DOA/SBS復(fù)合改性瀝青及其混合料路用性能分析

張鋒，劉攀，李凱，盛興躍，李璐

（1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

脫油瀝青（DOA）是渣油溶劑脫瀝青過程中的副產(chǎn)物，主要成分為膠質(zhì)、瀝青質(zhì)及少量油分，其軟化點(diǎn)高、黏度大、針入度低[1-3]。在我國(guó)DOA 主要用來生產(chǎn)重質(zhì)燃料油，但該做法未充分發(fā)揮其自身的優(yōu)點(diǎn)，也不環(huán)保。生產(chǎn)道路瀝青是一個(gè)行之有效的利用途徑，有利于改善改性瀝青的高溫性能[2，4]。同時(shí)，DOA 的價(jià)格低于基質(zhì)瀝青的價(jià)格，更遠(yuǎn)低于聚合物改性劑的價(jià)格，因而，開發(fā)DOA 復(fù)合改性瀝青能夠在很大程度上降低改性瀝青的原料成本，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。SBS 改性瀝青是目前應(yīng)用最廣的道路瀝青[5，6]，與DOA 復(fù)合改性道路瀝青具有良好的路用性能[7，8]，然而有關(guān)這方面的研究相對(duì)較少且不全面。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，新建鋼結(jié)構(gòu)橋梁越來越多，項(xiàng)目規(guī)模不斷擴(kuò)大，橋面鋪裝市場(chǎng)需求量已呈急劇增長(zhǎng)趨勢(shì)。目前形成了三種典型鋪裝方案：①雙層環(huán)氧瀝青混合料結(jié)構(gòu)，②澆注式瀝青混合料GA ＋SMA 結(jié)構(gòu)，③雙層SMA 結(jié)構(gòu)[9]。近年來，經(jīng)過大量實(shí)體工程應(yīng)用，GA+SMA 已成為我國(guó)鋼橋面主流鋪裝方案。GA和SMA 用瀝青膠結(jié)料需要加入大量改性劑，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜[10]。為降低其生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，本研究擬將DOA 與SBS按一定摻量復(fù)合制備改性瀝青，考察DOA 性能和復(fù)合改性瀝青性能的關(guān)聯(lián)性，研究DOA/SBS復(fù)合改性瀝青GA 和SMA 的路用性能，并論證DOA 應(yīng)用于鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原材料

原油來源及煉油工藝的不同，會(huì)造成DOA的性能有所差異，選取4 種不同產(chǎn)地的DOA（分別命名DOA-A、DOA-B、DOA-C、DOA-D），主要性能指標(biāo)見表1；基質(zhì)瀝青為韓國(guó)SK-70#道路瀝青，主要性能指標(biāo)見表2。YH-791H SBS，工業(yè)級(jí)，線性結(jié)構(gòu)，PS/PB=30/70。

1.2 DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青制備

首先按常規(guī)工藝制備4% SBS 改性瀝青，然后在加熱狀態(tài)下外摻20%DOA，攪拌均勻后，185 ℃高速剪切1 h，加入增延劑、穩(wěn)定劑等添加劑，在175 ℃攪拌發(fā)育2 h，即可制得DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青。

表1 DOA 性能指標(biāo)

表2 SK-70# 道路瀝青性能指標(biāo)

1.3 性能評(píng)價(jià)

按照J(rèn)TG E20—2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)范》和JTG/T 3364-02—2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 DOA 性能評(píng)價(jià)

從表1可以看出，不同DOA的性質(zhì)有所差異，但總體上都表現(xiàn)出軟化點(diǎn)高、針入度及延度低等特點(diǎn)，說明DOA 黏度大、黏結(jié)性差、脆性大。這是由于DOA 本身的組分導(dǎo)致的結(jié)果，從四組分?jǐn)?shù)據(jù)可以看出DOA 本身含有的重質(zhì)組分（膠質(zhì)和瀝青質(zhì)）較多，輕質(zhì)組分（飽和分和芳香分）較少。其中DOA-B 的重質(zhì)組分超過60%，另外三種也在50%以上，而基質(zhì)瀝青的重質(zhì)組分低于40%，四組分含量的不同造成DOA 和基質(zhì)瀝青的性能有較大差別。四種DOA 的蠟含量較高，蠟的存在將對(duì)瀝青的相關(guān)指標(biāo)產(chǎn)生明顯的影響。在利用DOA時(shí)，要考慮到其對(duì)瀝青及瀝青混合料性能的影響。

