋面鋪裝材料常采用改性瀝青[5-9]，其中環(huán)氧瀝青性能優(yōu)異，尤其是高溫抗車轍性能是普通瀝青混合料的7～10倍，因此近些年被廣泛用于鋼橋面鋪裝。但同時(shí)因環(huán)氧瀝青價(jià)格高昂，且在北方寒冷地區(qū)，混合料存在低溫抗裂性能不足、易開裂等問題，致使鋪裝層使用耐久性降低[10-14]，使用區(qū)域受氣候條件限制。

為此，本研究針對現(xiàn)有鋼橋面鋪裝材料，自主研發(fā)了一種新型的高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青，其屬于熱固性樹脂改性瀝青體系，通過室內(nèi)試驗(yàn)對其混合料性能進(jìn)行研究，以推動(dòng)鋼橋面的鋪裝建設(shè)發(fā)展及技術(shù)進(jìn)步，為鋼橋面新材料創(chuàng)新開發(fā)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1) 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青為韓國SK-70#，按照《道路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[15]中的相關(guān)試驗(yàn)方法與要求對瀝青的三大指標(biāo)(針入度、延度、軟化點(diǎn))、密度、旋轉(zhuǎn)粘度進(jìn)行測定，結(jié)果如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青基本指標(biāo)

2) 樹脂SCO改性劑

采用一種高溫?zé)峁谭磻?yīng)型樹脂SCO作為瀝青改性劑，主要由組分A和組分B組成，組分A常溫下為透明液體，粘度較小；組分B為固化劑，體系比例為6∶1，其能夠在高溫條件下進(jìn)行反應(yīng)且與瀝青具有較好的相容性。該樹脂的基本性能指標(biāo)如表2所示。

表2 高溫?zé)峁谭磻?yīng)型樹脂SCO基本性能

3) 集料及礦粉

粗、細(xì)集料均采用玄武巖，堅(jiān)硬無雜質(zhì)，礦粉為磨細(xì)石灰石，干燥無結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。粗集料、細(xì)集料及礦粉技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中的相應(yīng)要求。

1.2 高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青及混合料制備

1) 將基質(zhì)瀝青加熱到 135 ℃，使其具有較好的流動(dòng)性；2) 按質(zhì)量比例(46∶54)將配制好的高溫?zé)峁虡渲琒CO與基質(zhì)瀝青進(jìn)行混合；3) 在溫度170 ℃、轉(zhuǎn)速2 000 r/min下，使用恒速攪拌器攪拌30 min，即可制得高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青；4) 將制得的改性瀝青與烘干的集料按一定油石比在170 ℃拌鍋中拌和3 min～5 min，拌和中嚴(yán)格控制溫度，即制得高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料。

1.3 試驗(yàn)方法

1) 粘度測試

采用旋轉(zhuǎn)粘度儀測試高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青的粘度，轉(zhuǎn)子選用S27，轉(zhuǎn)速為50 r/min，將高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青試樣按一定量(約12 g)添加到粘度計(jì)的盛樣筒中進(jìn)行保溫，待溫度穩(wěn)定后進(jìn)行試驗(yàn)。

2) 力學(xué)性能測試

參考標(biāo)準(zhǔn)《塑料拉伸性能標(biāo)準(zhǔn)測試方法》(ASTM D638—2014)，采用微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試樣拉伸力學(xué)性能測試，拉伸速率控制為100 mm/min，每個(gè)試樣測3次取平均值。步驟如下：(1) 將試樣夾在試驗(yàn)機(jī)夾具中間，確保試件夾牢，且不偏斜；(2) 在控制器平臺(tái)對各個(gè)測試指標(biāo)清零后開始試驗(yàn)；(3) 待試件拉斷后停止試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)；(4) 更換試件，依次進(jìn)行，直至完成所有試件。

3) 混合料性能測試

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[15]要求，測試高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青的馬歇爾穩(wěn)定度、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及疲勞性能。

1.4 礦料級配及最佳油石比的確定

結(jié)合鋼橋面鋪裝材料結(jié)構(gòu)，采用EA-10型級配，其礦料合成級配曲線如圖1所示。按礦料設(shè)計(jì)級配成型5組油石比，分別為5.9%、6.2%、6.5%、6.8%、7.1%的混合料馬歇爾試件，待試件完全固化后測試其馬歇爾指標(biāo)及體積參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。根據(jù)相關(guān)指標(biāo)參數(shù)，最終得到高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料的最佳油石比為6.7%。

圖1 礦料合成級配曲線

表3 混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青力學(xué)性能

將制備好的高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青澆入聚四氟乙烯模板上，控制厚度為2 mm～3 mm，在常溫下養(yǎng)護(hù)完全后進(jìn)行測試，拉伸試驗(yàn)裝置如圖2所示。以拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率為力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，并與環(huán)氧瀝青對比研究，結(jié)果如表4所示。

圖2 高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青拉伸試驗(yàn)裝置

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表4知，高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青拉伸強(qiáng)度大于3 MPa，相比環(huán)氧瀝青略低，其斷裂伸長率大于400%，是環(huán)氧瀝青的4倍。表明高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，較環(huán)氧瀝青的抗變形能力更為突出，柔韌性更好。

