■林瑞慧
(福建省公路水路建設(shè)投資有限公司,福州 350001)
半剛性基層瀝青混凝土路面作為我國主要的路面形式,存在的問題日益顯現(xiàn),如達不到預(yù)期設(shè)計壽命和早期疲勞破壞等[1]。 深入分析瀝青混合料性能是了解路面病害成因和進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)[2]。 要構(gòu)建和完善更符合實際施工需求的路面設(shè)計理論,必須全面評估瀝青混合料的路用性能[3]?,F(xiàn)有研究指出,SBS 改性瀝青的質(zhì)量對瀝青混合料的路用性能有著顯著影響,并且SBS 的摻量直接關(guān)系到改性瀝青的性能水平。 因此,探究不同SBS 摻量下混合料的路用性能對于路面工程領(lǐng)域來說具有重要的研究價值[4]。
在我國,高等級公路的瀝青路面上面層通常采用較為成熟的AC 型(瀝青混凝土)和SMA 型(瀝青瑪蹄脂碎石混合料)瀝青混合料[5]。 在施工過程中,為了確保路面的耐用性和性能,面層瀝青混合料需要滿足比底基層和中面層更為嚴格的質(zhì)量標準[6]。因此,本項目設(shè)計了AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料的配合比,并對這些混合料進行了高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗疲勞性能、抗剪性能、抗壓性能、抗磨光耐久性的試驗,旨在研究SBS 改性劑摻量對瀝青混合料性能的影響,以期優(yōu)化瀝青混合料的設(shè)計,提高路面的整體性能,延長道路使用壽命,提升行車安全性和舒適性。
1.1.1 瀝青材料
選用的基質(zhì)瀝青為70# 道路石油瀝青,用于制備含有不同SBS 摻量的聚合物改性瀝青。其基本物理性能包括:針入度6.8 mm、軟化點47.5℃、延度41 cm、黏度198.8 Pa·s。
1.1.2 SBS 改性劑
在制備SBS 改性瀝青時,選用了燕山石化生產(chǎn)的星型SBS4303 和線型SBS1301,研究了不同種類和摻量的SBS 對改性瀝青性能的影響規(guī)律。相關(guān)的SBS 性能指標已詳細記錄在表1 中。
表1 SBS 聚合物改性劑的技術(shù)指標
1.1.3 其他材料
選用木質(zhì)素纖維作為SMA 型瀝青混合料的加筋纖維。 所選用的骨料為漳平浩元玄武巖,其具備高密度、高強度和優(yōu)異耐久性特點,同時有較多的天然節(jié)理。 作為填料使用的礦粉來自經(jīng)過精細研磨而成的石灰?guī)r,保證礦粉純凈無雜質(zhì)。
1.1.4 試件制備
采用φ101.6 mm×63.5 mm 圓柱體試件成型,制備前將模具在烘箱中預(yù)熱1 h,將改性瀝青加熱至熔融狀態(tài)。 礦料烘干至恒重,將其放入拌合機中充分攪拌,拌和溫度依據(jù)瀝青的黏度設(shè)置。 拌和完成的瀝青混合料用小鏟再次拌勻,隨后填充到預(yù)熱的模具和套筒中。 在SBS 改性瀝青的制備工藝中,高速剪切攪拌的轉(zhuǎn)速設(shè)定為5 000 r/min,攪拌時間為40 min,溫度控制在180℃,在低溫攪拌發(fā)育階段,時間設(shè)定為2.75 h。 在SBS 聚合物改性劑的摻量方面,分別進行2%、3%、4%、5%和6%的摻量實驗。通過馬歇爾試驗,參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》,結(jié)合不同油石比下瀝青混合料的各類性能指標,實驗得出,AC-13 型瀝青混合料的最佳油石比為4.96%,SMA-13 型混合料的最佳油石比為6.0%。