2.2 DOA 性能和復(fù)合改性瀝青性能關(guān)聯(lián)分析

采用以上四種DOA 制備DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青（制備工藝均相同），對(duì)其性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3。

表3 DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，簡(jiǎn)單分析DOA 和其復(fù)合改性瀝青的性能內(nèi)在聯(lián)系。DOA 的摻入改變了瀝青的組成，必將導(dǎo)致瀝青的路用性能產(chǎn)生變化。DOA 軟化點(diǎn)、延度等常規(guī)性能指標(biāo)較好的，制得的改性瀝青性能一般較好。DOA-A、DOA-B 和DOA-C 軟化點(diǎn)高，制得的改性瀝青G*/sinδ較大，高溫抗車轍性能較好；DOA-D延度大，制得的改性瀝青低溫延性較佳，但高溫儲(chǔ)存離析較嚴(yán)重。還可以看出，DOA 的蠟含量和組分分布對(duì)改性瀝青的性能影響較大，影響也較為復(fù)雜。DOA-A 和DOA-D 蠟含量較高，改性瀝青老化后針入度下降較大；瀝青質(zhì)含量相對(duì)較高的DOA-B 和DOA-D 制得的改性瀝青易離析。從殘留針入度比可知，DOA-C/SBS復(fù)合改性瀝青還具有良好的抗老化性能。不同改性瀝青的性能還需從混合料和路面結(jié)構(gòu)來分析，選擇DOA-C 作進(jìn)一步研究。

2.3 DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青澆注式瀝青混合料GA10 性能

澆注式瀝青混合料GA 的施工溫度高達(dá)240 ℃，在此溫度下瀝青材料更易老化，要求瀝青具有良好的抗老化性[11]；GA 中瀝青含量高，導(dǎo)致其高溫穩(wěn)定性較差，要求瀝青具有良好的高溫穩(wěn)定性。由上述結(jié)論可知，DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青兼具優(yōu)良的高溫性能和抗老化性能。

選擇DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青和普通SBS 改性瀝青，干凈、堅(jiān)硬、耐磨的玄武巖集料。配合比為5～10 mm：34%，3～5 mm：10%，0～3 mm：30%，礦粉：26%，以最佳油石比8.0%拌制澆注式瀝青混合料GA10。測(cè)試GA10 的流動(dòng)性、車轍動(dòng)穩(wěn)定度和低溫抗彎應(yīng)變等技術(shù)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青GA10 性能試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青GA10的流動(dòng)性較差，和易性較差，這是DOA 黏度較高造成的?；旌狭系?0 ℃貫入度及貫入度增量明顯下降，表明DOA 能增強(qiáng)GA10 的高溫性能。DOA 軟化點(diǎn)高，能提高改性瀝青的軟化點(diǎn)，進(jìn)而增強(qiáng)混合料的高溫性能。但DOA 對(duì)GA10 的低溫性能有消極影響，這是由于DOA 本身的低溫延性較差造成的。綜合來看，DOA 對(duì)GA10 的高溫性能有利，但對(duì)其流動(dòng)性和低溫性能不利。

2.4 DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青SMA 性能評(píng)價(jià)

SMA13 配合比為10～15 mm：45%，5～10 mm：28%，3～5 mm：6%，0～3 mm：11%，礦粉：10%，聚酯纖維：0.25%，最佳油石比為5.8%；SMA10 配合比為5～10 mm：64%，3～5 mm：4%，0～3 mm：24%，礦粉：8%，聚酯纖維：0.25%，最佳油石比為6.0%。拌制DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青SMA13 和SMA10，分別測(cè)試其穩(wěn)定度、車轍動(dòng)穩(wěn)定度、低溫抗彎應(yīng)變、殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂比等技術(shù)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青SMA 性能試驗(yàn)結(jié)果

由表5結(jié)果可知，相比于SBS 改性瀝青SMA，DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青SMA 具有更好的高溫穩(wěn)定性，但低溫抗裂性和水穩(wěn)定性都有不同程度的下降。整體來看，其路用性能良好，滿足規(guī)范要求，且高溫性能尤為優(yōu)異。

