接枝型改性瀝青在杭州灣跨海大橋的應(yīng)用研究

洪峰，湯薇，孔德玉，楊林江

（1.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興 312000；2.浙江工業(yè)大學(xué)，浙江杭州 310014；3.蘭亭工程技術(shù)研究院，浙江紹興 312000）

0 引 言

隨著車流量的急增，工程材料的性能提升迫在眉睫。高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐久、環(huán)保、可循環(huán)降解是當(dāng)今材料發(fā)展的主要方向。杭州灣跨海大橋全長(zhǎng)36 km，由于跨海大橋長(zhǎng)時(shí)間暴露于日照之下，所受紫外線輻射較高。同時(shí)海洋環(huán)境下，海水富含的鹽分與氯離子對(duì)于橋面具有一定的侵蝕作用，日常維修也較為困難。以往研究表明[1-2]，由于大橋上車輛荷載的反復(fù)作用以及長(zhǎng)期遭受氧氣、雨水等氣候變化的共同作用，路面通常儲(chǔ)存水分而導(dǎo)致通過瀝青面層中的孔隙不斷對(duì)混合料進(jìn)行沖刷與剝離，造成瀝青路面發(fā)生老化?？紤]到以上因素，如何提高橋面主要原材料即石料粘結(jié)劑——瀝青的內(nèi)聚力是研究的主要任務(wù)。

傳統(tǒng)改性瀝青膠結(jié)料的粘接力、力學(xué)流變性能相對(duì)較差[3]，因此制備的瀝青混合料路用性能耐久性較差[4]。本研究針對(duì)杭州灣跨海大橋橋面瀝青混合料的高耐久性需求，開發(fā)一種復(fù)合接枝改性劑，對(duì)瀝青進(jìn)行接枝改性，同時(shí)對(duì)接枝型改性瀝青的運(yùn)動(dòng)黏度、低溫抗裂性與老化性能進(jìn)行測(cè)試。

1 試 驗(yàn)

1.1 主要原材料

（1）基質(zhì)瀝青：70#重交瀝青，分別采用中油牌，軟化點(diǎn)46.3 ℃；中海牌，軟化點(diǎn)46 ℃；進(jìn)口科威特牌，軟化點(diǎn)45.6 ℃；復(fù)配基質(zhì)瀝青，軟化點(diǎn)46.2 ℃；克拉瑪依牌，軟化點(diǎn)46.1 ℃；韓國(guó)進(jìn)口SK 牌，軟化點(diǎn)45.2 ℃；進(jìn)口埃索牌，軟化點(diǎn)46 ℃；臺(tái)灣CPC 牌，軟化點(diǎn)46.0 ℃。

（2）聚乙烯蠟：白色，片狀，相對(duì)分子質(zhì)量1000~4000，熔點(diǎn)95 ℃左右。

（3）RRM 再生劑：主要成分為二硫化二烯丙基（DADS）及環(huán)狀一硫化物、多硫化物、各種二硫化物以及砜類化合物等。

（4）聚合穩(wěn)定劑：DOWFAX，陶氏化學(xué)。

（5）SBS 改性瀝青：I-D 級(jí)，軟化點(diǎn)85 ℃，5 ℃延伸度25 cm；接枝反應(yīng)劑（TW-1）：自制；高溫分散偶聯(lián)劑（TW-2）：有機(jī)硅類。

（6）抗紫外線吸收劑：UV-32，白色粉末狀，南京華立明。

（7）集料：粗集料，粒徑分別為5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm 石灰?guī)r；機(jī)制砂，粒徑0～3 mm。

1.2 主要設(shè)備儀器

SBS 改性瀝青膠體磨：LT03-01，蘭亭工程技術(shù)研究院生產(chǎn)；瀝青動(dòng)力黏度試驗(yàn)器（真空減壓毛細(xì)管法）：上海土工實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)；基質(zhì)瀝青四組分分析儀：SYD-0618，上虞建科儀器有限公司生產(chǎn)。

1.3 接枝型SBS 改性瀝青的制備

將接枝反應(yīng)劑（TW-1）與高溫分散偶聯(lián)劑（TW-2）按一定比例混合，制得抗紫外線吸收劑，將聚乙烯蠟升溫至130℃左右，然后加入2%RRM 再生劑及0.3%聚合穩(wěn)定劑、0.3%~0.5%抗紫外線吸收劑，即制得接枝劑（LTTW-1）。

