SBS高黏改性沥青在大孔隙混合料中的应用性能研究

2022-10-22巫星德龙世煜苏兴康熊明博

西部交通科技 2022年7期

巫星德，龙世煜，苏兴康，熊明博

(广西路桥工程集团有限公司，广西南宁 530011)

0 引言

随着国家经济社会的快速发展，截至2020年年底，我国公路总里程已达519.81万km，公路养护里程也达514.40万km[1]。其中，我国高等级公路中沥青路面约占90%[2]，大孔隙透水式沥青路面因具有排水、抗滑和降噪等特殊性能而备受关注[3]。但是透水式沥青路面丰富的孔隙结构和集料颗粒间有限的接触面积导致沥青混合料的抗疲劳性能、抗裂性能以及水稳定性能较差[4]。

根据当前的研究结果，只有当沥青60 ℃动力黏度超过20 000 Pa·s时，才能更好地保证沥青与集料间的粘结强度，从而使混合料具备良好的结构强度和耐久性[5-6]。由于SBS复合改性沥青的黏度、PG高温等级等性能最为突出[7-10]，业内学者对其研究也最为广泛。郝培文等[11]研发了一种SBS复合改性高黏度沥青，试验结果表明，该高黏度沥青与集料的粘结强度高，高、低温性能优越，但对施工要求较苛刻。朱平[12]进行了SBS、胶粉和萜烯树脂复合改性，但未添加相容剂与稳定剂，导致改性沥青稳定性能较差。冯新军等[13]研究了TS高黏度改性沥青排水路面的性能，结果表明其低温抗裂性能较差，仅适用于我国南方地区。胡志梅[14]研究认为壳牌SAEM高黏剂能取代约30%的沥青胶结料，得到的改性沥青混合料的强度和抗车辙变形的能力明显提高，但由于高黏剂添加量大，其储存稳定差。基于以上研究成果，本研究拟自主研制一种性能优越且储存性良好的SBS高黏改性沥青以期解决大孔隙透水式沥青路面存在的强度和耐久性差等问题，并为透水式沥青路面的发展提供可靠的技术基础。

1 主要原材料

1.1 基质沥青

基质沥青作为高黏沥青的主要组成材料，其质量对改性沥青的性能具有较大影响。本文采用的基质沥青为壳牌70#沥青，主要技术指标如表1所示。

表1 基质沥青的技术指标表

1.2 SBS

SBS作为改性沥青的核心组成材料，是提升改性沥青黏度和高温抗变形能力的主要因素，其具体技术指标如表2所示。

表2 SBS技术指标表

1.3 高黏剂

高黏剂采用的是树脂高黏沥青改性剂，其主要的技术指标如表3所示。

表3 高黏剂的技术指标表

2 SBS高黏改性沥青制备

根据本次主要的原材料种类，应用三因素三水平正交试验确定材料组成，掺量均采用内掺，在180 ℃下以500 r/min的速度剪切30 min，采用60 ℃动力黏度为控制指标。由于SBS的掺量严重影响材料的经济性，所以取SBS掺量为4.5%、5.5%、6.5%；高黏剂则采用厂家推荐的9%±1%进行掺配；增溶剂掺量采用1.5%、2%、2.5%。相关试验安排如表4所示。

表4 试验安排以及试验结果表

表5 极差分析表(Pa·s)

由表5可知，在所列出的9组试验配方中，由各因素的K1、K2、K3差异分别反映3个水平的好坏，因而得知因素A、B在K3的黏度最高，水平最好；因素C的K1最好。试验结果表明，A、B两个因素对于改性沥青的60 ℃动力黏度起促进作用，C因素对改性沥青的60 ℃动力黏度起抑制作用。由极差得出KB>KA>KC，表明因素B的影响最大，其对冷拌沥青的60 ℃动力黏度起决定性作用。由因子影响程度，得出A3B3C1组合的黏度最佳，但是鉴于SBS掺量为6.5%，改性沥青的180 ℃布氏黏度太高，导致混合料拌和、成型困难，而且A3B3C1与A2B3C1的60 ℃动力黏度相差不大，为节约成本，故以A2B3C1作为最优配方，即5.5%SBS+10%高黏剂+1.5%的增溶剂+83%基质沥青。

3 沥青性能研究

3.1 基本性能

本研究的SBS高黏改性沥青作为一种新型的道路材料，其性能是材料能否广泛应用于道路上的决定性因素。

表6 SBS高黏改性沥青的基本性能测试结果表

试验表明，自研的SBS高黏改性沥青各项指标优良，均能满足相关技术要求。

3.2 高温性能

沥青作为一种典型的粘弹性材料，气候条件和荷载对其性能会产生大幅度影响，从而进一步对沥青路面的高温性能产生较大的影响。美国公路战略研究计划(SHARP)综合研究温度和荷载对高温性能的影响因素后，建议使用动态剪切流变试验对沥青高温流变性能进行评价[15]，其试验结果如图1所示。

图1 动态剪切流变试验结果对比曲线图

由图1可知，对比相同温度条件下的70#基质沥青与SBS高黏改性沥青试验结果可知，SBS高黏改性沥青复数剪切模量明显大于基质沥青，这主要是因为改性沥青黏度大，高温环境下抵抗外界变形能力比基质沥青强。在相同温度下，SBS高黏改性沥青的相位角小于基质沥青相位角，这表明SBS高黏改性沥青具有更高的沥青弹性。SBS高黏改性沥青老化前后的车辙因子(G*/sinδ)变化量明显小于基质沥青。

