瀝青黏結性影響因素研究

吳 濤

(遼陽市交通運輸事務服務中心 遼陽市 111000)

0 引言

水損害是常見的瀝青路面病害形式之一,各級公路均有發生,在低等級公路尤為常見[1-2]。行車荷載的反復作用會導致路面脫粒形成坑槽,同時引起其他路面病害。造成瀝青路面水損害的因素較多,瀝青黏結性是主要影響因素之一[3-4]。目前評價瀝青黏結性的方法主要是瀝青黏韌性試驗[5-6]。姚鴻儒等通過黏韌性試驗發現高黏度瀝青的黏韌性與SBS改性瀝青摻量的相關性較弱,而瀝青質含量增大會導致瀝青黏韌性下降[7]。劉克非等通過開展不同老化程度的基質瀝青及SBS改性瀝青抗水損害性能對比分析,發現瀝青老化過程極大地降低了基質瀝青的抗水分侵蝕能力,同時也會降低SBS改性瀝青的抗水損能力[8]。現有研究主要集中在瀝青混合料抗水損害宏觀力學性能方面,對于瀝青黏韌性影響因素的研究以及對比分析瀝青黏韌性與其混合料抗水損害指標的相關研究較少。文章主要通過不同溫度條件下的黏韌性試驗,探究不同老化程度、不同改性劑種類及摻量對瀝青黏韌性的影響,并通過混合料水穩定性試驗進行驗證,為瀝青黏韌性指標的工程應用提供技術支持。

1 試驗設計

1.1 原材料

選用盤錦北方瀝青燃料有限公司生產的遼河90#基質瀝青(后簡稱“基質瀝青”),基質瀝青基本指標符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)要求;選用中國石化北京燕山石化股份有限公司生產的SBS改性劑,牌號4303,分子結構為星型;選用山東顯元化工科技有限公司生產的SBR改性劑,牌號1502。

1.2 樣品制備

采用基質瀝青制備不同種類及摻量的改性瀝青,改性劑摻量分別為3%和5%(占基質瀝青質量百分比,下同),確定4種試驗樣品及編號分別為基質瀝青(Y1)、基質瀝青+5%SBS(Y2)、基質瀝青+3%SBR(Y3)、基質瀝青+5%SBR(Y4)。改性瀝青具體制備工藝如下:

(1)將5%SBS改性劑加入到150℃的基質瀝青中,通過剪切機以4500～5500r/min的速率剪切,同時保持溫度在165～175℃,剪切60min后在170℃烘箱中發育2h即可制得5%SBS改性瀝青。

(2)將SBR改性劑加入到150℃基質瀝青中,摻加量分別為3%和5%。通過剪切機以4500～5500r/min的速率剪切,同時保持溫度在160～170℃,剪切60min后制得3%SBR和5%SBR改性瀝青。

(3)將4種原樣瀝青放入163℃的薄膜烘箱(TFOT)中短期老化5h,得到的樣品編號為L1、L2、L3、L4。

1.3 配合比設計

采用表1所示AC-20級配。為確保良好的高溫穩定性能,級配曲線應呈現平坦的“S”型。通過馬歇爾試驗確定基質瀝青及SBS改性瀝青混合料的最佳油石比為4.6%。為便于比較,其他種類瀝青混合料的最佳油石比均為4.6%。

表1 AC-20級配設計

1.4 試驗方法

應用原樣和短期老化后的瀝青進行黏韌性試驗,并制備瀝青混合料用于凍融劈裂試驗。黏韌性試驗每種樣品進行3次平行試驗,試驗溫度分別為15℃、20℃、25℃和30℃。根據試驗結果可直接得到瀝青黏韌性To、韌性Te和瀝青黏性Ta,計算方法見式1。

Ta=To-Te

(1)

瀝青混合料凍融劈裂試驗按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)規定進行,得到凍融劈裂試驗殘留強度比指標,殘留強度比越大,瀝青混合料的抗水損害能力越強。

