納米CaCO3/SBS復(fù)合改性瀝青及混合料性能研究

程培峰李世為張展銘楊宗昊

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,哈爾濱 150040)

0 引言

道路材料是影響道路服務(wù)質(zhì)量和使用壽命的關(guān)鍵因素,瀝青材料因具有良好的特性被廣泛應(yīng)用于道路工程中[1]。為提升瀝青路面路用性能,在瀝青中添加改性材料已然成為了發(fā)展趨勢(shì)[2-3]。聚合物改性劑SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)可以提升瀝青路面的路用性能,在高等級(jí)公路瀝青路面中被大量采用[4]。但SBS與瀝青的相容性不佳,使SBS改性效果下降,瀝青容易出現(xiàn)抗老化性能不足的問題[5-6]。近年來,納米材料因其具有諸多優(yōu)良特性被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。有關(guān)研究表明,納米材料可以較好地融于瀝青中,能夠在瀝青中形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)進(jìn)而改善瀝青結(jié)合料的宏觀性能[7-8]。

納米CaCO3是一種應(yīng)用前景廣闊的納米材料,具有優(yōu)良的補(bǔ)強(qiáng)能力,且造價(jià)低,在橡膠、造紙等產(chǎn)業(yè)中廣泛應(yīng)用[9]。近年來,有學(xué)者研究了納米CaCO3作為瀝青改性劑的可行性。楊仲尼等[10]研究了納米CaCO3對(duì)瀝青流變特性的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明納米CaCO3對(duì)改善瀝青高溫穩(wěn)定性起到積極作用,而對(duì)瀝青低溫性能影響的效果不顯著;李增杰等[11]對(duì)瀝青進(jìn)行薄膜老化試驗(yàn)和壓力老化試驗(yàn),證明了納米Ca-CO3能夠改善基質(zhì)瀝青的抗老化性能;李詩琦等[12]通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)納米CaCO3瀝青混合料路用性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明納米CaCO3可以改善基質(zhì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗變形能力。

本文以納米CaCO3/SBS復(fù)合改性瀝青及混合料作為研究對(duì)象,針對(duì)復(fù)合改性瀝青的物理性能、高溫流變性能、低溫流變性能、抗老化性能和相容性進(jìn)行試驗(yàn)分析,并對(duì)混合料的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能和抗水損害性能進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià),以探究納米CaCO3對(duì)SBS改性瀝青及混合料性能的影響規(guī)律。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

(1)SBS改性瀝青:試驗(yàn)用SBS改性瀝青由山東某瀝青加工廠生產(chǎn),SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%,等級(jí)為I-C級(jí),主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

(2)納米CaCO3:采用上海某公司產(chǎn)品,常溫下為白色粉末狀固體,主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 SBS改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical index of SBS modified asphalt

表2 納米CaCO3主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Main technical index of nano CaCO3

(3)混合料級(jí)配:采用AC-16型瀝青混合料,級(jí)配組成見表3。粗集料、細(xì)集料材質(zhì)為玄武巖,礦粉材質(zhì)為石灰?guī)r。由混合料配合比設(shè)計(jì)確定SBS改性瀝青混合料及納米復(fù)合改性瀝青混合料的最佳瀝青用量分別為4.7%、5.0%。

1.2 納米CaCO3復(fù)合改性瀝青的制備

將SBS改性瀝青在160 ℃的條件下加熱至熔融狀態(tài),首先使用攪拌儀以800 r/min攪拌瀝青,按照瀝青質(zhì)量的2%、4%、6%、8%緩慢加入納米CaCO3,待瀝青表面無氣泡后,使用高速剪切儀對(duì)其進(jìn)行剪切,剪切速率為5 000 r/min,剪切時(shí)間為30 min,制得納米CaCO3/SBS復(fù)合改性瀝青,同時(shí)取一份未摻入納米CaCO3的SBS改性瀝青進(jìn)行同樣條件下的攪拌剪切處理,以此作為試驗(yàn)用SBS改性瀝青。

