长期服役沥青路面中SBS改性剂的定性分析

2022-07-13王婷宇贺陶安

湖南交通科技 2022年2期

刘旭，王婷宇，贺陶安

(1.湖南省醴潭高速公路建设开发有限公司，湖南株洲 412000； 2.湖南省高速公路集团有限公司，湖南长沙 410003)

0 引言

沥青原材料的性能直接影响着沥青路面的路用性能，对路面质量的好坏起到至关重要的作用。SBS改性沥青具有良好的高温稳定性、低温抗裂性、黏附性和耐疲劳性，一定程度上保证了沥青路面的性能[1]。改性沥青中改性剂的掺量与加工质量是保证改性沥青质量和路面耐久性的关键所在。SBS改性剂的价格相对昂贵，导致某些沥青供应商或施工单位降低改性剂掺量，甚至以普通沥青代替SBS改性沥青用于工程中。对SBS改性沥青的质量如何进行有效监管一直是业主单位、施工单位以及监管部门所关注的问题。

目前，关于SBS改性沥青的研究主要集中于SBS改性剂与沥青的相容性和稳定性的改善[2-4]，SBS改性沥青及老化沥青的流变性能、混合料性能和SBS改性沥青机理研究[5-7]，以及SBS改性沥青中SBS含量的定量分析[8-9]，缺乏对已经用于公路工程的沥青进行质量检测评价的手段，无法对实际使用的沥青进行质量鉴别，因此，急需为业主、施工、监理单位提供一种有效定性分析方法，来判断施工后甚至服役后的沥青路面是否含有SBS改性剂。

本文通过对长期服役沥青路面中SBS改性剂的定性分析，为沥青路面中SBS改性剂的定性检测提供借鉴。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

某二级公路沥青上面层为AC-13C沥青混合料，其服役时间为约5 a。为了分析其中某一段沥青路面上面层是否含SBS改性剂，取该二级公路其他已知SBS改性沥青路段进行取样对比试验。选取硬路肩中具有代表性、未修补过的路段钻孔取芯和切割取板，将取好的试样在室内采用高精度切割机去掉下面层沥青混合料。图1为未知沥青路段上面层取样(以下简称“未知沥青”)，图2为SBS改性沥青路段上面层取样(以下简称“改性沥青”)。

图1 未知沥青路段取样

图2 改性沥青路段取样

分别对2种沥青混合料抽提回收的沥青进行红外光谱和动态剪切流变分析，将2种沥青混合料取样、切割后进行力学性能试验。

1.2 试验方法

1) 沥青抽提回收。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)阿布森法从沥青混合料中回收沥青。

2)红外光谱FTIR分析。采用TENSOR27傅立叶变换红外光谱仪对2种沥青混合料回收的沥青进行化学结构分析。制样时将回收沥青涂于溴化钾薄片上,对样品进行4000～400 cm-1扫描。

3)动态剪切流变DSR分析。利用MCR102型动态剪切流变仪测试回收沥青在不同温度下的复数剪切模量G*和相位角δ，分析沥青的流变性能。试验采用应变控制模式，应变值为1%，试验频率为10 rad/s，试样直径25 mm、厚度1 mm。

4)力学性能分析。利用UTM-100动态伺服液压材料试验系统对2种沥青混合料进行间接拉伸强度、低温弯曲试验和间接拉伸回弹模量试验。间接拉伸强度、低温弯曲试验按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行测定，间接拉伸回弹模量按AASHTO TP31进行，试验温度为40 ℃，试验频率为1 Hz。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱FTIR分析

图3为2种沥青的红外光谱，由图3可以明显看出，2种回收沥青最大的3个吸收峰均出现在2924、2853、1460cm-1附近，同时在1377、1600cm-1附近也观测到比较明显的吸收峰。这些峰为-CH2、-CH3和苯环C-C骨架伸缩、振动所形成，表明老化后的沥青其主要成分为饱和长链烷烃、芳香族和带长链的碳氢化合物。1030cm-1处是亚砜基的伸缩振动峰，是沥青老化过程中由含硫化合物的氧化而形成。