根據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中瀝青混合料配合比試驗(yàn)方法，以石灰?guī)r集料、玄武巖集料和石灰?guī)r礦粉配制瀝青混合料（SMA-13 型）。同時(shí)利用接枝劑（LTTW-1）、SBS 改性劑對(duì)70#復(fù)配基質(zhì)瀝青（簡(jiǎn)稱基質(zhì)瀝青）進(jìn)行改性。將基質(zhì)瀝青升溫至170 ℃，同時(shí)加入制備好的LTTW-1（基質(zhì)瀝青質(zhì)量的0.05%）及SBS 改性劑（基質(zhì)瀝青質(zhì)量的4.5%），以3000 r/min、170~175 ℃剪切5 min，繼續(xù)以1000 r/min 攪拌180 min，制得接枝型SBS 改性瀝青。

1.4 測(cè)試與表征

所有測(cè)試方法及檢測(cè)依據(jù)JTG F40—2004、JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》。

熒光顯微鏡分析：將瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)，在載玻片上滴加少量瀝青，使之形成薄膜，并采用日本OLYMPUS BX51 型熒光顯微鏡（FM）觀察瀝青的微觀結(jié)構(gòu)。

動(dòng)力黏度分析：采用毛細(xì)管法，在控制真空度和溫度的情況下，測(cè)試一定體積的液體流過毛細(xì)管所需的時(shí)間。

低溫抗裂性能：在5 ℃下，采用延度儀測(cè)試，將瀝青試樣制成8 字形標(biāo)準(zhǔn)試模，在規(guī)定的拉伸速度（5 cm/min）下拉斷時(shí)延伸長(zhǎng)度用以表征低溫抗裂性能。

老化性能分析：通過低溫吸氧試驗(yàn)測(cè)試瀝青及其組分的吸氧性能和動(dòng)力學(xué)，以此表征瀝青的老化性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 接枝型SBS 改性瀝青

2.1.1 重交瀝青化學(xué)組分分析

瀝青在空氣中長(zhǎng)時(shí)間暴露，易吸收紫外線而失去黏彈性，即所謂的空氣老化[5]。不同品牌70#重交瀝青化學(xué)組成及相容穩(wěn)定性與反應(yīng)活性見表1。

表1 不同品牌70#重交瀝青化學(xué)組成及相容穩(wěn)定性與反應(yīng)活性

由表1 可見，單一瀝青均不能很好地滿足接枝反應(yīng)條件。應(yīng)考慮瀝青四組分活性聯(lián)合應(yīng)用，合理控制與分配四組份含量是接枝反應(yīng)的基礎(chǔ)。利用多種基質(zhì)瀝青復(fù)配復(fù)合基質(zhì)瀝青，其復(fù)配方法為，采用瀝青四組分分析儀檢測(cè)各種瀝青的組分比例，復(fù)配芳香分高，瀝青質(zhì)與飽和分比例低的復(fù)合瀝青，以達(dá)到滿足接枝反應(yīng)瀝青中活性鍵比例。

2.1.2 接枝型SBS 改性瀝青熒光分析

利用熒光顯微鏡分析，觀察170 ℃摻入LTTW-1 與不摻入LTTW-1 瀝青在反應(yīng)30 min 過程取樣分析熒光400 倍的微觀狀態(tài)，如圖1 所示。

圖1 SBS 改性瀝青熒光分析照片

由圖1 可以看出，基質(zhì)瀝青中SBS 為連續(xù)相，但尚未形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；而加入LTTW-1 的改性瀝青SBS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已基本形成。這表明在高針入度瀝青中，SBS 易于溶解分散，LTTW-1 接枝劑的加入可以形成完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大大提高了接枝型改性瀝青與石料間的內(nèi)聚力。

