瀝青瑪蹄脂碎石混合料抗油蝕性能試驗研究

李 強， 馬 翔， 李 珂， 趙 康

(1.南京林業大學 土木工程學院, 江蘇 南京 210037; 2.機電產品包裝生物質材料國家地方聯合工程研究中心, 江蘇 南京 210037)

石油瀝青是通過原油加工而來的高分子混合材料，化學組成復雜，一般易溶解于燃料油和其他輕油中.作為汽車等道路交通工具的主要燃料，汽油和柴油等燃料油滴漏在瀝青路面上，如果不及時進行清理，會很快產生油蝕破壞.燃料油能夠溶解瀝青膠結料，導致集料與瀝青之間的黏附性嚴重降低甚至喪失，加之高速行駛的車輛會產生強大的真空吸力，造成集料被不斷卷走，最終形成松散、剝落和坑槽等路面病害[1].由于具備良好的抗車轍和抗滑性能，骨架型瀝青瑪蹄脂碎石(stone mastic asphalt，SMA)混合料被廣泛地應用于高等級瀝青路面表面層[2-3].鑒于燃料油主要通過侵蝕瀝青，從而引起瀝青與集料的黏附性能下降，與常規密級配瀝青混合料相比，SMA混合料中瀝青和礦粉用量大幅增加，更容易受到油蝕破壞的影響.另外，SMA混合料采用間斷級配形成粗集料骨架結構，對瀝青與集料之間的黏附性能要求也更高，油蝕破壞對其影響也更為嚴重[4-5].因此，對SMA混合料的抗油蝕性能進行評價就顯得十分重要.

針對瀝青混合料抗油蝕性能的研究主要集中于試驗方法、評價指標和抗油蝕改性劑研發等方面.李善強等[5]采用基于質量損失的油蝕度試驗方法對不同類型瀝青進行評價，發現改性瀝青表現出較基質瀝青更強的抗油蝕性能.通過浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗，査旭東等[6]發現油蝕后湖瀝青改性瀝青混合料的水穩定性下降20%左右.曹曉峰等[7]采用馬歇爾穩定度和浸水飛散試驗對油蝕路段的路面芯樣進行測試，發現油蝕瀝青路面的高溫穩定性和水穩定性均下降了30%左右.Chaturabong等[8]提出了一種乳化瀝青黏層和碎石封層相結合的表面處治技術，可以在1.5h之內修復被油蝕的瀝青路面.本文采用室內性能試驗對不同類型SMA混合料的抗油蝕性能進行評價，研究瀝青類型、抗油蝕劑摻量和浸油時間對其力學性能和路用性能的影響，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)和傅里葉轉換紅外光譜(FTIR)儀對瀝青混合料的油蝕機理進行分析探討.

1 試驗方案

1.1 原材料和配合比設計

分別采用70#普通瀝青和SBS改性瀝青進行室內試驗，其技術性能指標見表1.集料采用玄武巖粗、細集料和石灰巖礦粉，選取SMA-13級配，集料的技術性能和級配均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》要求.在SMA混合料中分別摻加混合料質量0.3%的木質素纖維和瀝青質量0.4%的抗剝落劑，通過馬歇爾設計法，確定普通瀝青混合料(用70#表示)和SBS改性瀝青混合料(用SBS modified表示)的最佳油石比(質量比)分別為6.0%和6.1%，目標空隙率均為(3.5± 0.5)%.通過在普通瀝青混合料干拌過程中摻加直投式抗油蝕劑的方式，設計了3種抗油蝕SMA混合料，改性劑摻量分別為混合料質量的0.2%、0.4%和0.6%，分別用70#-0.2、70#-0.4和70#-0.6表示.抗油蝕劑為黑色粉末，粒徑為0～ 1200μm，在常溫下可以長時間儲存.

表1 瀝青技術性能指標Table 1 Technical performance index of asphalt

1.2 浸油處理

采用室內浸油處理方式來模擬瀝青路面的油蝕過程.對于標準馬歇爾試件，浸油容器采用四棱臺半透明塑料容器，底面邊長118mm，高102mm，頂面邊長132mm.將試件放入容器內后，加入500mL 0#柴油.浸油處理后發現，當浸油時間短于1d時，試件油蝕不明顯；當浸油時間超過7d后，試件明顯變得松散，集料顆粒脫落嚴重，難以進行力學性能測試.因此，最終確定0(未浸油)、1、4、7d這4個浸油時間.對于車轍試驗所用的大尺寸試件，由于無法整體浸泡，所以先在試件上覆蓋毛巾，而后將柴油傾倒在毛巾上進行間接浸油處理，并且定期添加柴油保證其充分油蝕[9].