图3 2种沥青的红外光谱

改性沥青除了上述所列的吸收峰外，在699cm-1与966cm-12个波数处还出现了特征峰。966cm-1表示丁二烯嵌段的-C=C-弯曲振动吸收峰，显示了丁二烯基团的存在；699cm-1表示聚苯乙烯嵌段中苯环的-C-H弯曲振动峰，是由聚苯乙烯的存在引起的[10]。改性沥青的这2个特征峰与SBS改性剂的红外光谱特征峰相吻合，这说明改性沥青路面上面层AC-13沥青混合料确实含SBS改性剂。未知沥青样品无699cm-1与966cm-1两个特征峰，初步判定未知沥青样品中无SBS改性剂。

2.2 动态剪切流变DSR分析

2种回收沥青的温度扫描结果如图4所示。从图4可以看出，2种沥青的复数模量均随温度提高而降低，同时其相位角也随温度的升高而增加。在相同温度条件下，未知沥青样品的复数模量均低于改性沥青，其复数模量是改性沥青的40.0%～53.8%。比如46 ℃时，改性沥青的复数模量为155.99 kPa，而未知沥青的复数模量为82.39 kPa，未知沥青样品的复数模量是改性沥青的52.8%。相反的，在试验温度范围内，未知沥青样品的相位角均大于同温度条件下的改性沥青相位角，而且温度越高越明显。温度从46 ℃增加到76 ℃时，未知沥青的相位角从64.5°增加到79.5°，而改性沥青的相位角从61.7°增加到73.1°。已有研究表明，可以利用普通沥青和改性沥青温度扫描得到的相位角来说明改性沥青与普通沥青的黏弹比例上的差异[11]，从图4中2种沥青的温度扫描结果可以看出未知沥青的复数模量和相位角变化符合普通沥青的流变特性。

图4 2种沥青的温度扫描结果

图5表示2种沥青的车辙因子随温度的变化，由图可以看出，2种沥青的车辙因子均随温度的增加而降低。车辙因子代表沥青胶结料的高温性质，车辙因子越大，说明其抗高温流动性能越好。从图5可以发现，在46 ℃～76 ℃温度范围内，SBS改性沥青车辙因子是未知沥青的1.90～2.56倍，比如76 ℃时，改性沥青样品的车辙因子为4.08 kPa，而未知沥青的车辙因子为1.59 kPa，SBS改性沥青样品的车辙因子是普通沥青的2.56倍，说明在46℃～76 ℃温度范围内，未知沥青的温度稳定性和抵抗高温变形要明显低于改性沥青。

图5 2种沥青的车辙因子

2.3 力学性能分析

间接拉伸强度试验可以很好地评价沥青混合料的拉伸性能，与沥青路面的低温抗裂性能、疲劳性能和车辙性能具有很好的相关性，间接拉伸强度越大，沥青混合料的黏聚能力越强度，沥青混合料的抗开裂性能越强[12-13]。表1为2种沥青混合料物理力学性能指标汇总。从表1可以看出，改性沥青路面芯样在25 ℃的间接拉伸强度为1.97 MPa，未知沥青路段芯样间接拉伸强度为1.58 MPa。说明服役沥青路面在25 ℃温度条件下，未知沥青路面的抗裂性能明显低于改性沥青路段。一般而言，沥青混合料低温破坏时的最大弯拉应变越大，则其低温抗裂性能越好。由表1中知，未知沥青路面混合料的-10 ℃破坏弯拉应变比改性沥青路段混合料低25.4%，说明未知沥青路面低温抗裂性能低于改性沥青路段。一般来说，较高的回弹模量表明材料具有更大的抗变形能力。试验结果还表明，未知沥青混合料的间接拉伸回弹模量为4050MPa，低于改性沥青混合料的5741MPa，这表明未知沥青混合料的抗变形能力比改性沥青混合料差。