SBS高黏改性瀝青在大孔隙混合料中的應(yīng)用性能研究

巫星德，龍世煜，蘇興康，熊明博

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，截至2020年年底，我國公路總里程已達519.81萬km，公路養(yǎng)護里程也達514.40萬km[1]。其中，我國高等級公路中瀝青路面約占90%[2]，大孔隙透水式瀝青路面因具有排水、抗滑和降噪等特殊性能而備受關(guān)注[3]。但是透水式瀝青路面豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和集料顆粒間有限的接觸面積導(dǎo)致瀝青混合料的抗疲勞性能、抗裂性能以及水穩(wěn)定性能較差[4]。

根據(jù)當(dāng)前的研究結(jié)果，只有當(dāng)瀝青60 ℃動力黏度超過20 000 Pa·s時，才能更好地保證瀝青與集料間的粘結(jié)強度，從而使混合料具備良好的結(jié)構(gòu)強度和耐久性[5-6]。由于SBS復(fù)合改性瀝青的黏度、PG高溫等級等性能最為突出[7-10]，業(yè)內(nèi)學(xué)者對其研究也最為廣泛。郝培文等[11]研發(fā)了一種SBS復(fù)合改性高黏度瀝青，試驗結(jié)果表明，該高黏度瀝青與集料的粘結(jié)強度高，高、低溫性能優(yōu)越，但對施工要求較苛刻。朱平[12]進行了SBS、膠粉和萜烯樹脂復(fù)合改性，但未添加相容劑與穩(wěn)定劑，導(dǎo)致改性瀝青穩(wěn)定性能較差。馮新軍等[13]研究了TS高黏度改性瀝青排水路面的性能，結(jié)果表明其低溫抗裂性能較差，僅適用于我國南方地區(qū)。胡志梅[14]研究認為殼牌SAEM高黏劑能取代約30%的瀝青膠結(jié)料，得到的改性瀝青混合料的強度和抗車轍變形的能力明顯提高，但由于高黏劑添加量大，其儲存穩(wěn)定差?；谝陨涎芯砍晒狙芯繑M自主研制一種性能優(yōu)越且儲存性良好的SBS高黏改性瀝青以期解決大孔隙透水式瀝青路面存在的強度和耐久性差等問題，并為透水式瀝青路面的發(fā)展提供可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 主要原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青作為高黏瀝青的主要組成材料，其質(zhì)量對改性瀝青的性能具有較大影響。本文采用的基質(zhì)瀝青為殼牌70#瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)表

1.2 SBS

SBS作為改性瀝青的核心組成材料，是提升改性瀝青黏度和高溫抗變形能力的主要因素，其具體技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 SBS技術(shù)指標(biāo)表

1.3 高黏劑

高黏劑采用的是樹脂高黏瀝青改性劑，其主要的技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 高黏劑的技術(shù)指標(biāo)表

2 SBS高黏改性瀝青制備

根據(jù)本次主要的原材料種類，應(yīng)用三因素三水平正交試驗確定材料組成，摻量均采用內(nèi)摻，在180 ℃下以500 r/min的速度剪切30 min，采用60 ℃動力黏度為控制指標(biāo)。由于SBS的摻量嚴重影響材料的經(jīng)濟性，所以取SBS摻量為4.5%、5.5%、6.5%；高黏劑則采用廠家推薦的9%±1%進行摻配；增溶劑摻量采用1.5%、2%、2.5%。相關(guān)試驗安排如表4所示。

表4 試驗安排以及試驗結(jié)果表

表5 極差分析表(Pa·s)

由表5可知，在所列出的9組試驗配方中，由各因素的K1、K2、K3差異分別反映3個水平的好壞，因而得知因素A、B在K3的黏度最高，水平最好；因素C的K1最好。試驗結(jié)果表明，A、B兩個因素對于改性瀝青的60 ℃動力黏度起促進作用，C因素對改性瀝青的60 ℃動力黏度起抑制作用。由極差得出KB>KA>KC，表明因素B的影響最大，其對冷拌瀝青的60 ℃動力黏度起決定性作用。由因子影響程度，得出A3B3C1組合的黏度最佳，但是鑒于SBS摻量為6.5%，改性瀝青的180 ℃布氏黏度太高，導(dǎo)致混合料拌和、成型困難，而且A3B3C1與A2B3C1的60 ℃動力黏度相差不大，為節(jié)約成本，故以A2B3C1作為最優(yōu)配方，即5.5%SBS+10%高黏劑+1.5%的增溶劑+83%基質(zhì)瀝青。