2.2 高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青粘時(shí)特性

采用Brookfield粘度測試了高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青在150 ℃、160 ℃、170 ℃下的粘度隨時(shí)間的變化特征，并對比研究了170 ℃下高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青與環(huán)氧瀝青的可操作時(shí)間，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青在150 ℃、160 ℃、170 ℃下粘度增長隨時(shí)間變化特征有所不同：溫度越低，該體系粘度隨時(shí)間增長越快，可操作時(shí)間越短。150 ℃高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青可操作時(shí)間為90 min左右，改性瀝青體系交聯(lián)反應(yīng)過快，難以滿足正常施工時(shí)間需求；隨著改性溫度的升高，其可操作時(shí)間逐漸延長，160 ℃下為220 min，170 ℃達(dá)到280 min，改性瀝青體系固化交聯(lián)變緩，對施工操作非常有利。在相同溫度下，與環(huán)氧瀝青對比可以看出，新型高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青與環(huán)氧瀝青可操作時(shí)間相當(dāng)，但2種改性瀝青粘度增長趨勢有所差異，環(huán)氧瀝青先快后慢，高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青則相反。

圖3 不同溫度下高溫?zé)峁蘏CO改性瀝青粘度隨時(shí)間變化曲線

圖4 170 ℃下2種改性瀝青粘度隨時(shí)間變化曲線

2.3 養(yǎng)護(hù)溫度及齡期對混合料影響

高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青屬于熱固性材料，其強(qiáng)度的形成與固化速度有直接關(guān)系，在不同溫度及時(shí)間條件下，強(qiáng)度的增長規(guī)律不同。熱固型改性瀝青材料應(yīng)先確定混合料強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律及合適的養(yǎng)護(hù)條件，只有混合料強(qiáng)度穩(wěn)定后，才能準(zhǔn)確反映材料的性能。

以最佳油石比制備2組高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料，一組置于常溫條件下養(yǎng)護(hù)，一組置于70 ℃恒溫烘箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3 d、5 d、7 d、9 d、11 d，平行試件為4個(gè)，按規(guī)范[15]進(jìn)行馬歇爾性能測試，結(jié)果如圖5所示。

(a) 混合料穩(wěn)定變化規(guī)律

(b) 混合料流值變化規(guī)律

由圖5可以看出，養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對其馬歇爾性能均有較大影響。從穩(wěn)定度指標(biāo)分析，養(yǎng)護(hù)初期混合料穩(wěn)定度增長較快，養(yǎng)護(hù)后期增長緩慢；整個(gè)養(yǎng)護(hù)過程中，高溫養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度大于常溫養(yǎng)護(hù)，且高溫養(yǎng)護(hù)下的馬歇爾穩(wěn)定度較常溫養(yǎng)護(hù)下的穩(wěn)定；高溫養(yǎng)護(hù)下混合料馬歇爾穩(wěn)定度峰值為64.1 kN(7 d)，是常溫養(yǎng)護(hù)峰值的1.6倍，繼續(xù)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間，其強(qiáng)度保持穩(wěn)定，幾乎不再增加。從流值指標(biāo)看，2種養(yǎng)護(hù)條件下的混合料流值均較大，混合料彈性變形較好，當(dāng)養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)，其流值最低。綜上分析，確定高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料的養(yǎng)護(hù)溫度為70 ℃，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d。

2.4 混合料高溫穩(wěn)定性評價(jià)

采用車轍試驗(yàn)對高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料的耐高溫性能進(jìn)行測試，以動(dòng)穩(wěn)定度及車轍深度指標(biāo)對其高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，并與SBS改性瀝青混合料、環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行了對比研究，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，60 ℃溫度條件下高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度與環(huán)氧瀝青混合料相當(dāng)，達(dá)到37 000次/mm，且變形十分微小，車轍深度僅為0.38 mm，較SBS改性瀝青混合料高溫性能明顯提升，與環(huán)氧瀝青相當(dāng)，高溫性能非常優(yōu)異，可滿足鋼橋面在極端高溫及重載環(huán)境下的技術(shù)要求。

表5 3種瀝青混合料高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果

2.5 混合料低溫抗裂性評價(jià)

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)對高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行測試，以最大彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變及勁度模量指標(biāo)評價(jià)其低溫抗裂性能，并與SBS改性瀝青、環(huán)氧瀝青進(jìn)行了對比研究，結(jié)果如圖6所示。

(a) 混合料低溫彎拉強(qiáng)度及最大彎拉應(yīng)變

(b) 混合料低溫彎曲勁度模量

由圖6可知，高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度為16.7 MPa，較SBS改性瀝青混合料提升1.6倍，但低于環(huán)氧瀝青混合料；高強(qiáng)度小變形是環(huán)氧瀝青混合料在鋼橋面應(yīng)用產(chǎn)生開裂的主要因素之一，而高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料低溫強(qiáng)度在滿足規(guī)范要求基礎(chǔ)上有了一定的改善，同時(shí)其最大彎拉應(yīng)變指標(biāo)為7 556 με，較SBS改性瀝青混合料及環(huán)氧瀝青混合料都有較大提升，說明高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料低溫性能更加優(yōu)異，可降低低溫下鋪裝層開裂病害發(fā)生的幾率。