1.3 試驗方法

分別測試浸油前后SMA混合料的濁度、馬歇爾穩定度、劈裂強度、車轍、半圓彎曲和凍融劈裂性能，以評價油蝕破壞對其路用性能的影響以及抗油蝕劑的改善效果.

由于水中含有懸浮和膠體狀態的微粒，使得原來無色透明的水產生渾濁現象的程度叫做濁度，通常適用于水質測定[10].借鑒濁度概念，通過改進的濁度試驗測量浸泡瀝青混合料試件后柴油的濁度，可以準確地反映油蝕后瀝青和部分集料的損失情況，從而達到評價混合料抗油蝕性能的目的.濁度試驗屬于無損檢測，具有測試時間短、準確性高、成本低和操作容易等優點.在濁度試驗中，將達到設定浸油時間的試件取出后，先用玻璃棒均勻攪拌浸泡過試件的柴油，再用膠頭滴管從容器中抽取1mL柴油滴入試樣瓶中，加入0#柴油稀釋至設定刻度處，最終通過濁度儀測得柴油濁度.

在路用性能試驗中，混合料試件在達到設定浸油時間后被取出放入烘箱中，在試驗溫度下保溫 3h，然后再進行測試.除浸油處理外，馬歇爾穩定度、劈裂強度、車轍和凍融劈裂試驗方法同JTG E20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗規程》一致.劈裂強度試驗溫度為15℃，加載速率為50mm/min.

由于可以對多種形式的瀝青混合料試件(如馬歇爾試件、旋轉壓實試件、車轍板芯樣和路面現場芯樣等)進行測試，試驗結果變異性也相對較小.因此，選擇采用半圓彎曲試驗進行瀝青混合料低溫抗裂性評價.將標準馬歇爾試件沿直徑切割成2個相同的半圓試件用于測試，2個圓棒支點的距離為80mm，如圖1所示.為了與JTG F40—2004采用的小梁彎曲試驗條件相統一，半圓彎曲試驗溫度為-10℃，加載速率為50mm/min.

圖1 半圓彎曲試驗示意圖Fig.1 Diagram of semi-circular bending test(size:mm)

2 結果與分析

2.1 濁度

以瀝青混合料試件單位質量產生的柴油濁度值Tum作為濁度試驗評價指標.Tum值越大，瀝青混合料抗油蝕性能越差，結果如圖2所示.由圖2可見：隨著浸油時間的增加，浸泡過不同瀝青混合料試件的柴油溶液濁度均明顯增大，瀝青混合料抗油蝕性能逐漸下降；與浸油1d后相比，70#瀝青混合料浸油4d和7d后的Tum值分別提高了15.9%和61.2%；SBS改性瀝青混合料的Tum值增長率略低，也分別達到了13.5%和49.1%；浸油4d后，70#-0.2、70#-0.4和70#-0.6的Tum值比70#瀝青混合料分別減小了2.4%、12.0%和13.5%；浸油7d后更為明顯，減小幅度更是分別達到17.0%、26.1%和30.0%.因此，70#瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的Tum值無顯著差異.摻加抗油蝕劑可以明顯提高瀝青混合料的抗油蝕性能，其提高幅度隨著改性劑摻量的增加而增大，但是當摻量超過0.4%時，其提高效果就不明顯了.