表3 AC-16瀝青混合料級(jí)配組成Tab.3 Aggregate gradation of AC-16

1.3 試驗(yàn)方法

(1)三大指標(biāo)試驗(yàn):按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行。

(2)流變性能試驗(yàn):采用Anton Paar公司生產(chǎn)的MCR302型號(hào)的動(dòng)態(tài)剪切流變儀,試件的直徑為25 mm,與試驗(yàn)板的間隙為1.0 mm±0.005 mm,采用溫度掃描(TS)控制應(yīng)變模式,加載頻率為10 rad/s,溫度范圍為52 ～76 ℃,溫度梯度為6 ℃;瀝青彎曲蠕變勁度試驗(yàn)(BBR)用的彎曲梁流變儀是由美國CANNON公司生產(chǎn),瀝青試件尺寸長、寬、高分別為101.6、12.7、6.4 mm,測(cè)試溫度為-12、-18、-24 ℃;瀝青多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)同樣采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀,試件的直徑為25 mm,與試驗(yàn)板的間隙為1.0 mm±0.005 mm,在控制應(yīng)變模式下進(jìn)行加載,頻率為10 rad/s,溫度范圍為52 ～76 ℃,溫度梯度為6 ℃,應(yīng)力水平為0.1 kPa和3.2 kPa。

(3)離析試驗(yàn):將加熱至熔融狀態(tài)的瀝青加入直徑為25 mm、高度為140 mm的離析管中,將離析管封閉后放入160 ℃的烘箱中儲(chǔ)存48 h,測(cè)定離析管頂部和底部瀝青的軟化點(diǎn)之差。

2 瀝青試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 物理性能分析

通過針入度、延度和軟化點(diǎn)3個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)瀝青的物理性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。測(cè)試SBS改性瀝青和4種納米CaCO3摻量的復(fù)合改性瀝青的三大指標(biāo),具體試驗(yàn)結(jié)果如圖1—圖3所示。

由圖1可知,隨著納米CaCO3摻量的增加,復(fù)合改性瀝青的針入度數(shù)值逐漸下降,針入度的下降意味著材料稠度的提高,說明納米CaCO3能夠使SBS改性瀝青的抗變形能力增強(qiáng)。就變化趨勢(shì)來看,當(dāng)納米CaCO3摻量由2%增加至4%時(shí),復(fù)合改性瀝青的針入度下降了0.36 mm,下降幅度最大;當(dāng)納米CaCO3摻量由4%增加至8%時(shí),復(fù)合改性瀝青的針入度下降了0.18 mm,下降幅度放緩。說明納米CaCO3摻量小于4%時(shí),納米CaCO3摻量的增加對(duì)復(fù)合改性瀝青針入度的影響效果顯著,當(dāng)納米CaCO3摻量大于4%時(shí),雖然針入度仍在降低,但影響效果減弱。

圖1 納米CaCO3的摻量對(duì)瀝青針入度的影響Fig.1 Effect of nano CaCO3 dosage on penetration of asphalt

由圖2可知,隨著納米CaCO3摻量的增加,復(fù)合改性瀝青的延度呈現(xiàn)下降趨勢(shì),低溫抗變形能力變差,說明納米CaCO3對(duì)SBS改性瀝青的低溫性能產(chǎn)生一定的負(fù)面作用。就變化趨勢(shì)來看,當(dāng)納米CaCO3摻量由0增加至6%時(shí),納米復(fù)合改性瀝青的延度下降幅度相對(duì)較緩;當(dāng)納米CaCO3摻量由6%增加至8%時(shí),復(fù)合改性瀝青的延度下降了2.6 cm,下降幅度變大。說明當(dāng)納米CaCO3摻量小于6%時(shí),納米CaCO3摻量的增加對(duì)復(fù)合改性瀝青延度的影響效果相對(duì)較小,當(dāng)納米CaCO3摻量大于6%時(shí),復(fù)合改性瀝青的延度降幅較大。

圖2 納米CaCO3的摻量對(duì)瀝青延度的影響Fig.2 Effect of nano CaCO3 dosage on ductility of asphalt

由圖3可知,隨著納米CaCO3摻量的增加,復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)逐漸升高,說明納米CaCO3能夠改善SBS改性瀝青的高溫性能。就變化趨勢(shì)來看,當(dāng)納米CaCO3摻量由0增加至2%,由2%增加到4%時(shí),復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)上升明顯,分別上升了3.1 ℃和4.5 ℃;當(dāng)納米CaCO3摻量由4%增加至8%,復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)僅上升了2.1 ℃,上升趨勢(shì)放緩。說明當(dāng)納米CaCO3摻量小于4%時(shí),納米CaCO3摻量的增加對(duì)復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)的影響效果顯著,當(dāng)納米CaCO3摻量大于4%時(shí),對(duì)軟化點(diǎn)的影響效果減弱。