1.2.1 高溫穩(wěn)定性測試
通過馬歇爾試驗測得穩(wěn)定度與流值進行初步反映,再使用車轍試驗?zāi)M現(xiàn)場環(huán)境,測試瀝青混合料高溫抵抗車轍能力。
1.2.2 水穩(wěn)定性測試
通過浸水馬歇爾試驗測試其浸水殘留穩(wěn)定度來表征瀝青混合料抗水損害、 抵抗剝落的能力;通過在飽水狀態(tài)下凍融劈裂試驗測試其凍融劈裂強度比(TSR),評價瀝青混合料水穩(wěn)定性。
1.2.3 低溫抗裂性測試
試驗分別比較不同SBS 摻量改性瀝青混合料的老化前與老化后的兩組低溫性能變化。
1.2.4 抗疲勞性能測試
采用四點彎曲疲勞壽命試驗,在疲勞試驗機上對待測混合料進行重復(fù)應(yīng)變,測試其疲勞壽命。 試驗選用常應(yīng)變加載模式,設(shè)定加載頻率為(10±0.1)Hz,溫度為(15±0.5)℃,恒定應(yīng)變水平600 με,保持連續(xù)偏正弦波的加載波形,直到樣品的彎曲勁度模量降至初始值的一半結(jié)束試驗。
1.2.5 抗剪性能測試
采用單軸貫入試驗測試不同SBS 含量的AC-13 型瀝青混合料的貫入強度,分析評價瀝青混合料的抗剪性能。
1.2.6 抗壓性能測試
在瀝青混合料高溫條件下,采用單軸壓縮試驗確定具有不同SBS 含量的AC-13 型瀝青混合料的單軸抗壓強度,探究瀝青混合料的抗壓性能。
1.2.7 抗磨光耐久性測試
開發(fā)一套路表功能加速磨光機, 模擬輪胎-路面磨耗作用下的不同SBS 摻量AC-13 型瀝青路面抗滑性能,如圖1 所示。 利用2 個真實充氣輪胎在待測試件表面施加荷載,根據(jù)試件表面構(gòu)造紋理的不同,通過調(diào)整載荷大小、更換輪胎類型及尺寸,以及改變測試環(huán)境溫度,來模擬不同接地壓力條件下的效果。 同時,在磨耗測試過程中,采用灑水和噴砂技術(shù)來增強磨耗作用,模擬不利工況。
圖1 路表功能加速磨光機
(1)試驗方法。 ①按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T 0703 方法制備尺寸為300 mm×300 mm×50 mm 的板塊試件。 ②將試件放置于磨光試驗試模中,將試件連同試模置于試驗機的移動工作臺上固定。 調(diào)節(jié)工作臺位置,使試件位于磨光雙輪組正下方并固定工作臺。 向試件加載2.0 kN,磨光輪胎組位于試件中央部位,啟動磨光輪胎組速度控制,使雙輪組以45±2 r/min 的速度對試件進行旋轉(zhuǎn)磨光,工作臺往復(fù)移動方向與試件碾壓方向相同。 開啟移動工作臺系統(tǒng),使工作臺以4.5 次/min 的速度前后往返移動。 ③加速加載磨耗試驗一個磨光時段時間約30 min,磨光試驗為5 個時段,即5 個時段試件被輪胎磨光12 000 次。每個磨光時段結(jié)束后,用水清洗試件表面,待試件表面干燥后進行抗滑性能檢測。
(2)BPN 數(shù)據(jù)處理。 ①計算每個測點5 個擺值的平均值,作為該測點的擺值BPNT,取整數(shù)。 ②擺值溫度修正:當(dāng)溫度為T(℃)時擺值BPNT應(yīng)按式(1)換算成標準溫度20℃。
式中:BPN20為換算成標準溫度20℃時的擺值;BPNT為溫度T 時測得的擺值;BPN0為溫度修正值,見表2。
表2 溫度修正值
2.1.1 SBS 摻量對馬歇爾穩(wěn)定度的影響