2.5 DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青混合料鋪裝組合結(jié)構(gòu)性能

“澆注式瀝青混合料GA+改性瀝青SMA”是我國(guó)目前廣泛采用的鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)，即下面層采用抗變形能力較好的澆注式瀝青混合料GA，上面層則采用抗車轍性能更好、抗滑性能優(yōu)良的改性瀝青SMA[12]。研究四種鋪裝結(jié)構(gòu)，鋪裝結(jié)構(gòu)1 和3：GA10+SMA10；鋪裝結(jié)構(gòu)2 和4：GA10+SMA13，其中鋪裝結(jié)構(gòu)1、2 采用DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青，鋪裝結(jié)構(gòu)3、4 采用SBS 改性瀝青。鋪裝層厚度為35 mm+35 mm，GA10 采用自流平成型，SMA10 或SMA13 采用輪碾成型。

2.5.1 高溫穩(wěn)定性

試驗(yàn)溫度為60 ℃和70 ℃，1.0 MPa 重載下進(jìn)行鋪裝組合結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出，四種鋪裝結(jié)構(gòu)在60 ℃下的動(dòng)穩(wěn)定度均大于5 000 次/mm，70 ℃下的動(dòng)穩(wěn)定度均大于2 500 次/mm，表明其具有優(yōu)異的組合結(jié)構(gòu)高溫穩(wěn)定性。其中鋪裝結(jié)構(gòu)1 的60 ℃和70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度分別達(dá)到6 300 次/mm 和3 316 次/mm，鋪裝結(jié)構(gòu)2 的60 ℃和70 ℃動(dòng)穩(wěn)定度分別達(dá)到6 300 次/mm 和3 500 次/mm，相對(duì)鋪裝結(jié)構(gòu)3、4 高溫穩(wěn)定性更優(yōu)。以上結(jié)果再次表明，DOA 的摻入提高了混合料的高溫性能，鋪裝結(jié)構(gòu)進(jìn)而表現(xiàn)出更為優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。

圖1 鋪裝結(jié)構(gòu)車轍試驗(yàn)結(jié)果

2.5.2 疲勞耐久性

進(jìn)行鋪裝結(jié)構(gòu)的五點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，加載頻率10 Hz，溫度20 ℃，偏正玄波，鋪裝層或黏接層出現(xiàn)開裂作為疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 鋪裝結(jié)構(gòu)五點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

通過表6的數(shù)據(jù)可以得出，鋪裝結(jié)構(gòu)3、4 的疲勞性能略優(yōu)于鋪裝結(jié)構(gòu)1、2，這是由于DOA 的摻入降低了混合料的疲勞性能，但依然具有良好的組合結(jié)構(gòu)抗疲勞耐久性。還可以進(jìn)一步看出，在疲勞次數(shù)超過100 萬次時(shí)，鋪裝結(jié)構(gòu)3、4 出現(xiàn)的裂縫較短。4 種鋪裝結(jié)構(gòu)的破壞面主要在鋪裝層與防水黏結(jié)層之間，出現(xiàn)了層間脫層破壞，這表明防水黏結(jié)層仍然是鋪裝結(jié)構(gòu)“GA+SMA”的薄弱之處。

2.6 DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青經(jīng)濟(jì)性分析

基質(zhì)瀝青和DOA 的市場(chǎng)價(jià)格分別約為3 300 元/t 和2 000 元/t，SBS 的市場(chǎng)價(jià)格約為15 000 元/t，通過簡(jiǎn)單計(jì)算可知，DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青的成本在3 500～3 600 元/t 左右，相比傳統(tǒng)的GA 用聚合物復(fù)合改性瀝青和SMA用高彈瀝青，其成本明顯降低。因此，DOA 的摻入能有效降低原材料成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯，并提高生產(chǎn)效率。

3 結(jié)論

a）不同的DOA 都表現(xiàn)出針入度和延度低、軟化點(diǎn)高等特點(diǎn)，這是由于其本身重質(zhì)組分含量高所致。DOA 對(duì)改性瀝青的性能影響明顯，摻入DOA 會(huì)降低改性瀝青的針入度和延度，增大軟化點(diǎn)，有利于提高其高溫性能，但對(duì)低溫延性不利。

b）DOA 的摻入降低了混合料的流動(dòng)性和低溫性能，提高了高溫性能。DOA 的摻入對(duì)SMA10 和SMA13 的高溫穩(wěn)定性有利，對(duì)其低溫抗裂性和水穩(wěn)定性不利。

c）DOA/SBS 復(fù)合改性瀝青混合料鋪裝組合結(jié)構(gòu)“GA10+SMA10”及“GA10+SMA13”具有良好的高溫性能和疲勞性能。

d）DOA 應(yīng)用于鋼橋面鋪裝材料在技術(shù)上及經(jīng)濟(jì)上具有可行性，也為DOA 的綜合利用提供了新思路。