冷補(bǔ)瀝青膠結(jié)料研制及性能評(píng)價(jià)

郭忠寶

(遼寧省交通建設(shè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

瀝青路面在服役過程中由于受到自然環(huán)境和行車荷載的作用，加之施工技術(shù)水平等因素，不可避免地會(huì)產(chǎn)生諸如坑槽等病害，當(dāng)瀝青路面的坑槽得不到及時(shí)的修補(bǔ)，水逐漸滲入到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部時(shí)會(huì)對(duì)瀝青路面的耐久性造成極大影響[1]。同時(shí)，坑槽的出現(xiàn)會(huì)極大地影響行車安全和舒適性。目前常用的瀝青路面坑槽冷補(bǔ)材料分為稀釋型、乳化型和反應(yīng)型，由于稀釋型冷補(bǔ)料具有使用范圍較廣、造價(jià)較低、生產(chǎn)工藝簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，針對(duì)瀝青路面坑槽用稀釋型冷補(bǔ)瀝青混合料所用膠結(jié)料進(jìn)行研制，同時(shí)對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 原材料選擇

1.1 基質(zhì)瀝青

選用重交90#基質(zhì)瀝青，具體性能指標(biāo)見表1。

表1 90#基質(zhì)瀝青主要性能指標(biāo)

1.2 稀釋劑

對(duì)于稀釋型冷補(bǔ)瀝青混合料，為滿足施工要求，需加入一定量的稀釋劑用來調(diào)和瀝青，根據(jù)冷補(bǔ)瀝青混合料特殊的路用要求，所選用的稀釋劑應(yīng)對(duì)改性劑和基質(zhì)瀝青有較大的溶解能力，能形成均勻穩(wěn)定的體系，目前常用的稀釋劑包括柴油、煤油、溶劑油等。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，本項(xiàng)目選用溶劑油作為研究的稀釋劑。

1.3 添加劑

稀釋性冷補(bǔ)瀝青混合料的強(qiáng)度隨著稀釋劑的揮發(fā)而逐漸提高，但由于稀釋劑的存在，在稀釋劑未完全揮發(fā)的情況下，混合料的強(qiáng)度會(huì)受到一定程度的影響。因此，在研究中，分別選擇了增溶劑、增粘劑和抗剝落劑加入瀝青中，提高冷補(bǔ)瀝青混合料的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度，從而提高其早期路用性能和力學(xué)性能。其中改性劑選用線形結(jié)構(gòu)的SBS 1301。

2 傅里葉紅外光譜試驗(yàn)分析

為對(duì)增粘劑和抗剝落劑在冷補(bǔ)瀝青膠結(jié)料中所產(chǎn)生的作用進(jìn)行分析，采用傅里葉紅外光譜(FTIR)對(duì)其化學(xué)組成進(jìn)行分析，探討其作用機(jī)理。測(cè)試結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 增粘劑紅外光譜測(cè)試結(jié)果

圖2 抗剝落劑紅外光譜測(cè)試結(jié)果

2.1 增粘劑測(cè)試結(jié)果

如圖1所示，處于3030cm-1的峰分別歸屬為增粘劑分子的芳香環(huán)的C-H伸縮振動(dòng)和亞甲基的伸縮振動(dòng)，在1605cm-1處的峰增粘劑分子的苯環(huán)特征雙鍵的特征峰，在800～690cm-1處的吸收峰歸屬為芳香環(huán)不飽和C-H的面外彎曲振動(dòng)，這些特征都說明了增粘劑中含有芳香環(huán)；另外，在2928cm-1的峰為飽和C-H伸縮振動(dòng)，在1448cm-1和1374cm-1的峰為飽和C-H的彎曲振動(dòng)，1737cm-1處為羰基的伸縮振動(dòng)。