如圖2 所示, 隨著SBS 含量的增加,AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定性顯著提高, 這歸因于SBS 改性劑增強了瀝青的黏結(jié)作用,從而提升了混合料在高溫條件下的穩(wěn)定性。 然而,當(dāng)SBS 含量達到4%時,AC-13 型瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定性的增長開始放緩,表現(xiàn)為曲線上升的斜率減??; 而SMA-13 型瀝青混合料在SBS 含量達到4%后,其穩(wěn)定性增速雖然減緩,但隨著SBS 摻量的進一步增加,穩(wěn)定性的提升速度再次加快,導(dǎo)致曲線呈現(xiàn)先緩后急的走勢。
圖2 SBS 摻量對瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度的影響
2.1.2 SBS 摻量對動穩(wěn)定度的影響
如圖3 所示,SBS 的加入顯著提升了AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料的動穩(wěn)定性能。當(dāng)SBS 含量達到2%時,AC-13 型瀝青混合料的動穩(wěn)定度為2 600 次/mm,SMA-13 型瀝青混合料為3 900次/mm。隨著SBS 含量增至5%, 這2 種混合料的動穩(wěn)定度分別提高到了6 600 次/mm 和7 300 次/mm。SBS 摻量從2%增至3%時,混合料的動穩(wěn)定度增幅較小;從3%增至5%時,增幅顯著;而從5%增至6%時,增幅減緩。 從試驗數(shù)據(jù)分析,4%的SBS 摻量既能保證瀝青混合料良好的高溫性能, 又兼顧了經(jīng)濟因素,是較為理想的選擇。
圖3 SBS 摻量對瀝青混合料動穩(wěn)定度的影響
2.2.1 SBS 摻量對浸水馬歇爾穩(wěn)定度的影響如圖4 所示,隨著SBS 摻量的增加,瀝青混合料浸水馬歇爾穩(wěn)定度和浸水殘留穩(wěn)定度也相應(yīng)的不斷提高,但增幅略有不同。 針對AC-13 型瀝青混合料,SBS 摻量為2%時浸水馬歇爾穩(wěn)定度約為8.5 kN,SBS 摻量達到4%時浸水馬歇爾穩(wěn)定度約為11.5 kN,此時增幅出現(xiàn)拐點,開始下降;當(dāng)SBS 摻量處于2%~5%時,浸水殘留穩(wěn)定度從86.5%增加至95.5%,且增幅趨于穩(wěn)定,而當(dāng)SBS 摻量大于5%,浸水殘留穩(wěn)定度受SBS 摻量的影響不大。 針對SMA-13 型瀝青混合料,當(dāng)SBS 摻量為2%時,浸水馬歇爾穩(wěn)定度約為8.2 kN,浸水殘留穩(wěn)定度約為89.6%;當(dāng)SBS 摻量達到5%時,浸水馬歇爾穩(wěn)定度約為11.5 kN,浸水殘留穩(wěn)定度約為93.0%;當(dāng)SBS 摻量在2%~3%時,瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度伴隨SBS摻量的增加而增大,但增幅較??;SBS 摻量從3%開始,殘留穩(wěn)定度增幅較大且趨于穩(wěn)定,SBS 含量在2%~6%的范圍內(nèi),浸水馬歇爾穩(wěn)定度呈現(xiàn)出近似線性的增長趨勢。
2.2.2 SBS 摻量對混合料凍融前后的劈裂抗拉強度影響
如圖5 所示,瀝青混合料的劈裂抗拉強度隨著SBS 含量的增加而不斷提高。 SBS 摻量為2%時,AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料的劈裂抗拉強度分別達到1.14 MPa 和0.92 MPa;SBS 摻量增至5%時,這一數(shù)值分別上升至1.16 MPa 和1.14 MPa。SBS 摻量在2%~3%之間,瀝青混合料的劈裂抗拉強度雖然隨SBS 含量增加而提升,但增幅相對較??;隨著SBS 摻量的進一步增加,增幅擴大;在SBS 摻量達到4%和5%時,AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料的劈裂抗拉強度均出現(xiàn)拐點,之后AC-13 型瀝青混合料的劈裂抗拉強度增長率放緩,而SMA-13 型瀝青混合料則表現(xiàn)出先升后降的趨勢。當(dāng)SBS 摻量達到6%時,SMA-13 型瀝青混合料的劈裂抗拉強度大致穩(wěn)定在1.15 MPa 左右。