3.3 低温性能

低温抗裂性能是混合料常测项之一，故本节以蠕变劲度模量(S)和蠕变速率(m)作为评价指标进行弯曲梁流变试验。小梁在低温荷载作用60 s时，其蠕变劲度模量S≤300 MPa，蠕变速率m≥0.30时，所测沥青材料适用的温度范围不得低于所测温度以下6 ℃[16]。

图2 弯曲梁流变试验结果对比曲线图

由图2可知，随着温度逐渐降低，蠕变劲度模量S逐渐变大，蠕变速率m逐渐将小，这一现象符合低温条件下沥青流变与应力松弛变化规律。在相同温度条件下，SBS高黏改性沥青低温抗裂性比基质沥青优良，且SBS高黏改性沥青在-18 ℃时仍能满足技术要求。其主要原因是：高黏改性沥青属于物理混合，SBS的低温延展性未受到影响，其与基质沥青形成网状结构，分子间作用力增大。

3.4 粘附性

SBS高黏改性沥青作为透水式沥青路面的粘结材料，与集料的粘附性严重影响路面的水稳定性以及抗飞散性能。本试验中根据所用级配的最大粒径，选取粗集料的粒径近似于立方体且粒径为9.5～13.2 mm。试验后，集料表面没有任何脱落，表明SBS高黏改性沥青与集料的粘附性良好，评为5级。

3.5 储存稳定性

将SBS高黏改性沥青剪切完成后静置7 d，在容器的顶层与底层各随机选取1 mL的SBS改性沥青进行电子显微镜观测试验，结果如图3、图4所示。

(a)容器底部

(b)容器顶部图3 电镜放大400倍示例图

(a)容器底部

(b)容器顶部图4 电镜放大800倍示例图

由图3～4的SBS高黏改性沥青光学显微镜图可知，SBS高黏改性沥青的重质部分均匀分布于轻质物质当中，表明自研SBS高黏改性沥青储存稳定性较好。其主要原因是：添加的增溶剂属于两性材料，充当基质沥青与SBS的桥梁，大幅度减少了改性沥青的离析。

4 SBS高黏改性沥青大孔隙混合料路用性能研究

大孔隙混合料要求沥青胶结料必须满足良好的高、低温以及水稳定性能，而基质沥青和一般的改性沥青难以达到相应要求[17]。所以，研制出满足大孔隙混合料性能要求的沥青是推广大孔隙混合料路面应用的关键。本研究采用SBS高黏改性沥青、普通SBS改性沥青以及70#基质沥青作为胶结料，分别进行大孔隙混合料的基本性能研究。自研SBS高黏改性沥青以500 r/min的速度在180 ℃环境下剪切30 min后备用。大孔隙混合料级配采用广西使用广泛的PAC-13[18]。为防止热老化，拌和温度定为185 ℃，集料加热温度为200 ℃，拌和总时间为3 min。

4.1 混合料配合比设计

根据PAC路面级配特点，按目标配合比及筛分结果，先确定各档料的比例合成级配曲线如图5所示。

图5 PAC-13级配曲线图

采用SBS高黏改性沥青、普通SBS改性沥青以及70#基质沥青作为胶结料，分别对PAC-13沥青混合料进行马歇尔试验及各项物理性能测试。参考国内外大孔隙混合料常用的孔隙率为18%～25%，兼顾材料的耐久性以及排水性能，成型试件的孔隙率按照20.5%控制，得到如表7所示的试验结果。

表7 PAC-13级配设计试验结果表

由表7可知，油石比为4.8%时，三种沥青的混合料空隙率与目标配合比空隙率(20.5%)的差值都不超过±1%，且稳定度最高，飞散指标较低，取最佳油石比为4.8%进行混合料性能比对试验研究。

4.2 水稳定性试验

由于水稳定性是决定大孔隙混合料耐久性的最主要性能之一，所以对三种不同沥青的PAC-13大孔隙混合料进行残留稳定度试验，以残留稳定度评价其水稳定性，试验结果如表8所示。

表8 三种PAC-13大孔隙混合料浸水马歇尔试验结果表

由表8可知，SBS高黏改性沥青的PAC-13排水沥青混合料残留稳定度高达99.3%，较其他两种沥青混合料水稳定性能更优越，其主要原因在于：(1)SBS高黏改性沥青与集料的粘附性优良，能减少沥青的剥落程度；(2)SBS高黏改性沥青添加了增溶剂，增强了沥青与集料的界面化学吸附作用，进而大幅度提升了沥青与集料的粘结强度。

4.3 高温稳定性试验

对自研SBS高黏改性沥青、普通SBS改性沥青以及70#基质沥青的PAC-13沥青混合料进行车辙试验，试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，试验温度条件为60 ℃±1 ℃。试验结果如表9所示。

由表9可知，SBS高黏改性沥青的PAC-13排水沥青混合料动稳定度高达9 545次/mm，其高温性能相比于普通SBS改性沥青和70#基质沥青更优越，其主要原因在于：添加高黏剂的SBS沥青稠度大，形成了较强的网状结构，沥青与集料的粘结强度大，60 ℃的动稳定度高，抗车辙性能好，与沥青的高温性能试验结果相对应。