圖3 納米CaCO3的摻量對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響Fig.3 Effect of nano CaCO3 dosage on softening point of asphalt

圖4 納米CaCO3的摻量對(duì)瀝青Jnr的影響Fig.4 Effect of nano CaCO3 dosage on Jnr of asphalt

2.2 流變性能分析

2.2.1 高溫性能分析

改性瀝青的可恢復(fù)變形和不可恢復(fù)變形可表征其高溫性能[13]。相關(guān)研究表明,MSCR試驗(yàn)的應(yīng)力和應(yīng)變的范圍較大,能夠使聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,因此可以對(duì)聚合物改性瀝青的性能進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)[14]。該試驗(yàn)評(píng)價(jià)聚合物改性瀝青的高溫性能的指標(biāo)主要有:不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)和蠕變恢復(fù)率(R)。Jnr能夠表征瀝青的殘余變形,Jnr越小,瀝青的殘余變形越小,說明在高溫條件下,瀝青具有更好的抗變形能力。納米CaCO3的摻量對(duì)瀝青Jnr的影響情況如圖4所示。

由圖4可知,在相同的溫度條件下,瀝青在0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力等級(jí)下的Jnr隨著納米CaCO3摻量的增加而逐漸降低,說明納米CaCO3的加入促進(jìn)了SBS改性瀝青高溫下抗變形能力的提高。就變化趨勢(shì)來看,當(dāng)納米CaCO3的摻量小于4%時(shí),Jnr下降的幅度較大,當(dāng)摻量超過4%時(shí),Jnr下降的幅度放緩。以溫度為64 ℃的試驗(yàn)結(jié)果為例,納米CaCO3摻量由0增加至4%,Jnr0.1和Jnr3.2分別降低了5.2 kPa-1和6.8 kPa-1,納米CaCO3摻量由4%增加至8%,Jnr0.1和Jnr3.2分別降低了0.7 kPa-1和1.2 kPa-1,說明過大的納米CaCO3摻量不能對(duì)提升瀝青高溫性能起到明顯的效果,與瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)反映的結(jié)果一致。在相同溫度及納米CaCO3摻量的條件下,改性瀝青在3.2 kPa應(yīng)力等級(jí)下的Jnr高于0.1 kPa應(yīng)力等級(jí)下的Jnr,原因是高應(yīng)力導(dǎo)致瀝青產(chǎn)生了較大的形變,隨著荷載的累積,瀝青會(huì)產(chǎn)生較大的變形。同一種瀝青在相同的應(yīng)力等級(jí)下,溫度越高,瀝青的Jnr越大,說明瀝青高溫抗永久變形能力隨溫度升高而逐漸降低,表現(xiàn)為改性瀝青對(duì)高溫具有一定敏感性,在高溫下更容易變形。

瀝青的變形可分為2部分,即彈性變形和塑性變形。蠕變恢復(fù)率(R)是除去外力后的可恢復(fù)應(yīng)變與加載時(shí)的最大應(yīng)變之比。R可以較好地判斷瀝青彈性變形的強(qiáng)弱。一般來說,R越大,說明瀝青在荷載累積作用的影響下彈性變形越大,累積形變?cè)叫?其高溫抗車轍能力就越強(qiáng)。納米CaCO3的摻量對(duì)瀝青R的影響情況如圖5所示。

圖5 納米CaCO3的摻量對(duì)瀝青R的影響Fig.5 Effect of nano CaCO3 dosage on R of asphalt

由圖5可知,在相同的溫度條件下,各個(gè)瀝青在0.1kPa和3.2 kPa應(yīng)力等級(jí)下的R均隨著納米Ca-CO3摻量的增加而逐漸增大,說明納米CaCO3能夠有效地增加SBS改性瀝青的彈性變形,降低黏性變形,進(jìn)而表現(xiàn)為高溫變形恢復(fù)能力提高。就變化趨勢(shì)來看,當(dāng)納米CaCO3的摻量小于4%時(shí),R增大的幅度較大,當(dāng)摻量超過4%時(shí),R增大的幅度放緩。以溫度為64 ℃的試驗(yàn)結(jié)果為例,納米CaCO3摻量由0增加至4%,R0.1和R3.2分別增大了18.5%和11.7%,納米CaCO3摻量由4%增加至8%,R0.1和R3.2分別增大了7.5%和5.2%,說明納米CaCO3摻量過大不能對(duì)提升瀝青高溫性能起到明顯的效果。隨著溫度的升高,改性瀝青在2種應(yīng)力等級(jí)下的R均逐漸減小,這表明在高溫的影響下,改性瀝青的黏彈性組成發(fā)生改變,對(duì)高溫抗變形能力和變形恢復(fù)能力均產(chǎn)生負(fù)面影響;在相同溫度及納米CaCO3摻量的條件下,R隨應(yīng)力水平的提高而減小,在相同應(yīng)力等級(jí)及納米CaCO3摻量的條件下,R隨溫度的提高而同樣減小,這證明了在研究應(yīng)力和溫度對(duì)瀝青抗變形能力的影響時(shí),二者具有等效性。

