SBS改性彩色瀝青與透水瀝青混合料性能分析

唐蘭軍

(河北交通投資集團公司 石家莊市 050000)

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟快速發(fā)展，土木工程日漸增多，尤其是道路工程建設加快，瀝青膠結(jié)料的需求量呈現(xiàn)指數(shù)增長[1-3]。在脫色瀝青內(nèi)外摻各類無機染料或者添加劑后制成彩色瀝青可以優(yōu)化其路用性能，在工程實踐中廣泛嘗試應用[4]。研究脫色瀝青外摻無機染料與添加劑后各路用性能變化程度與機理成為一項亟待解決的課題。

以研究彩色瀝青膠結(jié)材料與透水瀝青混合料的性能為主要內(nèi)容，選取SBS改性劑依次同3類無機染料制備成復合改性劑，通過試驗數(shù)據(jù)分析了彩色瀝青膠結(jié)材料與透水瀝青混合料的路用性能變化，以實現(xiàn)指導工程實踐的目的。

1 瀝青介紹

1.1 原材料介紹

表1 脫色瀝青各技術(shù)指標檢測數(shù)據(jù)概況

彩色瀝青制作的原料有脫色瀝青、SBS改性劑與各染料[5]。瀝青選擇某廠生產(chǎn)的脫色瀝青，具體的技術(shù)指標檢測數(shù)據(jù)如表1數(shù)值。選擇3類無機染料完成脫色瀝青指定色彩上色，3類無機染料依次為氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鉻綠。制作前期需把無機染料利用烘箱干燥1d，期間維持溫度80℃恒定，避免出現(xiàn)潮濕和結(jié)團的現(xiàn)象。SBS改性劑選擇某廠生產(chǎn)的SBS，其比重為0.95,嵌段比S/B值為30/70。

1.2 彩色瀝青的制作

彩色瀝青制作重點關注剪切溫度、剪切速率與剪切時長三個關鍵參數(shù)。其制作流程如下：

(1)把脫色瀝青利用烘箱加熱成流動液體，保持165℃恒定，將400g脫色瀝青放進剪切罐，把剪切罐置于油浴內(nèi)，保持溫度165℃不變。

(2)添加占脫色瀝青質(zhì)量75%的無機染料，保持剪切儀4200r/min的轉(zhuǎn)速與剪切溫度170℃0.5h。

(3)外摻占脫色瀝青質(zhì)量5.0%的SBS改性劑，保持剪切儀3200r/min的轉(zhuǎn)速0.34h，同時維持其剪切溫度170℃ 1h不變，實現(xiàn)SBS改性彩色瀝青溶脹充分發(fā)育。

2 彩色瀝青物理與流變性能分析

2.1 物理性能分析

各彩色瀝青物理性能檢測數(shù)據(jù)與相關規(guī)范要求匯總在表2中。通過表2中具體數(shù)值比較不難看出，研究所用3類顏色SBS改性彩色瀝青各評價指標全部達到相關規(guī)范標準。

表2 各顏色彩色瀝青各物理性能指標檢測數(shù)值概況

根據(jù)表2中數(shù)值以圖形方式展示以便更為直觀獲得各無機染料SBS改性彩色瀝青物理性能異同。通過圖1與圖2能夠看出，外摻無機染料與SBS改性劑，可有效減小脫色瀝青針入度指標，氧化鐵紅、氧化鉻綠與氧化鐵黃減小幅度依次為12.4%、41.6%、29.3%。外摻無機染料與SBS改性劑時，可提升瀝青膠結(jié)料的軟化點，上述3類無機染料增幅依次為2.7℃、3.8℃、3.3℃。通常規(guī)律，在外摻無機粉體材料會削減瀝青自由運動同時吸收瀝青中輕組分從而導致瀝青變硬與改善高溫性能。分析針入度與軟化點的變化情況可得，依次外摻5.0%SBS改性劑和氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鉻綠進行復合，全部可以改善瀝青高溫性能，其改善程度由高至低依次為：氧化鐵黃、氧化鉻綠、氧化鐵紅。