3 瀝青性能研究

3.1 基本性能

本研究的SBS高黏改性瀝青作為一種新型的道路材料，其性能是材料能否廣泛應(yīng)用于道路上的決定性因素。

表6 SBS高黏改性瀝青的基本性能測試結(jié)果表

試驗表明，自研的SBS高黏改性瀝青各項指標(biāo)優(yōu)良，均能滿足相關(guān)技術(shù)要求。

3.2 高溫性能

瀝青作為一種典型的粘彈性材料，氣候條件和荷載對其性能會產(chǎn)生大幅度影響，從而進一步對瀝青路面的高溫性能產(chǎn)生較大的影響。美國公路戰(zhàn)略研究計劃(SHARP)綜合研究溫度和荷載對高溫性能的影響因素后，建議使用動態(tài)剪切流變試驗對瀝青高溫流變性能進行評價[15]，其試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 動態(tài)剪切流變試驗結(jié)果對比曲線圖

由圖1可知，對比相同溫度條件下的70#基質(zhì)瀝青與SBS高黏改性瀝青試驗結(jié)果可知，SBS高黏改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量明顯大于基質(zhì)瀝青，這主要是因為改性瀝青黏度大，高溫環(huán)境下抵抗外界變形能力比基質(zhì)瀝青強。在相同溫度下，SBS高黏改性瀝青的相位角小于基質(zhì)瀝青相位角，這表明SBS高黏改性瀝青具有更高的瀝青彈性。SBS高黏改性瀝青老化前后的車轍因子(G*/sinδ)變化量明顯小于基質(zhì)瀝青。

3.3 低溫性能

低溫抗裂性能是混合料常測項之一，故本節(jié)以蠕變勁度模量(S)和蠕變速率(m)作為評價指標(biāo)進行彎曲梁流變試驗。小梁在低溫荷載作用60 s時，其蠕變勁度模量S≤300 MPa，蠕變速率m≥0.30時，所測瀝青材料適用的溫度范圍不得低于所測溫度以下6 ℃[16]。

圖2 彎曲梁流變試驗結(jié)果對比曲線圖

由圖2可知，隨著溫度逐漸降低，蠕變勁度模量S逐漸變大，蠕變速率m逐漸將小，這一現(xiàn)象符合低溫條件下瀝青流變與應(yīng)力松弛變化規(guī)律。在相同溫度條件下，SBS高黏改性瀝青低溫抗裂性比基質(zhì)瀝青優(yōu)良，且SBS高黏改性瀝青在-18 ℃時仍能滿足技術(shù)要求。其主要原因是：高黏改性瀝青屬于物理混合，SBS的低溫延展性未受到影響，其與基質(zhì)瀝青形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子間作用力增大。

3.4 粘附性

SBS高黏改性瀝青作為透水式瀝青路面的粘結(jié)材料，與集料的粘附性嚴重影響路面的水穩(wěn)定性以及抗飛散性能。本試驗中根據(jù)所用級配的最大粒徑，選取粗集料的粒徑近似于立方體且粒徑為9.5～13.2 mm。試驗后，集料表面沒有任何脫落，表明SBS高黏改性瀝青與集料的粘附性良好，評為5級。

3.5 儲存穩(wěn)定性

將SBS高黏改性瀝青剪切完成后靜置7 d，在容器的頂層與底層各隨機選取1 mL的SBS改性瀝青進行電子顯微鏡觀測試驗，結(jié)果如圖3、圖4所示。

(a)容器底部

(b)容器頂部圖3 電鏡放大400倍示例圖

(a)容器底部

(b)容器頂部圖4 電鏡放大800倍示例圖

由圖3～4的SBS高黏改性瀝青光學(xué)顯微鏡圖可知，SBS高黏改性瀝青的重質(zhì)部分均勻分布于輕質(zhì)物質(zhì)當(dāng)中，表明自研SBS高黏改性瀝青儲存穩(wěn)定性較好。其主要原因是：添加的增溶劑屬于兩性材料，充當(dāng)基質(zhì)瀝青與SBS的橋梁，大幅度減少了改性瀝青的離析。

4 SBS高黏改性瀝青大孔隙混合料路用性能研究

大孔隙混合料要求瀝青膠結(jié)料必須滿足良好的高、低溫以及水穩(wěn)定性能，而基質(zhì)瀝青和一般的改性瀝青難以達到相應(yīng)要求[17]。所以，研制出滿足大孔隙混合料性能要求的瀝青是推廣大孔隙混合料路面應(yīng)用的關(guān)鍵。本研究采用SBS高黏改性瀝青、普通SBS改性瀝青以及70#基質(zhì)瀝青作為膠結(jié)料，分別進行大孔隙混合料的基本性能研究。自研SBS高黏改性瀝青以500 r/min的速度在180 ℃環(huán)境下剪切30 min后備用。大孔隙混合料級配采用廣西使用廣泛的PAC-13[18]。為防止熱老化，拌和溫度定為185 ℃，集料加熱溫度為200 ℃，拌和總時間為3 min。

4.1 混合料配合比設(shè)計

根據(jù)PAC路面級配特點，按目標(biāo)配合比及篩分結(jié)果，先確定各檔料的比例合成級配曲線如圖5所示。

圖5 PAC-13級配曲線圖

采用SBS高黏改性瀝青、普通SBS改性瀝青以及70#基質(zhì)瀝青作為膠結(jié)料，分別對PAC-13瀝青混合料進行馬歇爾試驗及各項物理性能測試。參考國內(nèi)外大孔隙混合料常用的孔隙率為18%～25%，兼顧材料的耐久性以及排水性能，成型試件的孔隙率按照20.5%控制，得到如表7所示的試驗結(jié)果。

