DOA/SBS复合改性沥青及其混合料路用性能分析

2020-06-26张锋刘攀李凯盛兴跃李璐

石油沥青 2020年3期

张锋，刘攀，李凯，盛兴跃，李璐

（1.重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336；2.重庆交通大学，重庆 400074）

脱油沥青（DOA）是渣油溶剂脱沥青过程中的副产物，主要成分为胶质、沥青质及少量油分，其软化点高、黏度大、针入度低[1-3]。在我国DOA 主要用来生产重质燃料油，但该做法未充分发挥其自身的优点，也不环保。生产道路沥青是一个行之有效的利用途径，有利于改善改性沥青的高温性能[2，4]。同时，DOA 的价格低于基质沥青的价格，更远低于聚合物改性剂的价格，因而，开发DOA 复合改性沥青能够在很大程度上降低改性沥青的原料成本，其经济效益和社会效益明显。SBS 改性沥青是目前应用最广的道路沥青[5，6]，与DOA 复合改性道路沥青具有良好的路用性能[7，8]，然而有关这方面的研究相对较少且不全面。

随着我国经济的持续发展，新建钢结构桥梁越来越多，项目规模不断扩大，桥面铺装市场需求量已呈急剧增长趋势。目前形成了三种典型铺装方案：①双层环氧沥青混合料结构，②浇注式沥青混合料GA ＋SMA 结构，③双层SMA 结构[9]。近年来，经过大量实体工程应用，GA+SMA 已成为我国钢桥面主流铺装方案。GA和SMA 用沥青胶结料需要加入大量改性剂，生产成本高，生产工艺复杂[10]。为降低其生产成本，提高生产效率，本研究拟将DOA 与SBS按一定掺量复合制备改性沥青，考察DOA 性能和复合改性沥青性能的关联性，研究DOA/SBS复合改性沥青GA 和SMA 的路用性能，并论证DOA 应用于钢桥面铺装结构的可行性。

1 实验部分

1.1 试验原材料

原油来源及炼油工艺的不同，会造成DOA的性能有所差异，选取4 种不同产地的DOA（分别命名DOA-A、DOA-B、DOA-C、DOA-D），主要性能指标见表1；基质沥青为韩国SK-70#道路沥青，主要性能指标见表2。YH-791H SBS，工业级，线性结构，PS/PB=30/70。

1.2 DOA/SBS 复合改性沥青制备

首先按常规工艺制备4% SBS 改性沥青，然后在加热状态下外掺20%DOA，搅拌均匀后，185 ℃高速剪切1 h，加入增延剂、稳定剂等添加剂，在175 ℃搅拌发育2 h，即可制得DOA/SBS 复合改性沥青。

表1 DOA 性能指标

表2 SK-70# 道路沥青性能指标

1.3 性能评价

按照JTG E20—2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规范》和JTG/T 3364-02—2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》进行性能评价试验。

2 结果与讨论

2.1 DOA 性能评价

从表1可以看出，不同DOA的性质有所差异，但总体上都表现出软化点高、针入度及延度低等特点，说明DOA 黏度大、黏结性差、脆性大。这是由于DOA 本身的组分导致的结果，从四组分数据可以看出DOA 本身含有的重质组分（胶质和沥青质）较多，轻质组分（饱和分和芳香分）较少。其中DOA-B 的重质组分超过60%，另外三种也在50%以上，而基质沥青的重质组分低于40%，四组分含量的不同造成DOA 和基质沥青的性能有较大差别。四种DOA 的蜡含量较高，蜡的存在将对沥青的相关指标产生明显的影响。在利用DOA时，要考虑到其对沥青及沥青混合料性能的影响。

2.2 DOA 性能和复合改性沥青性能关联分析

采用以上四种DOA 制备DOA/SBS 复合改性沥青（制备工艺均相同），对其性能进行对比，结果见表3。

表3 DOA/SBS 复合改性沥青性能指标

根据以上试验结果，简单分析DOA 和其复合改性沥青的性能内在联系。DOA 的掺入改变了沥青的组成，必将导致沥青的路用性能产生变化。DOA 软化点、延度等常规性能指标较好的，制得的改性沥青性能一般较好。DOA-A、DOA-B 和DOA-C 软化点高，制得的改性沥青G*/sinδ较大，高温抗车辙性能较好；DOA-D延度大，制得的改性沥青低温延性较佳，但高温储存离析较严重。还可以看出，DOA 的蜡含量和组分分布对改性沥青的性能影响较大，影响也较为复杂。DOA-A 和DOA-D 蜡含量较高，改性沥青老化后针入度下降较大；沥青质含量相对较高的DOA-B 和DOA-D 制得的改性沥青易离析。从残留针入度比可知，DOA-C/SBS复合改性沥青还具有良好的抗老化性能。不同改性沥青的性能还需从混合料和路面结构来分析，选择DOA-C 作进一步研究。

2.3 DOA/SBS 复合改性沥青浇注式沥青混合料GA10 性能

浇注式沥青混合料GA 的施工温度高达240 ℃，在此温度下沥青材料更易老化，要求沥青具有良好的抗老化性[11]；GA 中沥青含量高，导致其高温稳定性较差，要求沥青具有良好的高温稳定性。由上述结论可知，DOA/SBS 复合改性沥青兼具优良的高温性能和抗老化性能。