圖5 SBS 摻量對瀝青混合料劈裂抗拉強度的影響
如圖6 所示,隨著SBS 摻量的增加,瀝青混合料凍融后劈裂抗拉強度和凍融劈裂抗拉強度比也不斷提高,但AC-13 型瀝青混合料增幅趨勢基本相同,SMA-13 型瀝青混合料增幅趨勢略有不同。從凍融后劈裂抗拉強度分析,SBS 摻量為2%時,AC-13型和SMA-13 型瀝青混合料凍融后劈裂抗拉強度分別為0.91 MPa 和0.78 MPa,隨著SBS 摻量增加,強度增幅逐漸升高;當(dāng)SBS 摻量增至5%時,二者凍融后劈裂抗拉強度分別為0.985 MPa 和1.00 MPa,增幅開始下降。從凍融劈裂抗拉強度比值來看,SBS摻量從2%提升至5%期間,AC-13 型瀝青混合料的比值從80%增至85%,SMA-13 型瀝青混合料的比值從84.3%微增至85%。當(dāng)SBS 摻量達到6%時,這一比值進一步提高至86.5%和90.2%。
圖6 SBS 摻量對瀝青混合料凍融劈裂抗拉強度的影響
如圖7 所示,隨著SBS 摻量的增加,瀝青混合料的低溫最大彎拉應(yīng)變先增大后減少。在SBS 摻量分別為5%和4.5%時,AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變達到峰值。 對于AC-13 型瀝青混合料,SBS 摻量由2%增至3%時, 其抗彎拉強度由10.10 MPa 降至9.97 MPa;當(dāng)摻量增至4%,抗彎拉強度回升至10.30 MPa; 隨著SBS 摻量繼續(xù)增加,抗彎拉強度呈現(xiàn)波動,但總體上隨著SBS 摻量增加而上升, 波動范圍在9.95~10.35 MPa 之間,變化幅度不超過5%。 相比之下,SMA-13 型瀝青混合料的抗彎拉強度隨著SBS 摻量的增加先是上升,在4.5%摻量時達到最大值約11.50 MPa,隨后強度下降。 抗彎拉強度的提升通常伴隨著最大彎拉應(yīng)變的增加,從而改善了瀝青的低溫抗裂性能。 因此,在4.5%的SBS 摻量下,SMA-13 型瀝青混合料展現(xiàn)出最佳的低溫抗裂性。
圖7 SBS 摻量對瀝青混合料低溫抗彎拉強度和應(yīng)變的影響
如圖8 所示,在低溫環(huán)境中,SBS 摻量增加對瀝青混合料彎曲勁度模量產(chǎn)生了顯著影響。當(dāng)SBS 摻量從2%增至3%,彎曲勁度模量下降最快。 隨著SBS摻量繼續(xù)提高,試驗曲線開始趨于平緩。到達5%的SBS 摻量時,AC-13 型和SMA-13 型瀝青混合料的彎曲勁度模量降到了最低點,分別為2 550 MPa 和2 660 MPa。 瀝青彎曲勁度模量越小,抵抗變形的能力越好,瀝青的低溫抗裂性就越好,此時的低溫抗裂性達到最佳。然而,當(dāng)SBS 摻量繼續(xù)增加,彎曲勁度模量逐漸變大,低溫抗裂性逐漸降低。
圖8 SBS 摻量對瀝青混合料低溫彎曲勁度模量的影響