表7 PAC-13級配設(shè)計試驗結(jié)果表

由表7可知，油石比為4.8%時，三種瀝青的混合料空隙率與目標(biāo)配合比空隙率(20.5%)的差值都不超過±1%，且穩(wěn)定度最高，飛散指標(biāo)較低，取最佳油石比為4.8%進行混合料性能比對試驗研究。

4.2 水穩(wěn)定性試驗

由于水穩(wěn)定性是決定大孔隙混合料耐久性的最主要性能之一，所以對三種不同瀝青的PAC-13大孔隙混合料進行殘留穩(wěn)定度試驗，以殘留穩(wěn)定度評價其水穩(wěn)定性，試驗結(jié)果如表8所示。

表8 三種PAC-13大孔隙混合料浸水馬歇爾試驗結(jié)果表

由表8可知，SBS高黏改性瀝青的PAC-13排水瀝青混合料殘留穩(wěn)定度高達99.3%，較其他兩種瀝青混合料水穩(wěn)定性能更優(yōu)越，其主要原因在于：(1)SBS高黏改性瀝青與集料的粘附性優(yōu)良，能減少瀝青的剝落程度；(2)SBS高黏改性瀝青添加了增溶劑，增強了瀝青與集料的界面化學(xué)吸附作用，進而大幅度提升了瀝青與集料的粘結(jié)強度。

4.3 高溫穩(wěn)定性試驗

對自研SBS高黏改性瀝青、普通SBS改性瀝青以及70#基質(zhì)瀝青的PAC-13瀝青混合料進行車轍試驗，試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，試驗溫度條件為60 ℃±1 ℃。試驗結(jié)果如表9所示。

由表9可知，SBS高黏改性瀝青的PAC-13排水瀝青混合料動穩(wěn)定度高達9 545次/mm，其高溫性能相比于普通SBS改性瀝青和70#基質(zhì)瀝青更優(yōu)越，其主要原因在于：添加高黏劑的SBS瀝青稠度大，形成了較強的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，瀝青與集料的粘結(jié)強度大，60 ℃的動穩(wěn)定度高，抗車轍性能好，與瀝青的高溫性能試驗結(jié)果相對應(yīng)。

表9 PAC-13混合料車轍試驗結(jié)果表

4.4 低溫抗裂性試驗

瀝青混合料的低溫性能在很大程度上決定了道路路面的低溫抗裂性，將三種不同瀝青類型的混合料在最佳配合比下成型7 d后的車轍板進行切割,制作小梁試件，試驗溫度為-10 ℃。試驗結(jié)果如表10所示。

表10 小梁彎曲試驗結(jié)果表

由表10可知，SBS高黏改性瀝青混合料的低溫應(yīng)變達到3 156.92，比普通SBS改性瀝青的應(yīng)變高了23.1%，比70#基質(zhì)瀝青的應(yīng)變高了86.9%。其原因主要是SBS高黏改性瀝青在增溶劑作用下增大了分子間的化學(xué)鍵作用力，使SBS高黏瀝青低溫勁度小，蠕變速率大，大大增強了混合料的低溫變形性能。

5 結(jié)語

本文對SBS高黏改性瀝青以及混合料進行系統(tǒng)研究，得到以下結(jié)論：

(1)高黏劑對SBS改性瀝青的黏度影響最大，SBS次之，增溶劑對改性瀝青的黏度有一定的負面影響。自研SBS高黏改性瀝青最優(yōu)原材料配合比為：5.5%SBS+10%高黏劑+1.5%的增溶劑+83%基質(zhì)瀝青。

(2)自研SBS高黏改性瀝青的高、低溫性能優(yōu)越，64 ℃的車轍因子高達8.74，明顯高于基質(zhì)瀝青的2.37，其高溫性能較為突出，蠕變勁度、蠕變速率也明顯高于基質(zhì)瀝青。通過電鏡觀測結(jié)果可知，增加了增溶劑的改性瀝青儲存穩(wěn)定性優(yōu)良。

(3)確定PAC-13級配曲線以及自研SBS高黏改性瀝青的最佳油石比為4.8%。SBS高黏改性瀝青PAC-13混合料的高低溫性能、水穩(wěn)定性比普通SBS改性瀝青和70#基質(zhì)瀝青的PAC-13混合料性能更優(yōu)越，具有推廣應(yīng)用的條件。

(4)SBS高黏改性瀝青混合料性能良好，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度為99.3%，動穩(wěn)定度為9 545次/mm，高溫性能以及水穩(wěn)定性能尤為突出。小梁彎曲試驗最小彎拉應(yīng)變?yōu)? 156.92με。

研究結(jié)果表明，自研的SBS高黏改性瀝青及大孔隙混合料性能優(yōu)越，具備實際應(yīng)用的條件。