选择DOA/SBS 复合改性沥青和普通SBS 改性沥青，干净、坚硬、耐磨的玄武岩集料。配合比为5～10 mm：34%，3～5 mm：10%，0～3 mm：30%，矿粉：26%，以最佳油石比8.0%拌制浇注式沥青混合料GA10。测试GA10 的流动性、车辙动稳定度和低温抗弯应变等技术指标，试验结果见表4。

表4 DOA/SBS 复合改性沥青GA10 性能试验结果

由表4可知，DOA/SBS 复合改性沥青GA10的流动性较差，和易性较差，这是DOA 黏度较高造成的。混合料的60 ℃贯入度及贯入度增量明显下降，表明DOA 能增强GA10 的高温性能。DOA 软化点高，能提高改性沥青的软化点，进而增强混合料的高温性能。但DOA 对GA10 的低温性能有消极影响，这是由于DOA 本身的低温延性较差造成的。综合来看，DOA 对GA10 的高温性能有利，但对其流动性和低温性能不利。

2.4 DOA/SBS 复合改性沥青SMA 性能评价

SMA13 配合比为10～15 mm：45%，5～10 mm：28%，3～5 mm：6%，0～3 mm：11%，矿粉：10%，聚酯纤维：0.25%，最佳油石比为5.8%；SMA10 配合比为5～10 mm：64%，3～5 mm：4%，0～3 mm：24%，矿粉：8%，聚酯纤维：0.25%，最佳油石比为6.0%。拌制DOA/SBS 复合改性沥青SMA13 和SMA10，分别测试其稳定度、车辙动稳定度、低温抗弯应变、残留稳定度及冻融劈裂比等技术指标，试验结果见表5。

表5 DOA/SBS 复合改性沥青SMA 性能试验结果

由表5结果可知，相比于SBS 改性沥青SMA，DOA/SBS 复合改性沥青SMA 具有更好的高温稳定性，但低温抗裂性和水稳定性都有不同程度的下降。整体来看，其路用性能良好，满足规范要求，且高温性能尤为优异。

2.5 DOA/SBS 复合改性沥青混合料铺装组合结构性能

“浇注式沥青混合料GA+改性沥青SMA”是我国目前广泛采用的钢桥面铺装结构，即下面层采用抗变形能力较好的浇注式沥青混合料GA，上面层则采用抗车辙性能更好、抗滑性能优良的改性沥青SMA[12]。研究四种铺装结构，铺装结构1 和3：GA10+SMA10；铺装结构2 和4：GA10+SMA13，其中铺装结构1、2 采用DOA/SBS 复合改性沥青，铺装结构3、4 采用SBS 改性沥青。铺装层厚度为35 mm+35 mm，GA10 采用自流平成型，SMA10 或SMA13 采用轮碾成型。

2.5.1 高温稳定性

试验温度为60 ℃和70 ℃，1.0 MPa 重载下进行铺装组合结构车辙试验，试验结果见图1。

由图1可以看出，四种铺装结构在60 ℃下的动稳定度均大于5 000 次/mm，70 ℃下的动稳定度均大于2 500 次/mm，表明其具有优异的组合结构高温稳定性。其中铺装结构1 的60 ℃和70 ℃动稳定度分别达到6 300 次/mm 和3 316 次/mm，铺装结构2 的60 ℃和70 ℃动稳定度分别达到6 300 次/mm 和3 500 次/mm，相对铺装结构3、4 高温稳定性更优。以上结果再次表明，DOA 的掺入提高了混合料的高温性能，铺装结构进而表现出更为优异的高温稳定性。

图1 铺装结构车辙试验结果

2.5.2 疲劳耐久性

进行铺装结构的五点弯曲疲劳试验，加载频率10 Hz，温度20 ℃，偏正玄波，铺装层或黏接层出现开裂作为疲劳破坏标准，试验结果见表6。

表6 铺装结构五点弯曲疲劳试验结果

通过表6的数据可以得出，铺装结构3、4 的疲劳性能略优于铺装结构1、2，这是由于DOA 的掺入降低了混合料的疲劳性能，但依然具有良好的组合结构抗疲劳耐久性。还可以进一步看出，在疲劳次数超过100 万次时，铺装结构3、4 出现的裂缝较短。4 种铺装结构的破坏面主要在铺装层与防水黏结层之间，出现了层间脱层破坏，这表明防水黏结层仍然是铺装结构“GA+SMA”的薄弱之处。

2.6 DOA/SBS 复合改性沥青经济性分析

基质沥青和DOA 的市场价格分别约为3 300 元/t 和2 000 元/t，SBS 的市场价格约为15 000 元/t，通过简单计算可知，DOA/SBS 复合改性沥青的成本在3 500～3 600 元/t 左右，相比传统的GA 用聚合物复合改性沥青和SMA用高弹沥青，其成本明显降低。因此，DOA 的掺入能有效降低原材料成本，经济效益明显，并提高生产效率。