布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能分析

2019-04-10 06:14:16吳源鋒黃晚清馮文凱曹明明

成都大學學報(自然科學版) 2019年1期

吳源鋒，廖軍，黃晚清，馮文凱，曹明明

(1.榮縣交通運輸局，四川榮縣 643100；2.成都理工大學環境與土木工程學院，四川成都 610059；3.四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院，四川成都 610041)

0 引言

目前，瀝青混凝土路面的車轍、坑槽等病害屢見不鮮，此類病害不僅產生在路面的表面層，也時常發生在中面層，修復起來較為困難，且維修成本較高[1].對此，科技人員開發出了許多性能優良的改性瀝青，以防治瀝青路面的病害.從瀝青的改性方式來看，主要分為高分子聚合物改性和天然瀝青改性.高分子聚合物改性瀝青主要有：廢橡膠粉、SBS、SBR、PE改性瀝青等.天然瀝青改性瀝青主要有：巖瀝青改性瀝青與布敦巖瀝青改性瀝青.高分子聚合物SBS改性瀝青以其優良的高溫性能被廣泛使用于各類道路工程領域，但SBS改性瀝青也有許多缺點，如易分層離析，對拌和設備要求較高.巖瀝青是石油在自然條件下生成的一種巖與瀝青共混物，相關研究表明，其巖石礦物主要為呈堿性的CaCO3[2-3].布敦巖瀝青改性瀝青是一種天然的瀝青改性劑，因其對基質瀝青優良的改性性能，倍受道路工程領域青睞[4-9].本研究基于布敦巖瀝青的微觀結構和礦物成分，對布敦巖瀝青改性瀝青進行了相關試驗，分析探討了布敦巖瀝青改性瀝青的高溫性能.

1 原材料及試驗方案

1.1 試驗原材料

本研究選用的瀝青材料為布敦巖瀝青，基質瀝青為70#A級道路石油瀝青，試驗材料各項技術指標均滿足相關規范要求[10-11]，具體如表1、表2所示.

表1 布敦巖瀝青技術指標

表2 70#基質瀝青技術指標

1.2 布敦巖瀝青改性瀝青的制備

選取布敦巖瀝青和70#基質瀝青在實驗室制備布敦巖瀝青改性瀝青.其中，布敦巖瀝青的摻量(布敦巖瀝青與70#基質瀝青的質量比)分別為0.0%，10.0%，20.0%，30.0%，40.0%，50.0%，60.0%.

布敦巖瀝青改性瀝青的制備方法為：將70#基質瀝青放入烘箱中加熱至180 ℃，按照設計比例稱取一定質量的布敦巖瀝青，加入到70#基質瀝青中，并用玻璃棒攪拌均勻，采用轉速為4 500 r/min的剪切機剪切、擠壓30 min.剪切過程中確保瀝青溫度維持在180 ℃[10].

1.3 試驗方案

本研究利用掃描電鏡(SEM)觀察布敦巖瀝青及其巖石礦物的細觀結構，并對布敦巖瀝青中巖石礦物進行X射線衍射試驗(XRD)分析其組成成分.通過對布敦巖瀝青改性瀝青進行常規性能試驗、Brookfield旋轉黏度試驗以及動態剪切流變試驗分析其高溫性能.

2 布敦巖瀝青的特性分析

2.1 布敦巖瀝青微觀形態分析

利用日立S-3000N型掃描電子顯微鏡，觀察布敦巖瀝青及其巖石礦物的微觀形態，結果見圖1.

圖1布敦巖瀝青的電鏡掃描圖像

由圖1(a)可知，較大的布敦巖瀝青顆粒是由較小的顆粒組成的，圖中的黑色物質為巖石礦物表面黏附的瀝青，表明布敦巖瀝青是“瀝青—礦物"的共混物.圖1(b)顯示，布敦巖瀝青的巖石礦物表面凹凸不平，非常粗糙，為多空隙結構，且孔隙非常發達，深及巖石礦物內部.

2.2 布敦巖瀝青巖石礦物成分分析

為研究布敦巖瀝青中巖石礦物質的成分，采用DX-2700型X射線衍射儀對布敦巖瀝青中的巖石礦物進行了測試.試驗掃描方式為步進掃描，掃描范圍為，2θ=5°～50°，步寬為，2θ=0.040°，其XRD衍射圖譜如圖2所示.

圖2布敦巖瀝青XRD衍射圖譜

由圖2可知，布敦巖瀝青中巖石礦物主要成分為CaCO3，表明布敦巖瀝青中巖石礦物呈堿性.此表明，試驗制得的布敦巖瀝青改性瀝青也呈堿性，這使得瀝青與集料之間的黏附性和抗剝離性能得到顯著增強.

3 布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能研究

3.1 布敦巖瀝青改性瀝青的軟化點試驗

軟化點(TR & B)是反映瀝青高溫穩定性的一個指標[12].本研究對各摻量布敦巖瀝青改性瀝青進行了軟化點試驗，試驗結果見表3.

表3 布敦巖瀝青改性瀝青軟化點試驗結果

由表3可知，布敦巖瀝青改性瀝青軟化點明顯高于70#基質瀝青，表明布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能優于70#基質瀝青，且隨著布敦巖瀝青摻量的增加，改進瀝青的高溫性能將進一步增強.