2.6 混合料水穩(wěn)定性評價(jià)

水穩(wěn)定性不足會(huì)導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)坑槽，使得鋪裝層的整體使用性能衰減。采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行測試研究，并對水損害前后混合料的力學(xué)性能進(jìn)行評價(jià)。

1) 浸水馬歇爾試驗(yàn)

采用EA-10級配在最佳油石比狀態(tài)下成型馬歇爾試件，待試件在70 ℃條件下固化7 d后將試件分為2組，一組常溫放置，一組放置水中浸泡，按照規(guī)范[15]測試浸水前后馬歇爾試件的穩(wěn)定度。計(jì)算高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度MS0，并與SBS改性瀝青混合料、環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表6所示。

由表6可知，SBS改性瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度為11 MPa左右，而環(huán)氧瀝青混合料和高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度均大于50 MPa，說明高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料較一般改性瀝青混合料在力學(xué)性能上有較大提升；3種瀝青混合料經(jīng)過48 h浸水后，SBS改性瀝青混合料與環(huán)氧瀝青混合料受水作用影響均較小，其殘留穩(wěn)定度僅降低了4%～6%，而高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度降低了89%，說明浸水對其穩(wěn)定度有顯著消極影響，但穩(wěn)定度下降程度較小，浸水后馬歇爾穩(wěn)定度依然大于50 MPa。總體來看，高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能良好。

表6 3種改性瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2) 凍融劈裂試驗(yàn)

采用EA-10級配在最佳油石比狀態(tài)下成型馬歇爾試件，按照規(guī)范[15]要求，凍融劈裂馬歇爾試件雙面擊實(shí)50次，待試件在70 ℃條件下固化7 d后進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)規(guī)范[15]計(jì)算其劈裂彎拉強(qiáng)度及凍融劈裂比(TSR)，并與SBS改性瀝青混合料、環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表7所示。

表7 3種改性瀝青混合料劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表7可知，SBS改性瀝青混合料劈裂強(qiáng)度小于1 MPa，高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料相對有一定幅度的提升，其劈裂強(qiáng)度約為1.5 MPa，環(huán)氧瀝青混合料劈裂強(qiáng)度則最高，約為2.8 MPa。凍融循環(huán)后，3種瀝青混合料TSR大小依次為：高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料>環(huán)氧瀝青混合料>SBS改性瀝青混合料，目前兩者的TSR均大于90%，說明凍融循環(huán)對二者水穩(wěn)定性影響不大。

綜上分析，高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料水損壞前后力學(xué)性能均表現(xiàn)較好，且滿足鋼橋面規(guī)范要求。

2.7 混合料疲勞性能評價(jià)

試件尺寸為63.5 mm×50 mm×400 mm，試驗(yàn)控制模式為應(yīng)變控制，微應(yīng)變水平600 με，加載頻率10 Hz，采用BFA液壓獨(dú)立式四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)對高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行測試，并與SBS改性瀝青混合料及環(huán)氧瀝青混合料進(jìn)行比較，結(jié)果如表8所示。

表8 3種改性瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果(15 ℃)

從表8可知，在同一應(yīng)變水平下，SBS改性瀝青混合料在疲勞次數(shù)86.2萬次時(shí)發(fā)生破壞，其勁度模量同時(shí)也衰減了50%， 而高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料與環(huán)氧瀝青混合料均在100萬次以上，且當(dāng)疲勞次數(shù)為100萬次時(shí)，2種混合料勁度模量均未衰減到50%，說明熱固性體系鋪裝材料相對于熱塑性普通改性瀝青鋪裝材料疲勞性能有著絕對的優(yōu)勢，也說明高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料在長期荷載作用下具有較好的疲勞性能。

3 結(jié)論

1) 拉伸試驗(yàn)表明，高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青滿足規(guī)范要求，且較環(huán)氧瀝青抗變形能力更為優(yōu)異，柔韌性更好，在170 ℃下具有較長的可操作時(shí)間280 min，可很好地滿足工程施工需求。

2) 馬歇爾及車轍試驗(yàn)表明，確定了高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料的養(yǎng)護(hù)穩(wěn)度為70 ℃，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，固化后的高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料具有較強(qiáng)的高溫抗變形能力，與環(huán)氧瀝青混合料相當(dāng)，但較SBS改性瀝青混合料有很大的提升。

3) 低溫小梁彎曲試驗(yàn)表明，相比環(huán)氧瀝青混合料，高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料在低溫強(qiáng)度上有一定改善，其低溫變形能力有大幅度提升，低溫脆性較小，低溫抗裂性能更加優(yōu)異。

4) 綜合殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比指標(biāo)表明，高溫?zé)峁虡渲琒CO改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能良好，能夠滿足鋼橋面使用規(guī)范要求，同時(shí)其四點(diǎn)彎曲疲勞次數(shù)超過100萬次，與環(huán)氧瀝青混合料相當(dāng)，具有較好的疲勞性能。