瀝青黏結(jié)性影響因素研究

吳 濤

(遼陽(yáng)市交通運(yùn)輸事務(wù)服務(wù)中心 遼陽(yáng)市 111000)

0 引言

水損害是常見的瀝青路面病害形式之一,各級(jí)公路均有發(fā)生,在低等級(jí)公路尤為常見[1-2]。行車荷載的反復(fù)作用會(huì)導(dǎo)致路面脫粒形成坑槽,同時(shí)引起其他路面病害。造成瀝青路面水損害的因素較多,瀝青黏結(jié)性是主要影響因素之一[3-4]。目前評(píng)價(jià)瀝青黏結(jié)性的方法主要是瀝青黏韌性試驗(yàn)[5-6]。姚鴻儒等通過(guò)黏韌性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高黏度瀝青的黏韌性與SBS改性瀝青摻量的相關(guān)性較弱,而瀝青質(zhì)含量增大會(huì)導(dǎo)致瀝青黏韌性下降[7]。劉克非等通過(guò)開展不同老化程度的基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青抗水損害性能對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)瀝青老化過(guò)程極大地降低了基質(zhì)瀝青的抗水分侵蝕能力,同時(shí)也會(huì)降低SBS改性瀝青的抗水損能力[8]?，F(xiàn)有研究主要集中在瀝青混合料抗水損害宏觀力學(xué)性能方面,對(duì)于瀝青黏韌性影響因素的研究以及對(duì)比分析瀝青黏韌性與其混合料抗水損害指標(biāo)的相關(guān)研究較少。文章主要通過(guò)不同溫度條件下的黏韌性試驗(yàn),探究不同老化程度、不同改性劑種類及摻量對(duì)瀝青黏韌性的影響,并通過(guò)混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,為瀝青黏韌性指標(biāo)的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

選用盤錦北方瀝青燃料有限公司生產(chǎn)的遼河90#基質(zhì)瀝青(后簡(jiǎn)稱“基質(zhì)瀝青”),基質(zhì)瀝青基本指標(biāo)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)要求;選用中國(guó)石化北京燕山石化股份有限公司生產(chǎn)的SBS改性劑,牌號(hào)4303,分子結(jié)構(gòu)為星型;選用山東顯元化工科技有限公司生產(chǎn)的SBR改性劑,牌號(hào)1502。

1.2 樣品制備

采用基質(zhì)瀝青制備不同種類及摻量的改性瀝青,改性劑摻量分別為3%和5%(占基質(zhì)瀝青質(zhì)量百分比,下同),確定4種試驗(yàn)樣品及編號(hào)分別為基質(zhì)瀝青(Y1)、基質(zhì)瀝青+5%SBS(Y2)、基質(zhì)瀝青+3%SBR(Y3)、基質(zhì)瀝青+5%SBR(Y4)。改性瀝青具體制備工藝如下:

(1)將5%SBS改性劑加入到150℃的基質(zhì)瀝青中,通過(guò)剪切機(jī)以4500～5500r/min的速率剪切,同時(shí)保持溫度在165～175℃,剪切60min后在170℃烘箱中發(fā)育2h即可制得5%SBS改性瀝青。

(2)將SBR改性劑加入到150℃基質(zhì)瀝青中,摻加量分別為3%和5%。通過(guò)剪切機(jī)以4500～5500r/min的速率剪切,同時(shí)保持溫度在160～170℃,剪切60min后制得3%SBR和5%SBR改性瀝青。

(3)將4種原樣瀝青放入163℃的薄膜烘箱(TFOT)中短期老化5h,得到的樣品編號(hào)為L(zhǎng)1、L2、L3、L4。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

采用表1所示AC-20級(jí)配。為確保良好的高溫穩(wěn)定性能,級(jí)配曲線應(yīng)呈現(xiàn)平坦的“S”型。通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)確定基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青混合料的最佳油石比為4.6%。為便于比較,其他種類瀝青混合料的最佳油石比均為4.6%。

表1 AC-20級(jí)配設(shè)計(jì)

1.4 試驗(yàn)方法

應(yīng)用原樣和短期老化后的瀝青進(jìn)行黏韌性試驗(yàn),并制備瀝青混合料用于凍融劈裂試驗(yàn)。黏韌性試驗(yàn)每種樣品進(jìn)行3次平行試驗(yàn),試驗(yàn)溫度分別為15℃、20℃、25℃和30℃。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可直接得到瀝青黏韌性To、韌性Te和瀝青黏性Ta,計(jì)算方法見式1。

Ta=To-Te

(1)

瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)規(guī)定進(jìn)行,得到凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比指標(biāo),殘留強(qiáng)度比越大,瀝青混合料的抗水損害能力越強(qiáng)。