如圖9 所示,AC-13 型瀝青混合料的疲勞壽命隨著SBS 摻量增加逐漸增加,初始階段增加較為緩慢,隨后加速,最終趨于穩(wěn)定。 當(dāng)SBS 摻量達到6%時,疲勞壽命達到峰值,約為23 500 次。 但根據(jù)整體曲線的放緩趨勢可以判斷出,疲勞性能仍存在可增長的些許空間,且AC-13 型瀝青混合料的疲勞性能應(yīng)存在一個臨界點。 對于SMA-13 型瀝青混合料,SBS 摻量的增加對其疲勞壽命有一定影響,表現(xiàn)為一條平滑的增減曲線。 隨著SBS 摻量的增加,疲勞壽命先上升后下降, 并在5%的摻量達到最高值,為24 500 次。 疲勞壽命次數(shù)越高,瀝青的抗疲勞性越好,此時SMA-13 型瀝青混合料的抗疲勞性達到最佳。
圖9 SBS 摻量對瀝青混合料疲勞壽命的影響
如圖10 所示,瀝青混合料的UTM 初始勁度模量隨著SBS 摻量的增加呈現(xiàn)出中間快兩頭慢的下降趨勢。 勁度模量越大,抗變形能力越差,抗疲勞性能越差。AC-13 型瀝青混合料的初始勁度模在SBS 摻量為6%達到最小值,約為5 200 MPa,且整體下降趨勢表明勁度模量仍有進一步降低的空間,這將有利于提高材料的抗疲勞性能。 SMA-13 型瀝青混合料的UTM 初始勁度模量隨著SBS 摻量的增加逐漸降低直至放緩。當(dāng)SBS 摻量從2%增加到3%時,UTM 初始勁度模量由6 500 MPa 下降至6 300 MPa;當(dāng)SBS摻量增至4%時,勁度模量大幅下降至5 400 MPa;但隨著SBS 摻量由4%增加至6%時,勁度模量在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)(5 250~5 400 MPa)波動,此時瀝青的抗疲勞性能達到最優(yōu)狀態(tài)。
圖10 SBS 摻量對瀝青混合料初始勁度模量的影響
進行5 組不同SBS 改性劑摻量(分別為2%、3%、4%、5%、6%) 的AC-13 瀝青混合料試件在20℃、40℃和60℃3 個溫度條件下的單軸貫入強度試驗。將試驗得出的貫入強度作圖擬合,如圖11 所示。
圖11 貫入強度隨摻量變化的關(guān)系
隨著溫度從20℃升高至60℃, 相同SBS 摻量的AC-13 瀝青混合料貫入強度逐漸降低。 在相同溫度條件下,隨著SBS 摻量的增加,混合料的貫入強度普遍上升,例如在20℃時強度從10.5 MPa 增至12.7 MPa,40℃時強度從3.9 MPa 增至6.0 MPa,以及60℃時強度從1.1 MPa 增至2.1 MPa。 但當(dāng)SBS 摻量從4%增至5%時,混合料貫入強度的增幅變小或甚至不再增長, 這是因為SBS 用量較少時,增加SBS 用量能增強SBS 改性瀝青的黏結(jié)性能及集料間的黏聚力,但當(dāng)SBS 用量過多,則吸收過多的瀝青油分,減少瀝青的輕質(zhì)組分,進而降低與集料的黏結(jié)能力。按照密級配原則構(gòu)成的結(jié)構(gòu),瀝青混合料的強度主要依賴于瀝青黏結(jié)料的黏聚力,輔以集料間的嵌擠力和內(nèi)摩擦阻力?;旌狭现械臑r青膠結(jié)接材料將集料進行黏結(jié),形成有機整體。 黏結(jié)性較高的瀝青能夠賦予瀝青混合料較大的黏滯阻力和黏聚力,從而增強瀝青混合料的整體強度。
5 種不同的SBS 改性劑摻量下AC-13 型瀝青混合料試件的單軸抗壓強度試驗結(jié)果見表3、圖12~13。
圖12 不同溫度、摻量的最大荷載
圖13 不同溫度、摻量的抗壓強度
表3 摻量AC-13 瀝青混合料單軸壓縮試驗數(shù)據(jù)
