SBS改性彩色沥青与透水沥青混合料性能分析

唐兰军

(河北交通投资集团公司 石家庄市 050000)

0 引言

随着国内经济快速发展，土木工程日渐增多，尤其是道路工程建设加快，沥青胶结料的需求量呈现指数增长[1-3]。在脱色沥青内外掺各类无机染料或者添加剂后制成彩色沥青可以优化其路用性能，在工程实践中广泛尝试应用[4]。研究脱色沥青外掺无机染料与添加剂后各路用性能变化程度与机理成为一项亟待解决的课题。

以研究彩色沥青胶结材料与透水沥青混合料的性能为主要内容，选取SBS改性剂依次同3类无机染料制备成复合改性剂，通过试验数据分析了彩色沥青胶结材料与透水沥青混合料的路用性能变化，以实现指导工程实践的目的。

1 沥青介绍

1.1 原材料介绍

表1 脱色沥青各技术指标检测数据概况

彩色沥青制作的原料有脱色沥青、SBS改性剂与各染料[5]。沥青选择某厂生产的脱色沥青，具体的技术指标检测数据如表1数值。选择3类无机染料完成脱色沥青指定色彩上色，3类无机染料依次为氧化铁红、氧化铁黄、氧化铬绿。制作前期需把无机染料利用烘箱干燥1d，期间维持温度80℃恒定，避免出现潮湿和结团的现象。SBS改性剂选择某厂生产的SBS，其比重为0.95,嵌段比S/B值为30/70。

1.2 彩色沥青的制作

彩色沥青制作重点关注剪切温度、剪切速率与剪切时长三个关键参数。其制作流程如下：

(1)把脱色沥青利用烘箱加热成流动液体，保持165℃恒定，将400g脱色沥青放进剪切罐，把剪切罐置于油浴内，保持温度165℃不变。

(2)添加占脱色沥青质量75%的无机染料，保持剪切仪4200r/min的转速与剪切温度170℃0.5h。

(3)外掺占脱色沥青质量5.0%的SBS改性剂，保持剪切仪3200r/min的转速0.34h，同时维持其剪切温度170℃ 1h不变，实现SBS改性彩色沥青溶胀充分发育。

2 彩色沥青物理与流变性能分析

2.1 物理性能分析

各彩色沥青物理性能检测数据与相关规范要求汇总在表2中。通过表2中具体数值比较不难看出，研究所用3类颜色SBS改性彩色沥青各评价指标全部达到相关规范标准。

表2 各颜色彩色沥青各物理性能指标检测数值概况

根据表2中数值以图形方式展示以便更为直观获得各无机染料SBS改性彩色沥青物理性能异同。通过图1与图2能够看出，外掺无机染料与SBS改性剂，可有效减小脱色沥青针入度指标，氧化铁红、氧化铬绿与氧化铁黄减小幅度依次为12.4%、41.6%、29.3%。外掺无机染料与SBS改性剂时，可提升沥青胶结料的软化点，上述3类无机染料增幅依次为2.7℃、3.8℃、3.3℃。通常规律，在外掺无机粉体材料会削减沥青自由运动同时吸收沥青中轻组分从而导致沥青变硬与改善高温性能。分析针入度与软化点的变化情况可得，依次外掺5.0%SBS改性剂和氧化铁红、氧化铁黄、氧化铬绿进行复合，全部可以改善沥青高温性能，其改善程度由高至低依次为：氧化铁黄、氧化铬绿、氧化铁红。

图1 各类型沥青针入度对比

图2 各类型沥青软化点对比

由于SBS改性彩色沥青在15.0℃时延度全部超过150cm，所以加设试验温度15.0℃时的彩色沥青延度试验以从定量角度对比各无机染料彩色沥青延度，结果见图3。在外掺无机染料与SBS改性剂时，沥青胶结料延度提升，氧化铁红、氧化铁黄与氧化铬绿三者增幅依次为16.5%、11.3%、14.5%。因为无机粉体材料分散于沥青内，应力相对集中，极易减小沥青低温性能。而SBS改性剂能够大幅度提高沥青低温性能，所以在外掺5.0%SBS改性剂与无机染料复合改性时，可有效抵消无机染料对沥青低温性能的削减影响，进而可以小幅增大沥青延度。

图3 各类型沥青延度对比

2.2 彩色沥青流变性分析

(1)复数模量与相位角

利用动态剪切流变仪完成脱色沥青与SBS改性彩色沥青高温时复数模量与相位角的检测，以反映沥青胶结料黏性与弹性，上述两个参数检测数据记录在表3、表4中。

表3 在不同温度下各彩色沥青复数模量对比

分析表3能够得出，温度在52.0～82.0℃时，沥青胶结料复数模量由高至低为：绿色沥青、黄色沥青、红色沥青、脱色沥青。可推得三类无机染料和SBS改性剂复合作用全部可使脱色沥青的复数模量值增大。复数模量值表征沥青硬度与抗变形性能，所以复数模量值上升即沥青硬度上升，抗高温形变性能改善。