2.2 LTTW-1 對(duì)瀝青動(dòng)力黏度的影響

60 ℃動(dòng)力黏度與瀝青的分子結(jié)構(gòu)和組成密切相關(guān)，它不僅是瀝青流動(dòng)能力的物理參數(shù)，而且是評(píng)價(jià)瀝青材料高溫穩(wěn)定性的關(guān)鍵性指標(biāo)。以往研究表明[6-7]，利用高分子材料增大改性瀝青60 ℃動(dòng)力黏度（分子間內(nèi)聚力）的同時(shí)，易導(dǎo)致135℃運(yùn)動(dòng)黏度即施工黏度增大。這導(dǎo)致拌合均勻性與施工和易性受影響，需要提高施工拌合溫度與攤鋪溫度來保證混凝土的和易性，增加能耗。LTTW-1 型改性接枝劑的加入可以克服60 ℃動(dòng)力黏度與135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度相矛盾的難題。利用動(dòng)力黏度分析，在不同反應(yīng)時(shí)間（從加入LTTW-1 開始計(jì)時(shí)）下接枝型改性瀝青在60 ℃下動(dòng)力黏度和135 ℃下運(yùn)動(dòng)黏度狀態(tài)，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 LTTW-1 對(duì)改性瀝青60 ℃動(dòng)力黏度與135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的影響

由圖2 可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，接枝型改性瀝青60 ℃動(dòng)力黏度呈增大的趨勢(shì)，而135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度則逐步減小。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間小于1.0 h 時(shí)，60 ℃動(dòng)力黏度增長(zhǎng)較為緩慢。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，其動(dòng)力黏度迅速增大。2.5 h 時(shí)，60 ℃動(dòng)力黏度最大，為92 100 Pa·s。對(duì)于135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間小于2.0 h 時(shí)，瀝青的動(dòng)力黏度迅速減小，2.5 h 時(shí)動(dòng)力黏度趨于穩(wěn)定。這表明LTTW-1 型改性接枝劑的加入可以克服60 ℃動(dòng)力黏度與135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度相矛盾的難題，使得內(nèi)聚力黏度增大的同時(shí)拌合黏度減小。LTTW-1 型改性接枝劑在拌合時(shí)有效改善瀝青對(duì)集料的浸潤(rùn)速率，同時(shí)提高改性瀝青在石料表面的黏聚力和覆蓋率。

2.3 LTTW-1 對(duì)瀝青低溫抗裂性能的影響

瀝青混合料的低溫抗裂性能是瀝青混合料使用中最為關(guān)鍵的性能之一，是導(dǎo)致瀝青路面在低溫收縮時(shí)出現(xiàn)裂縫的主要原因。以往的研究表明[8-9]，瀝青路面的低溫開裂有2 種形式：一種是溫度急劇變化導(dǎo)致面層溫度收縮，從而導(dǎo)致約束的瀝青層內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度，使壓實(shí)的瀝青混合料開裂；另一種原因則是在常溫條件下，瀝青混合料的勁度較低，在氣溫下降時(shí)其應(yīng)變能力急劇降低，導(dǎo)致材料的勁度模量急劇增大，超過了開裂的極限勁度，從而導(dǎo)致材料開裂。因此，對(duì)于瀝青混合料，在低溫條件下達(dá)到高的強(qiáng)度、高抗變形能力和較強(qiáng)的應(yīng)力松弛能力，是具有較好低溫抗裂性能的基礎(chǔ)。圖3 為L(zhǎng)TTW-1 對(duì)改性瀝青低溫延度的影響。圖4、圖5 分別為反應(yīng)30 min 后每隔30 min 測(cè)試SBS 改性瀝青及接枝型SBS 改性瀝青的延度、動(dòng)力黏度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量的關(guān)系曲線。

圖3 LTTW-1 對(duì)改性瀝青低溫延度的影響

圖4 改性瀝青低溫延度與動(dòng)力黏度的關(guān)系

圖5 改性瀝青60 ℃動(dòng)力黏度與最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量的關(guān)系

由圖3 可以看出，LTTW-1 加入后1.0 h 內(nèi)，接枝型改性瀝青低溫延度快速增大，隨著反應(yīng)時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，其低溫延度增幅逐漸減小。在低溫狀態(tài)下，改性瀝青具有良好的柔韌性，5 ℃延度達(dá)到38 cm，這印證了材料具有優(yōu)異的耐低溫性能。

由圖4、圖5 可以看出，隨著低溫延度的增大，60 ℃動(dòng)力黏度增大，兩者之間具有較好的相關(guān)性。隨著動(dòng)力黏度的增大，改性瀝青的最大彎拉應(yīng)變與彎曲勁度模量增大，成正比關(guān)系。