2.2.2 低溫性能分析

對(duì)瀝青試樣進(jìn)行BBR試驗(yàn),采用蠕變勁度模量(S)和蠕變速率(m)對(duì)瀝青的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。S表征瀝青對(duì)恒定載荷的抵抗能力,m表征荷載作用時(shí)勁度的變化率,二者能夠反映溫度和時(shí)間對(duì)瀝青低溫流變性能的影響[15]。S越小,m越大,說明瀝青在低溫條件下柔性越好,其抗低溫開裂性能越好。納米CaCO3的摻量對(duì)瀝青S和m的影響情況如圖6所示。

由圖6可知,在相同的溫度條件下,隨著納米CaCO3摻量的增加,瀝青的S提高,m降低,說明納米CaCO3會(huì)對(duì)SBS改性瀝青的低溫抗變形能力產(chǎn)生一定不利影響。以溫度為-18 ℃的試驗(yàn)結(jié)果為例,相較于SBS改性瀝青,納米CaCO3摻量為8%的復(fù)合改性瀝青的S僅提高了58 MPa,m僅降低了0.07,說明納米CaCO3雖然減弱了SBS瀝青的低溫性能,但影響程度不大。在相同的納米CaCO3摻量下,溫度越低,S越大,m越小,說明低溫使瀝青柔性降低,易發(fā)生開裂,當(dāng)試驗(yàn)溫度從-18 ℃下降到-24 ℃時(shí),S和m變化幅度加大,說明改性瀝青對(duì)低溫有一定敏感性。

圖6 納米CaCO3的摻量對(duì)瀝青S和m的影響Fig.6 Effect of nano CaCO3 dosage on S and m of asphalt

2.3 抗老化性能分析

為了研究納米CaCO3/SBS復(fù)合改性瀝青的抗老化性能,本文對(duì)瀝青試樣進(jìn)行短期熱氧老化,對(duì)老化前后的瀝青試樣進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)(TS),采用車轍因子老化指數(shù)(RAI,公式中為RAI)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。RAI按公式(1)計(jì)算。RAI越小,瀝青性能受老化的影響越小,抗老化性能越好[16]。納米CaCO3的摻量對(duì)瀝青RAI的影響情況如圖7所示。

式中:G*/sinδ為瀝青老化后的車轍因子;G*0/sinδ0為瀝青老化前的車轍因子。

圖7 納米CaCO3的摻量對(duì)瀝青RAI的影響Fig.7 Effect of nano CaCO3 dosage on RAI of asphalt

由圖7可知,在同一溫度下,隨著納米CaCO3摻量的增加,瀝青的RAI逐漸降低,說明瀝青抗老化性能逐漸升高,納米CaCO3有助于提升SBS改性瀝青的抗老化性能。就變化趨勢(shì)來看,當(dāng)納米CaCO3的摻量小于4%時(shí),RAI降低的幅度較大,當(dāng)摻量超過4%時(shí),RAI降低的幅度放緩。以溫度為64 ℃的試驗(yàn)結(jié)果為例,當(dāng)納米CaCO3摻量由0增加至4%時(shí),復(fù)合改性瀝青的RAI降低了0.43,降低的幅度較大,當(dāng)納米CaCO3摻量由4%增加至8%時(shí),復(fù)合改性瀝青的RAI降低了0.11,降低的幅度放緩。說明當(dāng)納米CaCO3摻量小于4%時(shí),納米CaCO3摻量的增加對(duì)復(fù)合改性瀝青抗老化性能的改善效果較為顯著。

2.4 合理摻量確定

上文對(duì)SBS改性瀝青和4種摻量的納米CaCO3復(fù)合改性瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)、MSCR試驗(yàn)、BBR試驗(yàn)和老化前后的TS試驗(yàn)。分析結(jié)果顯示,納米CaCO3對(duì)SBS改性瀝青的物理性能、高低溫流變性能、抗老化性能均有影響,綜合考慮各試驗(yàn)結(jié)果,推薦出納米CaCO3/SBS復(fù)合改性瀝青中納米CaCO3的合理摻量。