2 結(jié)果分析

2.1 原樣瀝青黏韌性影響因素分析

不同溫度條件下原樣瀝青的黏韌性、韌性、黏性試驗(yàn)結(jié)果見表2和圖1。

圖1 原樣瀝青黏韌性隨溫度的降幅

由表2可知,4種原樣瀝青的黏韌性存在明顯差異,各溫度條件下黏韌性大小排序?yàn)?Y2>Y4>Y3>Y1。瀝青黏韌性隨著溫度的升高明顯降低,其中Y1降幅最為明顯,高達(dá)83.68%,Y3和Y4的降幅分別為83.01%和81.05%,Y2降幅最小,僅有45.99%。可見在各溫度條件下,SBS改性劑可明顯提高瀝青的黏韌性,而SBR改性劑在25℃以上時(shí)與基質(zhì)瀝青的黏韌性差距縮小。原因在于SBR改性劑是通過(guò)丁二烯與苯乙烯合成的無(wú)規(guī)共聚物,其低溫性能和高溫性能均優(yōu)于基質(zhì)瀝青,導(dǎo)致其在溫度超過(guò)25℃時(shí)黏韌性快速下降;而SBS改性劑是通過(guò)聚苯乙烯與聚丁二烯合成的嵌段共聚物,其中聚苯乙烯段由于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高(約80℃),高溫性能優(yōu)異,故SBS改性瀝青的黏韌性隨溫度升高的降幅最小。在15℃條件下,由于內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)能力下降,基質(zhì)瀝青變形能力降低,樣品Y1直接斷裂,未獲得數(shù)據(jù)。SBR改性劑和SBS改性劑均包含丁二烯組分,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低(-60～-70℃),可有效增強(qiáng)瀝青的低溫變形能力,使瀝青具有良好的黏韌性。

4種原樣瀝青的韌性變化趨勢(shì)與黏韌性變化趨勢(shì)區(qū)別明顯,各溫度條件下黏韌性的大小排序?yàn)?Y4>Y3>Y1>Y2。其中Y2黏韌性最小,原因在于SBS在結(jié)構(gòu)上屬于嵌段共聚物,包含明顯的硬段(聚苯乙烯),導(dǎo)致材料強(qiáng)度高、韌性差,而SBR改性劑屬于無(wú)規(guī)共聚物,無(wú)明顯的硬段,因此SBR改性瀝青的韌性遠(yuǎn)高于SBS改性瀝青,詳見圖2。

圖2 原樣瀝青黏性隨溫度的降幅

4種原樣瀝青黏性的變化趨勢(shì)與黏韌性相似,各溫度條件下黏性大小排序?yàn)?Y2>Y4>Y3>Y1。瀝青黏性隨著溫度的升高明顯降低,其中Y1的降幅最為明顯,高達(dá)94%,其次是Y3和Y4,降幅分別為90.27%和87.58%,Y2的降幅最小,僅有45.22%。原因在于SBS改性劑中聚苯乙烯的高溫性能優(yōu)異,而基質(zhì)瀝青隨著溫度升高,黏性下降明顯,不利于瀝青與石料的黏結(jié)。

根據(jù)以上分析可知,隨著溫度升高,不同種類瀝青的黏韌性均降低,這表明高溫會(huì)降低瀝青與石料的黏結(jié)性,對(duì)瀝青路面抗水損害產(chǎn)生不利影響。改性劑是提高瀝青黏韌性的主要方式,其中熱塑性彈性體類改性劑SBS由于兼具較好的高低溫性能,黏韌性最佳;橡膠類改性劑SBR對(duì)基質(zhì)瀝青黏韌性的改善程度隨溫度升高而大幅降低。此外,加大改性劑摻量有助于提高瀝青黏韌性,但效果有限。

2.2 短期老化后的瀝青黏韌性影響因素分析

不同溫度條件下,短期老化后瀝青的黏韌性、韌性、黏性試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 短期老化后瀝青試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3可知,短期老化后瀝青黏韌性、韌性及黏性的變化趨勢(shì)與原樣瀝青基本一致,且數(shù)值均高于原樣瀝青。這表明老化作用可增強(qiáng)瀝青黏韌性[9],即由于瀝青老化后的輕組分(飽和酚與芳香酚)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槟z質(zhì)和瀝青質(zhì),膠質(zhì)賦予瀝青塑性和黏結(jié)性,瀝青質(zhì)則決定了瀝青的硬度?？梢婋S著老化程度加深,瀝青中的膠質(zhì)與瀝青質(zhì)含量逐步提高,導(dǎo)致瀝青黏韌性相較于原樣瀝青普遍提高。但與此同時(shí),老化也會(huì)導(dǎo)致瀝青硬化,降低瀝青與石料的黏韌性,因此單獨(dú)采用黏韌性試驗(yàn)指標(biāo)評(píng)價(jià)老化后瀝青的黏韌性準(zhǔn)確度不高,需要通過(guò)瀝青混合料抗水損害試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

2.3 瀝青混合料水穩(wěn)定性驗(yàn)證

瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由表4可見,瀝青混合料凍融劈裂殘留強(qiáng)度比與瀝青黏韌性大小排序一致,即Y2>Y4>Y3>Y1。可見瀝青黏韌性指標(biāo)可以反映其混合料抗水損害的能力。原樣瀝青混合料的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比優(yōu)于短期老化后的瀝青混合料,這表明老化作用對(duì)瀝青抗水損害能力產(chǎn)生了不利影響,不能通過(guò)黏韌性試驗(yàn)指標(biāo)評(píng)價(jià)老化后瀝青的黏韌性。

3 結(jié)論

(1) 瀝青黏韌性指標(biāo)隨著試驗(yàn)溫度升高逐步降低,導(dǎo)致瀝青與石料的黏結(jié)性下降。

(2) 改性劑是影響瀝青黏韌性指標(biāo)的主要原因,其中熱塑性彈性體類改性劑由于自身性能良好,對(duì)基質(zhì)瀝青黏韌性指標(biāo)的提升幅度最大;橡膠類改性劑由于高溫性能不佳,隨著溫度升高,其黏韌性降幅較大,且不同外加劑摻量對(duì)于黏韌性指標(biāo)的影響很小。

(3) 老化作用雖然可以提高瀝青黏韌性,但通過(guò)瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)可知,老化后瀝青混合料的抗水損害性能下降,因此瀝青黏韌性試驗(yàn)不適用于評(píng)價(jià)老化瀝青的性能。