相同溫度條件下,SBS 摻量對混合料抗壓強度影響較為顯著,隨著SBS 摻量的增加,抗壓強度逐漸增大。 如在40℃下,當(dāng)SBS 摻量從2%增加至6%,抗壓強度從1.42 MPa 提升至1.93 MPa,增幅達到35%;在50℃下,抗壓強度從0.96 MPa 增至1.39 MPa,增幅為45%;而在60℃時,抗壓強度則從0.75 MPa 顯著提高到1.32 MPa,增幅高達76%。 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是,在單軸壓縮試驗中,未施加側(cè)限壓力(無側(cè)限)的瀝青混合料在初始階段會發(fā)生集料的遷移與壓密,隨著壓實過程的完成,繼續(xù)加載時混合料會向外膨脹并最終出現(xiàn)開裂破壞。而SBS 改性劑結(jié)合了橡膠的彈性特性和樹脂的熱塑性能,隨著SBS摻量的增加, 瀝青的回彈性能和黏結(jié)性能大大提高,從而使得混合料在向外擠脹的過程中具有更強的性能。 溫度由40℃升高至50℃時,相同SBS 摻量瀝青混合料的抗壓強度衰減幅度最大是在摻量2%時,抗壓強度衰減了32%;衰減幅度最小是在摻量5%時,抗壓強度衰減了25%。溫度由50℃升高至60℃時,抗壓強度衰減幅度達到最大是在摻量2%時,抗壓強度衰減了22%;衰減幅度最小是在摻量6%時,抗壓強度衰減了5%。 因此,可以得出結(jié)論,試驗過程中溫度從40℃升至60℃時,隨著溫度的升高以及SBS摻量的增加,SBS 摻量對抗壓強度的影響愈加顯著。
不同SBS 摻量AC-13C 車轍板試件150 min磨光周期BPN 變化曲線如圖14 所示。 隨著SBS 摻量的增加,AC-13 型瀝青混合料的BPN 值越大,這是由于隨著SBS 摻量的增加,SBS 改性劑的模量遠比集料的小,瀝青混合料整體剛度降低,從而增大了擺式儀橡膠片與車轍板的接觸面積,接觸面積越大,擺值越大。進行了150 min 磨光周期試驗后,2%SBS 摻量的車轍試驗BPN 值下降最多,這由于SBS的摻量較低對瀝青性能提高較少, 試驗過程中,水對瀝青膜有乳化作用,使瀝青膜變薄,瀝青黏聚力降低,同時混合料受到輪胎壓力、摩擦力和離心力作用,瀝青膜在集料表面分布不均勻,尖角處瀝青膜較薄,在應(yīng)力作用下容易破裂,使瀝青膜從集料表面剝落,黏結(jié)力下降,造成集料容易從混合料中掉落,抗磨光耐久性降低。 當(dāng)SBS 摻量大于2%后,BPN 值下降的趨勢較為一致,這是因為當(dāng)摻量大于2%,SBS 改性劑充分吸收了瀝青中的輕油組分,使非極性的輕油組分轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性較大的膠質(zhì)和瀝青質(zhì),瀝青的極性分量增加,由極性分量產(chǎn)生的黏附功也更大,因此,使瀝青與集料的黏附性能更好,抗磨光耐久性更強。
圖14 不同SBS 摻量AC-13C 車轍板試件150 min磨光周期BPN 變化曲線
在瀝青路面工程中,穩(wěn)定性和耐久性是關(guān)鍵的性能指標,它們受到多種因素的影響,包括原材料特性、混合料設(shè)計以及改性劑的使用。 本文聚焦于SBS 改性劑對瀝青混合料性能的影響,并得出以下結(jié)論:(1)SBS 改性劑含量的提升能夠增強瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和低溫穩(wěn)定性,但這種增強效果在SBS 摻量超過5%后增長放緩。 特別是當(dāng)SBS 摻量超過5%,瀝青混合料的低溫性能反而會下降,因此推薦的SBS 最佳摻量應(yīng)在4%至5%之間。此外,隨著SBS 摻量的增加,瀝青混合料的初始勁度模量降低,但疲勞壽命延長,表明耐久性能得到了提高。 (2)溫度對瀝青混合料的抗壓和抗剪強度有顯著影響。 在相同的SBS 摻量下,隨著溫度升高, 瀝青混合料的抗壓和抗剪強度會逐漸下降。(3)在相同的溫度條件下,增加SBS 摻量會導(dǎo)致瀝青混合料的抗壓和抗剪強度上升。 (4)通過旋轉(zhuǎn)磨光試驗, 在加載2.0 kN 和45±2 轉(zhuǎn)/min 的條件下,SBS 摻量越高,瀝青混合料的抗磨光耐久性越好。