2.2 抗剝落劑測(cè)試結(jié)果

如圖2所示，在1550cm-1和1641cm-1的峰歸屬為酰胺的振動(dòng)吸收，在3305cm-1的峰為胺基的特征峰，在3007cm-1、2953cm-1、2852cm-1出現(xiàn)的峰為亞甲基的伸縮振動(dòng)，可以看出本樣品成分中含有聚酰胺。相比于亞甲基吸收峰強(qiáng)度，酰胺與胺基的吸收峰均較弱，含量較少，說明抗剝落劑中聚酰胺的烷基鏈很長，聚酰胺的存在，可以與瀝青有較好的相容性，同時(shí)由于聚酰胺的特殊性能，可以形成高強(qiáng)度的粘結(jié)，由此可以提高冷補(bǔ)瀝青與石料的粘附性能，進(jìn)而提高冷補(bǔ)瀝青混合料的早期強(qiáng)度，彌補(bǔ)由于稀釋劑的存在造成的早期強(qiáng)度損失。

3 SBS-增粘劑改性瀝青試驗(yàn)分析

為評(píng)價(jià)增粘劑的加入對(duì)基質(zhì)瀝青的影響，以SBS-增粘劑改性瀝青為研究對(duì)象，線性SBS改性劑摻量5%，測(cè)定不同摻量增粘劑/SBS復(fù)合改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度、135℃旋轉(zhuǎn)粘度，結(jié)果如表2所示。

表2 不同摻量增粘劑/SBS改性瀝青性能測(cè)試數(shù)據(jù)

由表2可以看出，增粘劑的加入可以顯著提高SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)，同時(shí)其針入度也隨著增粘劑的加入而降低，增粘劑的加入可以在一定程度上提高改性瀝青的稠度，保證了冷補(bǔ)瀝青混合料的粘聚性[2]。同樣可以看出，增粘劑的加入會(huì)顯著提高改性瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度。為保證施工的和易性，在后續(xù)的冷補(bǔ)液制備過程中應(yīng)充分考慮由于增粘劑的加入造成的瀝青粘度增加，并重點(diǎn)對(duì)施工和易性予以關(guān)注。與此同時(shí)增粘劑的加入會(huì)降低SBS改性瀝青的延度，并且隨著增粘劑摻量的加大，延度會(huì)進(jìn)一步減小。根據(jù)紅外光譜分析可知，所加入的增粘劑中存在苯環(huán)結(jié)構(gòu)，加入改性瀝青中，會(huì)降低其混合相的延展性能，導(dǎo)致加入增粘劑后其混合瀝青的延度降低。

4 冷補(bǔ)瀝青液設(shè)計(jì)指標(biāo)敏感性因素分析

瀝青粘度及其流動(dòng)性直接關(guān)系到混合料的和易性、疏松性、壓實(shí)性和初始強(qiáng)度。在同樣的溫度下，采用相對(duì)低粘度、流動(dòng)性好的瀝青配制成混合料，雖然疏松性、和易性都好，但初期粘結(jié)力小，不足以抵抗車輪作用產(chǎn)生的剪切力，容易造成松散。瀝青粘度過大、流動(dòng)性差時(shí)，混合料在冷卻過程中或溫度較高時(shí)容易結(jié)成硬塊，儲(chǔ)存性能差，施工和易性差，而且不利于壓實(shí)，所以選擇在特定溫度下瀝青結(jié)合料的適宜粘度和流動(dòng)性非常重要。

本項(xiàng)目以粘度及流動(dòng)性試驗(yàn)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)冷補(bǔ)瀝青結(jié)合料進(jìn)行正交試驗(yàn)。冷補(bǔ)瀝青結(jié)合料的正交設(shè)計(jì)考慮的因素主要有：增粘劑添加量、抗剝落劑添加量及稀釋劑添加量三個(gè)因素。為重點(diǎn)弄清各因素對(duì)冷補(bǔ)瀝青結(jié)合料的影響，試驗(yàn)分兩次三水平三因素正交實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)的因素、水平如表3所示，然后分別對(duì)各冷補(bǔ)瀝青液進(jìn)行黏滯性、流動(dòng)性的測(cè)試。分別對(duì)冷補(bǔ)瀝青液的各項(xiàng)性能進(jìn)行敏感性因素分析，選出各單項(xiàng)性能指標(biāo)最優(yōu)時(shí)的設(shè)計(jì)指標(biāo)組合方案，并對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)敏感性進(jìn)行排序。

表3 試驗(yàn)因素與水平

4.1 黏滯性試驗(yàn)