3.2 布敦巖瀝青改性瀝青當量軟化點

研究表明，采用環球法測蠟含量較高的瀝青軟化點，其結果往往比真實值偏高.當量軟化點(T800)定義為與瀝青針入度值為800時對應的溫度，可認為用當量軟化點代替軟化點表示瀝青高溫性能，既發揮了環球法軟化點的功能，又克服了蠟的影響[13].因此，本研究對不同摻量布敦巖瀝青改性瀝青進行針入度試驗，獲取試驗溫度分別15 ℃、25 ℃、30 ℃的針入度值，并計算出各摻量布敦巖瀝青改性瀝青當量軟化點，結果如表4所示.

表4 布敦巖瀝青改性瀝青當量軟化點試驗結果

由表4可知，布敦巖瀝青改性瀝青當量軟化點明顯高于70#基質瀝青，表明布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能優于70#基質瀝青，且隨著布敦巖瀝青摻量的增加，改性瀝青的高溫性能將進一步增強.

3.3 布敦巖瀝青改性瀝青旋轉黏度試驗

本研究使用Brookfield旋轉黏度儀測量各摻量布敦巖瀝青改性瀝青的135 ℃旋轉黏度.Brookfield旋轉黏度試驗方法按照相關規范[14]執行，對每份摻量布敦巖瀝青改性瀝青均做3組平行試驗，然后取平均值，試驗結果如表5所示.

表5 布敦巖瀝青改性瀝青135 ℃旋轉黏度

由表5可知，當布敦巖瀝青摻量分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%時，改性瀝青黏度分別是70#基質瀝青(布敦巖瀝青摻量為0%)黏度的100.51%、130.90%、185.91%、309.75%、338.74%、386.08%，表明布敦巖瀝青改性瀝青的高溫抗車轍性能明顯優于70#基質瀝青.

3.4 布敦巖瀝青改性瀝青動態剪切流變試驗

3.4.1 車轍因子G*/sinδ.

車轍因子(G*/sinδ)是評價瀝青高溫性能的指標，通過對瀝青進行動態剪切流變試驗來獲得，其值越大表示瀝青高溫抗車轍性能越好.復數剪切模量(G*)是材料重復剪切變形時總阻力的度量，是剪應力最大值與剪應變最大值之比τmax/γmax，它包括兩部分：彈性(可恢復)部分和黏性(不可恢復)部分.相位角(δ)是彈性和黏性變形數量的相對指標，δ越小，表明材料越接近于彈性體.本研究使用美國TA公司的AR-1500ex型動態剪切流變儀，依據AASHTO T315規范對原樣布敦巖瀝青改性瀝青以及旋轉薄膜烘箱老化(RTFOT)后的布敦巖瀝青改性瀝青進行試驗[15]，獲取車轍因子G*/sinδ以及相位角δ.試驗結果見圖3，其中圖3(a)、圖3(b)分別表示原樣布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨試驗溫度變化的趨勢圖，圖3(c)、圖3(d)分別表示RTFOT老化后的布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨試驗溫度變化的趨勢圖.

由圖3可知，RTFOT老化前后，70#基質瀝青(布敦巖瀝青摻量為0%)的G*/sinδ明顯小于其余各摻量布敦巖瀝青改性瀝青，而其δ明顯大于其余各摻量布敦巖瀝青改性瀝青，表明布敦巖瀝青改性瀝青高溫性能明顯優于70#基質瀝青.RTFOT老化前后，各摻量布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ均隨著試驗溫度的升高而減小，而其δ均隨著試驗溫度的升高而增大，表明其黏性變形的比例在增加，即抗永久變形能力在下降，高溫抗車轍能力在降低.各摻量布敦巖瀝青改性瀝青的G*/sinδ隨試驗溫度的升高呈現指數減小，且相關性系數較高，即G*/sinδ=AeBx，式中x為試驗溫度，A、B為回歸系數，具體見表6.

圖3 RTFOT老化前后布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨溫度的變化

表6 布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ隨試驗溫度變化的回歸系數A，B

為進一步分析布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ及δ與布敦巖瀝青摻量的關系，現將RTFOT老化前后的布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ及δ隨布敦巖瀝青摻量的變化繪制圖4，圖4(a)、圖4(b)分別表示原樣布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨布敦巖瀝青摻量的變化，圖4(c)、圖4(d)分別表示RTFOT老化后布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ以及δ隨布敦巖瀝青摻量的變化.

由圖4可知，試驗溫度相同時，RTFOT老化前后的布敦巖瀝青改性瀝青G*/sinδ均隨著布敦巖瀝青摻量的增加而增加，而其δ均隨著布敦巖瀝青摻量的增加而減小，表明其黏性變形的比例逐漸減小，抗永久變形能力逐漸增強，即高溫抗車轍能力逐漸增強.試驗溫度相同時，布敦巖瀝青改性瀝青的G*/sinδ隨著布敦巖瀝青摻量的增加呈線性增加，且相關性系數較高，即G*/sinδ=Ax+B，式中x為布敦巖瀝青摻量，A、B為回歸系數，具體見表7.