圖1 各類型瀝青針入度對比

圖2 各類型瀝青軟化點對比

由于SBS改性彩色瀝青在15.0℃時延度全部超過150cm，所以加設試驗溫度15.0℃時的彩色瀝青延度試驗以從定量角度對比各無機染料彩色瀝青延度，結(jié)果見圖3。在外摻無機染料與SBS改性劑時，瀝青膠結(jié)料延度提升，氧化鐵紅、氧化鐵黃與氧化鉻綠三者增幅依次為16.5%、11.3%、14.5%。因為無機粉體材料分散于瀝青內(nèi)，應力相對集中，極易減小瀝青低溫性能。而SBS改性劑能夠大幅度提高瀝青低溫性能，所以在外摻5.0%SBS改性劑與無機染料復合改性時，可有效抵消無機染料對瀝青低溫性能的削減影響，進而可以小幅增大瀝青延度。

圖3 各類型瀝青延度對比

2.2 彩色瀝青流變性分析

(1)復數(shù)模量與相位角

利用動態(tài)剪切流變儀完成脫色瀝青與SBS改性彩色瀝青高溫時復數(shù)模量與相位角的檢測，以反映瀝青膠結(jié)料黏性與彈性，上述兩個參數(shù)檢測數(shù)據(jù)記錄在表3、表4中。

表3 在不同溫度下各彩色瀝青復數(shù)模量對比

分析表3能夠得出，溫度在52.0～82.0℃時，瀝青膠結(jié)料復數(shù)模量由高至低為：綠色瀝青、黃色瀝青、紅色瀝青、脫色瀝青。可推得三類無機染料和SBS改性劑復合作用全部可使脫色瀝青的復數(shù)模量值增大。復數(shù)模量值表征瀝青硬度與抗變形性能，所以復數(shù)模量值上升即瀝青硬度上升，抗高溫形變性能改善。

分析表4能夠看出，溫度在52.0～82.0℃時，各瀝青相位角值與溫度呈正相關關系，即溫度上升，瀝青膠結(jié)料彈性比例下降，黏性比例逐步上升。各瀝青的相位角由高至低分別是脫色瀝青、紅色瀝青、黃色瀝青、綠色瀝青，可推斷外摻無機染料和SBS改性劑復合改性時，脫色瀝青相位角下降。相位角下降反映瀝青復變模量內(nèi)彈性成分所占比例上升，瀝青彈性恢復率上升。相位角上升即反映瀝青復合模量內(nèi)黏性成分比例上升。所以外摻SBS改性劑和無機染料復合可以有效增大脫色瀝青彈性，進而改善瀝青混合料抗永久變形能力。

(2)車轍因子分析

車轍因子可反映瀝青抵抗高溫車轍性能，其求解為復數(shù)模量除以相位角的正弦值獲得[6]。在相同溫度時，復數(shù)模量值大且相位角小，車轍因子較大即表明瀝青的抗車轍能力高，反之瀝青抗車轍能力小。各SBS改性彩色瀝青車轍因子試驗數(shù)據(jù)整理成表5。分析表5車轍因子隨溫度變化趨勢推斷，外摻無機染料和SBS改性劑復合改性時，脫色瀝青車轍因子值全部上升。在76.0℃溫度下，氧化鐵紅、氧化鐵黃與氧化鉻綠軟化點的增幅依次為22.3%、37.5%、66.5%。通過上述分析可得外摻入無機染料和SBS改性劑復合改性后，可大幅增強脫色瀝青的抗車轍能力。

表5 在不同溫度下各SBS改性彩色瀝青車轍因子對比

(3)透水性瀝青混合料路用性能探討

利用最大公稱粒徑13.0mm的透水性瀝青混合料(PAC-13)，通過馬歇爾設計方式獲得瀝青混合料配合比，雙面擊實50次，設計最佳油石比例為5.0%。PAC-13礦料合成級配情況如表6中數(shù)值。