本項(xiàng)目所制備的冷補(bǔ)瀝青在25℃時(shí)粘度較大，因此，采用60℃時(shí)布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量冷補(bǔ)瀝青液的粘度。試驗(yàn)結(jié)果如表4～表6所示。

表4 黏滯性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表5 冷補(bǔ)瀝青黏滯性試驗(yàn)(60℃)敏感性分析

表6 冷補(bǔ)瀝青黏滯性試驗(yàn)(60℃)方差分析

4.2 流動(dòng)性試驗(yàn)

本試驗(yàn)用流出相同質(zhì)量冷補(bǔ)瀝青液所需的流動(dòng)時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，較為直觀地反映了冷補(bǔ)瀝青液的流動(dòng)能力，控制著混合料施工和易性。實(shí)驗(yàn)中，將配好的冷補(bǔ)瀝青液注入試管中，密封保存90min至室溫；室溫條件下，將試管直立，并從試管直立時(shí)開始計(jì)時(shí)，直至流出冷補(bǔ)瀝青液質(zhì)量為10g時(shí)計(jì)時(shí)停止。試驗(yàn)結(jié)果如表7～表9所示。

表7 流動(dòng)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表8 冷補(bǔ)瀝青流動(dòng)性試驗(yàn)敏感性分析

表9 冷補(bǔ)瀝青流動(dòng)性試驗(yàn)方差分析

4.3 正交試驗(yàn)評(píng)價(jià)

對(duì)上述正交試驗(yàn)進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表10所示。

表10 各單項(xiàng)性能最優(yōu)時(shí)的設(shè)計(jì)指標(biāo)組合方案及敏感性排序

從上述極差結(jié)果可以出，稀釋劑對(duì)粘度的影響最大，增粘劑次之，抗剝落劑最小。

通過上述分析，冷補(bǔ)瀝青膠結(jié)料的最終組成及比例為：線性SBS改性劑5%、相容劑2.5%、增粘劑摻量4%、抗剝落劑摻量3.5%，稀釋劑摻量宜根據(jù)使用環(huán)境溫度進(jìn)行確定，需保證冷補(bǔ)瀝青混合料在低溫條件下具有較好的施工和易性，一般在30%～40%。

5 結(jié)論

(1)為提高冷補(bǔ)瀝青混合料的路用性能，宜加入改性劑、增粘劑和抗剝落劑，所添加的材料需與基質(zhì)瀝青有較好的相容性。

(2)黏滯性與流動(dòng)性是一對(duì)相對(duì)立的性能指標(biāo)，兩者的敏感性因素均為稀釋劑摻量，且稀釋劑對(duì)黏滯性的影響更為明顯。因此必須通過調(diào)整稀釋劑摻量以平衡兩者關(guān)系。

(3)通過文獻(xiàn)總結(jié)、實(shí)測(cè)結(jié)果分析及施工和易性要求，本次研究將冷補(bǔ)瀝青液黏滯性試驗(yàn)60℃粘度控制為小于2Pa·s。

(4)增粘劑中的芳香環(huán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加可以提高改性瀝青的相容性，使增粘劑分子能夠更好地吸附在SBS 上，提高了冷補(bǔ)液的穩(wěn)定性?？箘兟鋭┲泻芯埘０?，聚酰胺的分子間存在氫鍵，且聚酰胺極性很強(qiáng)，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的分子間作用力，具有優(yōu)異的粘結(jié)性能，可以形成高強(qiáng)度的粘結(jié)，可以提高冷補(bǔ)瀝青與石料的粘附性能。

(5)冷補(bǔ)瀝青液的流動(dòng)時(shí)間隨稀釋劑含量增加而減少，流動(dòng)性顯著提高；其流動(dòng)時(shí)間隨增粘劑含量增加而增加，所以需要控制稀釋劑和增粘劑的相對(duì)含量用以控制冷補(bǔ)瀝青液黏度，來達(dá)到粘度增減平衡合理狀態(tài)。結(jié)合60℃黏度數(shù)據(jù)，建議冷補(bǔ)瀝青流動(dòng)時(shí)間不超過240s。