分析表4能够看出，温度在52.0～82.0℃时，各沥青相位角值与温度呈正相关关系，即温度上升，沥青胶结料弹性比例下降，黏性比例逐步上升。各沥青的相位角由高至低分别是脱色沥青、红色沥青、黄色沥青、绿色沥青，可推断外掺无机染料和SBS改性剂复合改性时，脱色沥青相位角下降。相位角下降反映沥青复变模量内弹性成分所占比例上升，沥青弹性恢复率上升。相位角上升即反映沥青复合模量内黏性成分比例上升。所以外掺SBS改性剂和无机染料复合可以有效增大脱色沥青弹性，进而改善沥青混合料抗永久变形能力。

(2)车辙因子分析

车辙因子可反映沥青抵抗高温车辙性能，其求解为复数模量除以相位角的正弦值获得[6]。在相同温度时，复数模量值大且相位角小，车辙因子较大即表明沥青的抗车辙能力高，反之沥青抗车辙能力小。各SBS改性彩色沥青车辙因子试验数据整理成表5。分析表5车辙因子随温度变化趋势推断，外掺无机染料和SBS改性剂复合改性时，脱色沥青车辙因子值全部上升。在76.0℃温度下，氧化铁红、氧化铁黄与氧化铬绿软化点的增幅依次为22.3%、37.5%、66.5%。通过上述分析可得外掺入无机染料和SBS改性剂复合改性后，可大幅增强脱色沥青的抗车辙能力。

表5 在不同温度下各SBS改性彩色沥青车辙因子对比

(3)透水性沥青混合料路用性能探讨

利用最大公称粒径13.0mm的透水性沥青混合料(PAC-13)，通过马歇尔设计方式获得沥青混合料配合比，双面击实50次，设计最佳油石比例为5.0%。PAC-13矿料合成级配情况如表6中数值。

表6 PAC-13混合料矿料合成级配情况表

PAC-13的路用性能能够达到实际工程需求。依次对其进行车辙试验、冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验、低温弯曲试验四类试验以分析探讨PAC-13混合料的高温性能、低温性能与水稳定性能。

PAC-13混合料的高温性能借助车辙试验的动稳定度指标来表征分析。设定试验温度60℃不变，试验检测数据汇总在表7中。动稳定度与透水沥青混合料的高温性能呈正相关关系。通过表7内数值情况能够得到，3类有色沥青混合料动稳定度全部超过6000次/mm的下限值，沥青混合料动稳定度高低排序：氧化铬绿改性沥青混合料、氧化铁黄改性沥青混合料、氧化铁红改性沥青混合料、脱色沥青混合料。前者的动稳定度远远大于后三者的动稳定度。综上所述，3类改性沥青混合料高温性能高低次序为：氧化铬绿改性沥青混合料、氧化铁黄改性沥青混合料、氧化铁红改性沥青混合料。

表7 透水沥青混合料车辙试验检测数据汇总表

PAC-13混合料的低温弯曲试验检测数据整理在表8中。沥青混合料低温性能与弯拉破坏应变呈正相关关系，与劲度模量值呈负相关关系。通过分析表8中数值变化，能够得到改性PAC-13混合料弯拉破坏应变低于2800με，在外掺入无机染料和5.0%SBS复合改性时，3类彩色透水沥青混合料弯拉破坏应变全部超过规定的下限值2800με。3类彩色沥青混合料弯拉破坏应变由高至低依次为：红色沥青混合料、黄色沥青混合料、绿色沥青混合料，即得到3类彩色沥青混合料的低温性能优劣如上述顺序。

表8 PAC-13混合料的低温弯曲试验数据

PAC-13混合料浸水马歇尔与冻融劈裂试验数据汇总在表9内。选取残留马歇尔稳定度与冻融劈裂强度比两个指标来表征PAC-13混合料的水稳定性能。与脱色沥青混合料相比较，3类PAC-13透水沥青混合料残留马歇尔稳定度与冻融劈裂强度比值全部增大，即推断外掺入无机染料和5.0%SBS复合改性可有效增大PAC-13混合料的水稳定能力。同时3类PAC-13混合料残留马歇尔稳定度与冻融劈裂强度比值两个参数全部达到工程技术规定，且3类混合料基本一致，即3者水稳定性并无明显差异。

表9 PAC-13混合料浸水马歇尔与冻融劈裂试验数据表

3 结论

以研究彩色沥青胶结材料与透水沥青混合料的性能为主要内容，选取SBS改性剂依次同3类无机染料制备成复合改性剂，通过分析各试验数据得到如下结论：

(1)外掺3类无机染料与SBS改性剂全部可以改善沥青高温性能，改善程度优劣次序：氧化铬绿、氧化铁黄、氧化铁红。

(2)外掺3类无机染料与SBS改性剂全部可以改善沥青低温性能，改善程度优劣次序：氧化铁红、氧化铁黄、氧化铬绿。

(3)外掺3类无机染料与SBS改性剂全部可以大幅度增强脱色沥青抗车辙能力。

(4)3类PAC-13透水沥青混合料路用性能全部达到技术标准，高温性能优劣次序：氧化铬绿、氧化铁黄、氧化铁红；低温性能优劣次序：氧化铁红、氧化铁黄、氧化铬绿；水稳定性能3类沥青几乎一致。