透水瀝青路面復合改性瀝青性能研究

韓克堅

（青海省育才公路勘察設計有限公司,青海 西寧 810000）

透水瀝青路面得到越來越多的關注,當雨水深入結構內后能夠進一步向下滲透至土基中,起到補充地下水的作用。但當前透水瀝青路面在實際工程中的應用仍存在一定的技術難點,盡管我國在改性瀝青方面的研究已經取得了一定的成果,產出了多種不同類型、性能的瀝青材料,但整體來看其品質參差不齊,所以以透水瀝青路面為研究對象,探究改性瀝青的最優配比,并評價其基本性質指標就顯得尤為必要[1]。

1 瀝青試件的制備

瀝青材料是透水路面性能的主要因素,為了更為全面地了解改性瀝青的性能,并將其與基質瀝青、SBS改性瀝青以及橡膠瀝青展開比對。在瀝青試件的制備中,保持三種不同改性瀝青采用的石油瀝青、改性劑均完全一致,排除由于無關組分材料所帶來的指標變異,以此來便于比對不同瀝青試件的性能。采用動力粘度及抗老化性能更好的改性瀝青能夠有效改善瀝青路面的耐久性,減少水損害帶來的松散掉粒問題,并在長期交通荷載、環境作用下保持原有的功能性。

1.1 PA1、PA2 改性瀝青的制備

基于已有的制備工藝及配比設計,改良研制出PA1、PA2 改性瀝青,改性劑能夠在瀝青內發生均勻分散且形成性質穩定、可靠的交聯結構。實踐表明,PA1、PA2 改性瀝青具有較高的動力粘性,且在高溫穩定、低溫抗裂方面的表現也比較好。基于上述工藝要求制備試件。

（1） 瀝青各組分的配比

根據最佳配比設計,選擇其中任意兩種組分配比來制備試件。

（2） 制備工藝

①加熱基質瀝青,使其達到140 ℃后備用。

②加熱基質瀝青至180 ℃并摻加SBS、增粘劑,借助高速剪切機將材料剪切至沒有明顯顆粒感的狀態。

③摻加增溶劑,并攪拌使其發育4 h 形成穩定體系。

1.2 橡膠瀝青的制備

采用廢膠粉來生產橡膠瀝青是一類比較經濟、環保的制備方式,廢膠粉大多是由廢舊輪胎通過機械粉碎來生成的。膠粉顆粒能夠吸收瀝青內的輕質組分,進而顯著降低瀝青流動性,以此形成粘性更強的穩定體系[2]。在本研究中,選用常規方式通過廢膠粉來制備橡膠瀝青,并將其與PA1、PA2 改性瀝青進行比對。橡膠瀝青的配比及制備過程如下：

（1） 瀝青各組分的配比

基質瀝青摻量：82%；廢膠粉摻量：18%；穩定劑摻量：0.15%。

（2） 制備工藝

①加熱基質瀝青,使其達到185 ℃～190 ℃后備用。

②按照18%的質量分數摻加橡膠粉,借助高速剪切機將材料剪切20 min。

③摻加穩定劑,并在180 ℃的條件下攪拌使其發育2 h 形成穩定體系。

1.3 SBS 改性瀝青的制備

在對SBS 改性瀝青四項主要組分的分析中,發現能夠形成較為穩定的體系,且在制備過程中摻加適量的芳經油能夠促進聚合物粒子的溶脹[3]。此外,芳香油還可以強化瀝青分子間的作用力膠質。本研究結合國內外已有的研究成果制備SBS 高粘度改性瀝青,并將其與PA1、PA2 改性瀝青進行比對。SBS 改性瀝青的配比及制備過程如下：

（1） 加熱基質瀝青,使其達到80 ℃～185 ℃后備用,并摻加芳經油通過低速攪拌的方式使其達到均勻狀態。

（2） 按照6%的質量分數摻加SBS,借助高速剪切機將材料剪切至沒有明顯顆粒感的狀態。

（3） 摻加穩定劑,并攪拌使其發育4 h 形成穩定體系。

2 瀝青常規性能對比

2.1 針入度、延度、軟化點

基于我國現行瀝青試驗規范分別對基質瀝青、SBS 改性瀝青以及橡膠瀝青及PA1、PA2 改性瀝青進行性能測試,其中主要包括了針入度、延度及軟化點等主要指標,試驗結果如表1、圖1 所示。

表1 瀝青的針入度、延度、軟化點指標

圖1 瀝青的針入度、延度、軟化點指標

根據圖1 可以看出,各類改性瀝青的高低溫性能較基質瀝青均有所提升,其中橡膠瀝青性能的改善程度較其他改性瀝青較低。SBS 改性瀝青的各項指標與PA1、PA2 改性瀝青較為接近,根據這三種不同改性瀝青的組分角度進行分析,SBS 使得改性瀝青的稠度、彈性增加,且顯著提升各組分間的粘附性,進而改善改性瀝青的高低溫性能。PA1、PA2 改性瀝青在各項指標上的表現均優于SBS 改性瀝青,這主要是由于增粘劑、增溶劑對于瀝青的高低溫定性能具有一定的改良效果。增粘劑為一類具有良好彈性的大分子,在高溫下質地相較基質瀝青比較硬,可以通過小變形吸收大量的應力,而在低溫下質地相較基質瀝青比較軟,當受到較少應力作用時所發生的變形比較大[4]。增溶劑具有較大的硬度,對瀝青在高溫條件下的性能具有顯著貢獻,能夠有效提升瀝青軟化點,進而使得PA1、PA2 改性瀝青的高低溫性能得到改善。