2 結果分析

2.1 原樣瀝青黏韌性影響因素分析

不同溫度條件下原樣瀝青的黏韌性、韌性、黏性試驗結果見表2和圖1。

圖1 原樣瀝青黏韌性隨溫度的降幅

由表2可知,4種原樣瀝青的黏韌性存在明顯差異,各溫度條件下黏韌性大小排序為:Y2>Y4>Y3>Y1。瀝青黏韌性隨著溫度的升高明顯降低,其中Y1降幅最為明顯,高達83.68%,Y3和Y4的降幅分別為83.01%和81.05%,Y2降幅最小,僅有45.99%。可見在各溫度條件下,SBS改性劑可明顯提高瀝青的黏韌性,而SBR改性劑在25℃以上時與基質瀝青的黏韌性差距縮小。原因在于SBR改性劑是通過丁二烯與苯乙烯合成的無規共聚物,其低溫性能和高溫性能均優于基質瀝青,導致其在溫度超過25℃時黏韌性快速下降;而SBS改性劑是通過聚苯乙烯與聚丁二烯合成的嵌段共聚物,其中聚苯乙烯段由于玻璃化轉變溫度高(約80℃),高溫性能優異,故SBS改性瀝青的黏韌性隨溫度升高的降幅最小。在15℃條件下,由于內部熱運動能力下降,基質瀝青變形能力降低,樣品Y1直接斷裂,未獲得數據。SBR改性劑和SBS改性劑均包含丁二烯組分,玻璃化轉變溫度低(-60～-70℃),可有效增強瀝青的低溫變形能力,使瀝青具有良好的黏韌性。

4種原樣瀝青的韌性變化趨勢與黏韌性變化趨勢區別明顯,各溫度條件下黏韌性的大小排序為:Y4>Y3>Y1>Y2。其中Y2黏韌性最小,原因在于SBS在結構上屬于嵌段共聚物,包含明顯的硬段(聚苯乙烯),導致材料強度高、韌性差,而SBR改性劑屬于無規共聚物,無明顯的硬段,因此SBR改性瀝青的韌性遠高于SBS改性瀝青,詳見圖2。

圖2 原樣瀝青黏性隨溫度的降幅

4種原樣瀝青黏性的變化趨勢與黏韌性相似,各溫度條件下黏性大小排序為:Y2>Y4>Y3>Y1。瀝青黏性隨著溫度的升高明顯降低,其中Y1的降幅最為明顯,高達94%,其次是Y3和Y4,降幅分別為90.27%和87.58%,Y2的降幅最小,僅有45.22%。原因在于SBS改性劑中聚苯乙烯的高溫性能優異,而基質瀝青隨著溫度升高,黏性下降明顯,不利于瀝青與石料的黏結。

根據以上分析可知,隨著溫度升高,不同種類瀝青的黏韌性均降低,這表明高溫會降低瀝青與石料的黏結性,對瀝青路面抗水損害產生不利影響。改性劑是提高瀝青黏韌性的主要方式,其中熱塑性彈性體類改性劑SBS由于兼具較好的高低溫性能,黏韌性最佳;橡膠類改性劑SBR對基質瀝青黏韌性的改善程度隨溫度升高而大幅降低。此外,加大改性劑摻量有助于提高瀝青黏韌性,但效果有限。

2.2 短期老化后的瀝青黏韌性影響因素分析

不同溫度條件下,短期老化后瀝青的黏韌性、韌性、黏性試驗結果見表3。

表3 短期老化后瀝青試驗結果

根據表3可知,短期老化后瀝青黏韌性、韌性及黏性的變化趨勢與原樣瀝青基本一致,且數值均高于原樣瀝青。這表明老化作用可增強瀝青黏韌性[9],即由于瀝青老化后的輕組分(飽和酚與芳香酚)逐步轉變為膠質和瀝青質,膠質賦予瀝青塑性和黏結性,瀝青質則決定了瀝青的硬度。可見隨著老化程度加深,瀝青中的膠質與瀝青質含量逐步提高,導致瀝青黏韌性相較于原樣瀝青普遍提高。但與此同時,老化也會導致瀝青硬化,降低瀝青與石料的黏韌性,因此單獨采用黏韌性試驗指標評價老化后瀝青的黏韌性準確度不高,需要通過瀝青混合料抗水損害試驗予以驗證。

2.3 瀝青混合料水穩定性驗證

瀝青混合料水穩定性試驗結果見表4。

表4 瀝青混合料水穩定性試驗結果

由表4可見,瀝青混合料凍融劈裂殘留強度比與瀝青黏韌性大小排序一致,即Y2>Y4>Y3>Y1。可見瀝青黏韌性指標可以反映其混合料抗水損害的能力。原樣瀝青混合料的凍融劈裂殘留強度比優于短期老化后的瀝青混合料,這表明老化作用對瀝青抗水損害能力產生了不利影響,不能通過黏韌性試驗指標評價老化后瀝青的黏韌性。

3 結論

(1) 瀝青黏韌性指標隨著試驗溫度升高逐步降低,導致瀝青與石料的黏結性下降。

(2) 改性劑是影響瀝青黏韌性指標的主要原因,其中熱塑性彈性體類改性劑由于自身性能良好,對基質瀝青黏韌性指標的提升幅度最大;橡膠類改性劑由于高溫性能不佳,隨著溫度升高,其黏韌性降幅較大,且不同外加劑摻量對于黏韌性指標的影響很小。

(3) 老化作用雖然可以提高瀝青黏韌性,但通過瀝青混合料水穩定性試驗可知,老化后瀝青混合料的抗水損害性能下降,因此瀝青黏韌性試驗不適用于評價老化瀝青的性能。