2.4 LTTW-1 對(duì)改性瀝青耐久性能的影響

國(guó)產(chǎn)石油瀝青在使用中大多存在早期開裂和早期老化等問題。石油瀝青的耐久性能是研究關(guān)注的重點(diǎn)。其中，抗老化性能是影響路面壽命的主要因素之一。以往研究表明[10-13]，瀝青吸收空氣中氧發(fā)生氧化反應(yīng)是引起瀝青老化變質(zhì)的主要原因。圖6 為L(zhǎng)TTW-1 對(duì)改性瀝青抗老化性能的影響。

圖6 LTTW-1 對(duì)改性瀝青抗老化性能的影響

由圖6 可以看出，與常規(guī)SBS 改性高黏瀝青相比，加入LTTW-1 的接枝型改性瀝青吸氧量明顯降低，老化時(shí)間為85 min 時(shí)，較常規(guī)SBS 改性高黏瀝青相比降低了78.2%。這表明接枝劑LTTW-1 中的抗紫外線吸收劑可有效減緩改性瀝青的吸氧速度，防止瀝青吸收氧而加速老化。其吸入少量的氧氣后改性瀝青中的不飽和分在接枝劑LTTW-1 中微量交聯(lián)劑的作用下發(fā)生聚合反應(yīng)。

由試驗(yàn)得知，SBS 改性瀝青的平均抗剪強(qiáng)度為0.487 MPa，接枝型改性瀝青的抗剪強(qiáng)度為1.319 MPa，與SBS 改性瀝青相比提高了170%。此外，SBS 改性瀝青的高溫軟化點(diǎn)通常在60 ℃左右，而加入LTTW-1 的接枝型改性瀝青其高溫軟化點(diǎn)大于80 ℃。超強(qiáng)的抗高溫能力可以提高路面的耐久性能，在（70±1）℃，（0.7±0.05）MPa 條件下進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)，結(jié)果如表2 所示。

表2 接枝型改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度

由表2 可以看出，試驗(yàn)條件溫度提高10 ℃，高溫條件下內(nèi)聚力大幅度提高，路面抗車轍能力提升顯著。這表明LTTW-1 接枝劑明顯提升路面抗老化性能、抗剪切性能與抗車轍能力，對(duì)于瀝青的耐久性能具有良好的改善作用。

2.5 接枝改性瀝青在杭州灣跨海大橋的應(yīng)用

為了滿足杭州灣跨海大橋鋪裝層的設(shè)計(jì)要求，采用LTTW-1 接枝劑改性瀝青。杭州灣跨海大橋?yàn)r青原設(shè)計(jì)指標(biāo)與實(shí)際工程指標(biāo)對(duì)比如表3 所示。

表3 杭州灣大橋?yàn)r青原設(shè)計(jì)指標(biāo)與實(shí)際工程指標(biāo)對(duì)比

由表3 可以看出，LTTW-1 接枝型改性瀝青的粘結(jié)度與耐久性能顯著提高。LTTW-1 接枝型改性瀝青60 ℃動(dòng)力黏度與技術(shù)要求相比提高了173%。此外，其軟化點(diǎn)、5 ℃延度、135℃運(yùn)動(dòng)黏度與RTFOT 后殘留延度均能夠滿足實(shí)際供應(yīng)的技術(shù)要求。LTTW-1 接枝型改性瀝青在杭州灣跨海大橋中得以成功應(yīng)用，實(shí)踐表明，其具有優(yōu)良的抗車轍、抗水害和抗裂性能。

3 結(jié) 語

（1）熒光顯微鏡分析表明，通過接枝劑與瀝青反應(yīng)，瀝青的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中瀝青化學(xué)分子活性最低，分子結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，在紫外線的強(qiáng)光照射下因無化學(xué)活性鍵而減少氧化的機(jī)會(huì)，從而提高耐久性能。

（2）LTTW-1 型改性接枝劑的加入克服瀝青60 ℃動(dòng)力黏度與135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度相矛盾的難題，LTTW-1 使其內(nèi)聚力增大的同時(shí)拌合黏度減小。在60 ℃動(dòng)力黏度在高達(dá)110 000 Pa·s情況下，可以用常規(guī)施工工藝進(jìn)行作業(yè)，改變了傳統(tǒng)高黏瀝青施工難的問題。

（3）LTTW-1 型改性接枝劑的加入使得改性瀝青的低溫延度與抗老化性能有明顯的提升。內(nèi)聚力60 ℃動(dòng)力黏度與低溫抗裂性的彎曲勁度模量、彎拉應(yīng)變指標(biāo)成正比關(guān)系。