對(duì)于針入度指標(biāo),當(dāng)納米CaCO3摻量小于4%時(shí),納米CaCO3摻量的增加對(duì)復(fù)合改性瀝青針入度的影響效果顯著;對(duì)于延度指標(biāo),當(dāng)納米CaCO3摻量小于6%時(shí),納米CaCO3摻量的增加對(duì)復(fù)合改性瀝青延度的影響效果相對(duì)較小;對(duì)于軟化點(diǎn)指標(biāo),當(dāng)納米CaCO3摻量小于4%時(shí),納米CaCO3摻量的增加對(duì)復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)的影響效果顯著。

對(duì)于高溫流變性能,當(dāng)納米CaCO3摻量小于4%時(shí),納米CaCO3摻量的增加對(duì)復(fù)合改性瀝青高溫抗變形能力影響較大。對(duì)于低溫流變性能,納米CaCO3會(huì)對(duì)SBS改性瀝青的低溫抗變形能力產(chǎn)生一定不利影響,但影響程度較小。

對(duì)于抗老化性能,當(dāng)納米CaCO3摻量小于4%時(shí),納米CaCO3摻量的增加對(duì)復(fù)合改性瀝青抗老化性能的改善效果較為顯著。

綜上,考慮納米CaCO3摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響效果,建議復(fù)合改性瀝青中納米CaCO3的合理摻量為4%。

2.5 相容性分析

SBS改性劑與瀝青的相容性不佳,導(dǎo)致SBS改性瀝青在使用過程中易發(fā)生離析,使瀝青的性能變差[17]。為此,有必要對(duì)其相容性進(jìn)行分析研究。

通過離析試驗(yàn),測(cè)定瀝青試樣頂部與底部軟化點(diǎn)的差值評(píng)價(jià)瀝青的相容性。規(guī)范規(guī)定,瀝青頂部與底部軟化點(diǎn)之差(△T)小于2.5 ℃,說明瀝青具有較好的相容性。SBS改性瀝青和納米Ca-CO3摻量為4%的復(fù)合改性瀝青的離析試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 離析試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of segregation test ℃

由表4可知,SBS改性瀝青頂部與底部軟化點(diǎn)之差為3.1 ℃,不符合規(guī)范要求;納米CaCO3摻量為4%的復(fù)合改性瀝青頂部與底部軟化點(diǎn)之差為1.2 ℃,符合規(guī)范要求,較SBS改性瀝青降低了61.2%,說明納米CaCO3能夠有效改善SBS改性瀝青的相容性。2種瀝青頂部軟化點(diǎn)高于底部軟化點(diǎn),原因是瀝青的密度大于SBS聚合物的密度,部分未與瀝青較好相容的SBS聚合物浮于瀝青的頂部。

3 瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 高溫穩(wěn)定性分析

當(dāng)路面溫度升高到一定程度,再加上車輛荷載作用,瀝青混合料中的瀝青會(huì)開始軟化,甚至流動(dòng),導(dǎo)致路面強(qiáng)度下降,產(chǎn)生局部變形,例如車轍、擁包等[18]。目前,車轍試驗(yàn)因其技術(shù)成熟、可模擬實(shí)際路面環(huán)境情況被普遍地應(yīng)用于評(píng)定瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。本文對(duì)2種改性瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn),并進(jìn)行對(duì)比。采用輪碾成型法制備了尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的瀝青混合料車轍板,在自動(dòng)車轍儀上進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表5。

由表5可知,SBS改性瀝青混合料和納米復(fù)合改性瀝青混合料的車轍動(dòng)穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求;由上文對(duì)瀝青性能的研究可知,納米CaCO3能夠改善SBS改性瀝青的高溫性能,通過瀝青混合料車轍試驗(yàn)可知,相較于SBS改性瀝青混合料,納米復(fù)合改性瀝青混合料具有更好的高溫性能,動(dòng)穩(wěn)定度相比于SBS改性瀝青混合料提高了約23.4%,證明了納米CaCO3對(duì)SBS改性瀝青及其混合料高溫性能的改善作用具有一致性,原因是納米CaCO3具有較高的表面活性,能夠吸附瀝青和SBS聚合物,使復(fù)合改性瀝青混合料形成更加穩(wěn)定的整體,提升了其高溫穩(wěn)定性。