2.2 不同瀝青粘度試驗

基于我國現行瀝青試驗規范分別對基質瀝青、SBS 改性瀝青以及橡膠瀝青及PA1、PA2 改性瀝青進行性能測試,其中主要包括了60 ℃下的動力粘度試驗及175 ℃下的布氏黏度試驗。基于朗伯比爾定律,通過紫外分光來測算瀝青、集料間的粘附性,且借助剝落率來評價瀝青、集料之間抵抗外部水作用的性能,試驗結果如表2、圖2 所示。

表2 粘度試驗結果

圖2 粘度試驗結果

（1） 瀝青常規粘度指標測試

根據圖2 中的數據可以發現,各改性瀝青的性能較基質瀝青均具有顯著的改善效果,瀝青粘性發生了明顯的提升。瀝青、膠粉在混合時主要為物理共混,且同時伴隨產生物理溶脹、溶解,但此兩者之間并未出現化學反應。通過試驗結果可以看出,當膠粉的顆粒粒徑、粗糙程度越大時,其與瀝青之間的相容度也就越低。由于橡膠瀝青在制備時摻加了較多的膠粉,所以瀝青由此所出現的改性效果顯著,粘度發生顯著提升。在SBS 改性瀝青及PA1、PA2 改性瀝青的配比設計中,SBS 的摻量比較高,因此在長期高溫環境下SBS、基質瀝青之間就會產生充分反應,并由此構成交聯體系,表現出良好的粘性。PA1、PA2 改性瀝青內的增粘劑、增溶劑在溶脹后也將產生粘彈性膠粒,強化瀝青分子間的附著力,改善瀝青粘度。

（2） 瀝青與石料粘附性試驗

透水瀝青路面需要保證材料內的大空隙,便于雨水深入混合料內。受到潮濕環境的長期侵蝕作用,水分子很容易侵入瀝青、集料的粘結界面,受到水壓力的作用集料很容易出現剝落,因此水的影響較為顯著。水分子極性較瀝青更大,所以水分子更為活潑,當水與混合料直接接觸時瀝青就容易被水所替代,進而難以有效對石料形成裹附。因此,改善集料、瀝青間的粘附性能能夠有效防止這一水損害的發生[5]。

通過朗伯比爾定律來測定集料、瀝青間的粘附性,并以剝落率作為表征指標。剝落率越高,則代表瀝青的粘附性越差；相反地,剝落率越低,則代表瀝青的粘附性越好,試驗結果如圖2 所示。根據試驗結果可以發現,瀝青、集料之間的粘附性排序為：PAl＞PA2＞SBS 改性瀝青＞橡膠瀝青＞基質瀝青。各改性瀝青所測得的粘附性均高于基質瀝青,特別是PA1、PA2 改性瀝青的剝落率水平很低,這也就說明其瀝青、集料間粘附性比較好,在潮濕環境下能夠表現出較好的穩定性,可以抵抗水分子的“置換”作用。

2.3 不同瀝青離析試驗

首先通過0.3 mm 篩對改性瀝青進行過篩處理,并將其加熱至具有較好的流動性,在豎立盛樣管內注入50 g 試樣。所用的盛樣管尺寸一般可選擇25 mm直徑、140 mm 長的鋁管,在澆注結束后即可將盛樣管豎立置于溫度為163 ℃±5 ℃的烘箱內,并在無外部擾動的條件下靜置48 h。隨后,將盛樣管以豎立的方式置于冰箱中冷卻4 h。當瀝青試樣完全固化后即可取出盛樣管,并將試樣切分成三部分,分別對上下段試樣的軟化點進行測定,選取上下段試樣的軟化點之差來評價材料的離析情況。若其軟化點之差越大,則表明離析現象越顯著,也即瀝青儲存的穩定性越低,由此即可得到試驗結果如圖3 所示。

圖3 瀝青離析試驗結果

根據圖3 可以發現,橡膠瀝青的上下段試樣軟化點之差最大,為4.1 ℃,也即橡膠瀝青儲存的穩定性最低,在實際工程中需要采取相應措施；SBS 改性瀝青的上下段試樣軟化點之差較小,為0.2 ℃,也即SBS改性劑、基質瀝青之間具有較好的相容性,能夠形成穩定的體系。PA1、PA2 改性瀝青的上下段試樣軟化點之差均低于1.0 ℃,特別是PA1 改性瀝青幾乎可視為不出現離析,主要是由于增溶劑、增粘劑聯合作用使得瀝青形成了反應充分的交聯體系,滿足遠距離運輸的要求。但PA2 改性瀝青的上下段試樣軟化點之差相對PA1 改性瀝青較大,主要是由于其增溶劑摻量較高,在長時間高溫儲存時會向下沉降使得底部軟化點升高,上部軟化點下降,但從其整體來看仍滿足工程應用的要求。

3 結論

本研究以透水瀝青路面作為研究導向,分別對基質瀝青、SBS 改性瀝青、橡膠瀝青及PA1、PA2 改性瀝青的性能進行比對。研究發現PAl、PA2 改性瀝青在高低溫性能上的表現由于基質瀝青及其他改性瀝青,且基質瀝青、改性劑之間的相容性較好,可以構成穩定的交聯體系。同時PAl、PA2 改性瀝青與石料之間具有良好的粘附性,有助于改善抗沖擊能力。