表6 PAC-13混合料礦料合成級配情況表

PAC-13的路用性能能夠達到實際工程需求。依次對其進行車轍試驗、凍融劈裂試驗、浸水馬歇爾試驗、低溫彎曲試驗四類試驗以分析探討PAC-13混合料的高溫性能、低溫性能與水穩(wěn)定性能。

PAC-13混合料的高溫性能借助車轍試驗的動穩(wěn)定度指標來表征分析。設定試驗溫度60℃不變，試驗檢測數(shù)據(jù)匯總在表7中。動穩(wěn)定度與透水瀝青混合料的高溫性能呈正相關關系。通過表7內(nèi)數(shù)值情況能夠得到，3類有色瀝青混合料動穩(wěn)定度全部超過6000次/mm的下限值，瀝青混合料動穩(wěn)定度高低排序：氧化鉻綠改性瀝青混合料、氧化鐵黃改性瀝青混合料、氧化鐵紅改性瀝青混合料、脫色瀝青混合料。前者的動穩(wěn)定度遠遠大于后三者的動穩(wěn)定度。綜上所述，3類改性瀝青混合料高溫性能高低次序為：氧化鉻綠改性瀝青混合料、氧化鐵黃改性瀝青混合料、氧化鐵紅改性瀝青混合料。

表7 透水瀝青混合料車轍試驗檢測數(shù)據(jù)匯總表

PAC-13混合料的低溫彎曲試驗檢測數(shù)據(jù)整理在表8中。瀝青混合料低溫性能與彎拉破壞應變呈正相關關系，與勁度模量值呈負相關關系。通過分析表8中數(shù)值變化，能夠得到改性PAC-13混合料彎拉破壞應變低于2800με，在外摻入無機染料和5.0%SBS復合改性時，3類彩色透水瀝青混合料彎拉破壞應變?nèi)砍^規(guī)定的下限值2800με。3類彩色瀝青混合料彎拉破壞應變由高至低依次為：紅色瀝青混合料、黃色瀝青混合料、綠色瀝青混合料，即得到3類彩色瀝青混合料的低溫性能優(yōu)劣如上述順序。

表8 PAC-13混合料的低溫彎曲試驗數(shù)據(jù)

PAC-13混合料浸水馬歇爾與凍融劈裂試驗數(shù)據(jù)匯總在表9內(nèi)。選取殘留馬歇爾穩(wěn)定度與凍融劈裂強度比兩個指標來表征PAC-13混合料的水穩(wěn)定性能。與脫色瀝青混合料相比較，3類PAC-13透水瀝青混合料殘留馬歇爾穩(wěn)定度與凍融劈裂強度比值全部增大，即推斷外摻入無機染料和5.0%SBS復合改性可有效增大PAC-13混合料的水穩(wěn)定能力。同時3類PAC-13混合料殘留馬歇爾穩(wěn)定度與凍融劈裂強度比值兩個參數(shù)全部達到工程技術(shù)規(guī)定，且3類混合料基本一致，即3者水穩(wěn)定性并無明顯差異。

表9 PAC-13混合料浸水馬歇爾與凍融劈裂試驗數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

以研究彩色瀝青膠結(jié)材料與透水瀝青混合料的性能為主要內(nèi)容，選取SBS改性劑依次同3類無機染料制備成復合改性劑，通過分析各試驗數(shù)據(jù)得到如下結(jié)論：

(1)外摻3類無機染料與SBS改性劑全部可以改善瀝青高溫性能，改善程度優(yōu)劣次序：氧化鉻綠、氧化鐵黃、氧化鐵紅。

(2)外摻3類無機染料與SBS改性劑全部可以改善瀝青低溫性能，改善程度優(yōu)劣次序：氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鉻綠。

(3)外摻3類無機染料與SBS改性劑全部可以大幅度增強脫色瀝青抗車轍能力。

(4)3類PAC-13透水瀝青混合料路用性能全部達到技術(shù)標準，高溫性能優(yōu)劣次序：氧化鉻綠、氧化鐵黃、氧化鐵紅；低溫性能優(yōu)劣次序：氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鉻綠；水穩(wěn)定性能3類瀝青幾乎一致。