圖2 浸油時間對柴油濁度的影響Fig.2 Effect of corrosion time on turbidity of diesel oil

2.2 力學性能

分別采用油蝕殘留穩定度比ORms(浸油后與浸油前穩定度MS之比)和油蝕殘留強度比ORss(浸油后與浸油前劈裂強度SS之比)作為馬歇爾穩定度和劈裂強度的評價指標，結果如圖3所示.由圖3可見：浸油時間、瀝青類型和改性劑摻量都對浸油后SMA混合料的力學性能有顯著的影響；各種瀝青混合料的ORms和ORss值均隨著浸油時間的增加而不斷減小，浸油7d后，70#和70#-0.2瀝青混合料的MS值已低于JTG F40—2004要求(普通瀝青SMA≥5.5kN、改性瀝青SMA≥ 6kN).在浸油前或浸油時間較短時，SBS改性瀝青混合料的力學性能均明顯優于其他瀝青混合料，但是其優勢隨著浸油時間增加而不斷削弱；浸油 7d 后，其MS和SS值均已低于改性劑摻量較高的70#-0.4和70#-0.6，其MS值也已達不到JTG F40—2004要求，說明在長時間油蝕情況下SBS聚合物對瀝青的良好改性作用會逐漸失效.改性劑摻量較高的抗油蝕瀝青混合料油蝕后的殘留力學性能總是優于其他混合料，在浸油時間達到7d后尤為明顯，其ORms和ORss值比其他混合料分別提高了26.2%～33.0%和13.8%～25.9%.同樣地，當改性劑摻量大于0.4%時，其進一步改善的效果就不明顯了.

圖3 瀝青混合料浸油前后性能的變化Fig.3 Variation of performance of asphalt mixtures before and after oil corrosion

2.3 高溫穩定性

車轍試驗評價指標動穩定度(DS)和車轍深度(RD)的結果見表2.由表2可見：盡管在浸油前所有瀝青混合料的DS值均滿足JTG F40—2004對夏炎熱冬冷(1-3)區的技術要求(普通瀝青SMA ≥1500次/mm、改性瀝青SMA≥3000次/mm)，但是隨著油蝕程度的加深，70#和SBS改性瀝青混合料的高溫穩定性不斷下降；浸油7d后，兩者的DS值分別減小了68.6%和46.7%，且均低于JTG F40—2004要求.由于采用的抗油蝕劑在高溫下兼具實現瀝青混合料膠結、加筋和機械嵌擠的功能，因此即使在浸油前抗油蝕瀝青混合料也具有最優的抗車轍性能，長時間浸油后其仍能保持足夠的性能.尤其是當抗油蝕劑摻量達到0.4%和0.6%時，其浸油7d后的DS值僅比浸油前分別減小了24.3%和22.9%，且均滿足JTG F40—2004對改性瀝青SMA混合料的要求.

表2 浸油前后車轍試驗結果Table 2 Wheel tracking test results before and after oil corrosion

2.4 低溫抗裂性

半圓彎曲試驗評價指標抗拉強度(σf)、破壞應變(εf)、回彈模量(Mr)和應變能密度(Es，斷裂時應力-應變曲線對應面積)的結果見表3.由表3可見：浸油前后SBS改性瀝青混合料均表現出比其他混合料更好的低溫抗裂性；在浸油前普通瀝青和抗油蝕瀝青混合料的各項指標均無明顯差異，說明即使在不發生油蝕破壞的情況下，摻加抗油蝕劑也不會降低瀝青混合料的低溫性能；而隨著浸油時間的增加，不同混合料的各種低溫性能指標均有所下降，抗油蝕劑也逐漸發揮作用.例如，與浸油前相比，浸油7d后普通瀝青和SBS改性瀝青混合料的Es值分別減小了30.6%和29.4%，而抗油蝕瀝青混合料Es值的降幅只有15.1%～20.0%.對比車轍和半圓彎曲試驗結果可以看出，油蝕破壞對瀝青混合料低溫性能的影響要明顯弱于對其高溫性能的影響，這主要是因為在低溫時瀝青膠結料內分子熱運動遠遠不如其在高溫時活躍，瀝青膠體結構更為穩定.

表3 浸油前后半圓彎曲試驗結果Table 3 Semi-circular bending test results before and after oil corrosion