表5 車轍試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of wheel track rutting test 次·mm-1

3.2 低溫抗裂性分析

在我國,特別是我國北方大部分地區(qū),良好的低溫抗裂性是瀝青混合料應(yīng)當(dāng)具備的重要性能之一。瀝青混合料的低溫性能表現(xiàn)為其抗拉強(qiáng)度和抗變形能力。通常情況下,混合料的抗彎拉強(qiáng)度和最大破壞彎拉應(yīng)變?cè)酱?累積應(yīng)力增加得越慢,說明材料的低溫性能越好[19]。本文采用國內(nèi)常用的低溫小梁彎曲試驗(yàn)來對(duì)比評(píng)價(jià)2種改性瀝青混合料的低溫抗裂性,試驗(yàn)結(jié)果見表6。

由表6可知,納米復(fù)合改性瀝青混合料較SBS改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和最大破壞彎拉應(yīng)變略有降低,降低比例分別為3.1%和2.6%,2種瀝青混合料的最大破壞彎拉應(yīng)變均滿足規(guī)范規(guī)定的不小于2 800 με的要求。勁度模量反映了材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,對(duì)于瀝青材料而言,在低溫條件下,勁度模量越小,松弛能力越強(qiáng),低溫性能更優(yōu)異。相較SBS改性瀝青混合料,復(fù)合改性瀝青混合料的勁度模量增大了2.9%。上述分析表明,納米CaCO3對(duì)SBS改性瀝青混合料的低溫性能有一定不利影響,但影響程度較小。

表6 低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of low temperature trabecular bending test

3.3 水穩(wěn)定性分析

路面在服役過程中,因氣溫的變化,環(huán)境中的水分會(huì)發(fā)生凍融循環(huán),加之車輛動(dòng)荷載的反復(fù)作用,水分受到動(dòng)水壓力或抽吸壓力而進(jìn)入瀝青與集料的結(jié)合界面,會(huì)減弱瀝青與集料的黏結(jié)作用,導(dǎo)致集料從混合料中脫離出來,形成松散、坑槽等病害[20]。本文采用浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)來對(duì)比評(píng)價(jià)2種改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性,試驗(yàn)結(jié)果見表7—表8。

表7 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Results of water-immersed Marshall test

表8 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Results of freeze-thaw indirect tensile strength test

由表7—表8可知,2種瀝青混合料浸水48 h的馬歇爾穩(wěn)定度小于浸水0.5 h的馬歇爾穩(wěn)定度,說明浸水時(shí)間與水損害程度呈正相關(guān)關(guān)系。2種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均大于85%,符合規(guī)范要求,相比于SBS改性瀝青混合料,納米復(fù)合改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度提升約4.9%。2種瀝青混合料凍融后劈裂強(qiáng)度小于凍融前劈裂強(qiáng)度,證明凍融循環(huán)會(huì)對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。納米復(fù)合改性瀝青混合料凍融前后劈裂強(qiáng)度相較于SBS改性瀝青混合料均有所降低,2種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度均大于80%,符合規(guī)范要求,相比于SBS改性瀝青混合料,納米復(fù)合改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度提升約5.6%,說明納米CaCO3能夠改善SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

4 結(jié)論

(1)納米CaCO3能夠提高SBS改性瀝青的軟化點(diǎn),降低針入度和延度;納米CaCO3可增強(qiáng)SBS改性瀝青的彈性變形,在摻量小于4%時(shí),納米CaCO3摻量的增加對(duì)復(fù)合改性瀝青高溫流變性能的改善作用較明顯;納米CaCO3對(duì)復(fù)合改性瀝青低溫流變性能的影響較小。

(2)納米CaCO3能夠改善SBS改性瀝青的抗老化性能,在摻量小于4%時(shí),納米CaCO3摻量的增加對(duì)復(fù)合改性瀝青抗老化性能的改善效果較為顯著;納米CaCO3可以有效改善SBS與瀝青的相容性;綜合性能影響效果,建議復(fù)合改性瀝青中納米CaCO3的合理摻量為4%。

(3)相較于SBS改性瀝青混合料,復(fù)合改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度提高了23.4%,高溫穩(wěn)定性較優(yōu)異;低溫抗裂性略有降低,但遠(yuǎn)高于規(guī)范要求;殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別提升了4.9%和5.6%,水穩(wěn)定性良好。