2.5 水穩定性

采用凍融殘留強度比WRss(凍融后與凍融前劈裂強度之比)作為凍融劈裂試驗的評價指標，結果如圖4所示.由圖4可見：在浸油前WRss值從大到小依次為SBS改性瀝青混合料、抗油蝕瀝青混合料和普通瀝青混合料，但是不同混合料之間并沒有顯著差異；隨著浸油時間的增加，各種混合料水穩定性逐漸出現不同程度的下降，且降幅不斷增大；浸油4d后，普通瀝青和SBS改性瀝青混合料的WRss值均已降低到JTG F40—2004要求以下(普通瀝青SMA≥75%、改性瀝青SMA≥80%)；浸油7d后2種混合料的WRss值比浸油前分別減小了24.2%和19.9%.因為油蝕主要破壞瀝青與集料界面間的黏附能力，所以摻加抗油蝕劑可以顯著改善瀝青混合料的水穩定性，且隨著其摻量的增加，改善效果愈趨明顯.當普通瀝青混合料中摻加0.4%及以上的抗油蝕劑時，即使浸油7d后，其WRss值也僅比浸油前減小了6.8%～8.0%，仍能滿足JTG F40—2004對改性瀝青SMA混合料的要求.結合劈裂強度試驗結果，考慮到在發生油蝕破壞后，抗油蝕瀝青混合料的凍融前劈裂強度已大于其他混合料.因此，在柴油和水耦合作用下，通過摻加抗油蝕劑來保持SMA混合料力學性能有著更為顯著的效果.

圖4 浸油前后凍融殘留強度比的變化Fig.4 Variation of freeze-thaw residual splitting strength ratio before and after oil corrosion

3 油蝕機理分析

在拌和好的松散瀝青混合料中選取若干顆粒徑為4.75～9.5mm的粗集料顆粒，將其干燥后放在銅薄片上，然后在混合料表面鍍上1層導電膜，使其附著導電材料，即進行噴金處理，最終采用QUANTA200型SEM對浸油前后SMA混合料的表面結構形貌進行觀察，結果如圖5所示.由圖5可見： (1)浸 油前普通瀝青混合料具有明顯的片狀褶皺結構，紋理粗糙，瀝青膜沒有完全裹覆集料顆粒；SBS改性瀝青和抗油蝕瀝青混合料表面則較為平整，瀝青膜對集料顆粒的裹覆和填充較為充分.(2)浸油 7d 后，所有混合料都出現不同程度的油蝕破壞；普通瀝青和SBS改性瀝青混合料表面呈現出粗糙松散的團狀結構，集料顆粒上的瀝青膜大面積剝離，大量未裹覆瀝青的細集料脫落，油蝕行為破壞了瀝青與集料界面間的黏附性，造成混合料級配和整體性的劣化；抗油蝕瀝青混合料表面為薄層狀平面結構，細集料脫落較少，浸油后大部分瀝青膜還能保留在集料顆粒表面，因此還能維持較好的黏附性和整體性.

圖5 浸油前后瀝青混合料微觀形貌Fig.5 Microscopic morphology of asphalt mixtures before and after oil corrosion

圖6 浸油前后瀝青紅外吸收光譜Fig.6 FTIR spectra of asphalt binders before andafter oil corrosion

4 結論

(1)隨著浸油時間的延長，各種SMA混合料的抗油蝕性能出現不同程度的下降，且降幅呈增大趨勢，浸泡過瀝青混合料的柴油溶液濁度不斷增大，瀝青混合料的力學性能和路用性能均逐漸降低.

(2)浸油后70#瀝青混合料的力學性能和路用性能下降幅度最大.SBS改性瀝青在浸油時間較短時可以對混合料起到“油蝕保護”的作用，但是經過長時間浸油后其作用逐漸失效.

(3)浸油前摻加抗油蝕劑的SMA混合料表現出優異的高溫性能、良好的水穩定性和相當的低溫性能，浸油后其抗油蝕性能優勢逐漸發揮，長時間浸油后仍能保持足夠的力學和路用性能.抗油蝕性能的改善效果隨著改性劑摻量的增加而逐漸增大，當摻量達到混合料質量的0.4%時，浸油7d后其各項性能指標均能達到規范對改性瀝青混合料的要求.綜合考慮成本和改善效果確定抗油蝕劑的最佳摻量為混合料質量的0.4%.

(4)發生油蝕后，70#和SBS改性瀝青混合料表面呈現粗糙松散的團狀結構，大量瀝青膜從集料顆粒上剝離，造成瀝青與集料間的黏附性明顯下降.抗油蝕瀝青混合料表面為薄層狀平面結構，瀝青膜裹附完整，瀝青與集料間的黏附性及混合料的整體性均較好.柴油主要溶解了瀝青中的芳香族化合物，其中強極性成分的潛在損失嚴重影響了瀝青與集料的黏附作用，而加入抗油蝕劑可以對油蝕行為進行有效地抑制.