接枝型改性沥青在杭州湾跨海大桥的应用研究

2023-11-08洪峰汤薇孔德玉杨林江

新型建筑材料 2023年10期

洪峰，汤薇，孔德玉，杨林江

（1.绍兴职业技术学院，浙江绍兴 312000；2.浙江工业大学，浙江杭州 310014；3.兰亭工程技术研究院，浙江绍兴 312000）

0 引言

随着车流量的急增，工程材料的性能提升迫在眉睫。高强、轻质、耐久、环保、可循环降解是当今材料发展的主要方向。杭州湾跨海大桥全长36 km，由于跨海大桥长时间暴露于日照之下，所受紫外线辐射较高。同时海洋环境下，海水富含的盐分与氯离子对于桥面具有一定的侵蚀作用，日常维修也较为困难。以往研究表明[1-2]，由于大桥上车辆荷载的反复作用以及长期遭受氧气、雨水等气候变化的共同作用，路面通常储存水分而导致通过沥青面层中的孔隙不断对混合料进行冲刷与剥离，造成沥青路面发生老化。考虑到以上因素，如何提高桥面主要原材料即石料粘结剂——沥青的内聚力是研究的主要任务。

传统改性沥青胶结料的粘接力、力学流变性能相对较差[3]，因此制备的沥青混合料路用性能耐久性较差[4]。本研究针对杭州湾跨海大桥桥面沥青混合料的高耐久性需求，开发一种复合接枝改性剂，对沥青进行接枝改性，同时对接枝型改性沥青的运动黏度、低温抗裂性与老化性能进行测试。

1 试验

1.1 主要原材料

（1）基质沥青：70#重交沥青，分别采用中油牌，软化点46.3 ℃；中海牌，软化点46 ℃；进口科威特牌，软化点45.6 ℃；复配基质沥青，软化点46.2 ℃；克拉玛依牌，软化点46.1 ℃；韩国进口SK 牌，软化点45.2 ℃；进口埃索牌，软化点46 ℃；台湾CPC 牌，软化点46.0 ℃。

（2）聚乙烯蜡：白色，片状，相对分子质量1000~4000，熔点95 ℃左右。

（3）RRM 再生剂：主要成分为二硫化二烯丙基（DADS）及环状一硫化物、多硫化物、各种二硫化物以及砜类化合物等。

（4）聚合稳定剂：DOWFAX，陶氏化学。

（5）SBS 改性沥青：I-D 级，软化点85 ℃，5 ℃延伸度25 cm；接枝反应剂（TW-1）：自制；高温分散偶联剂（TW-2）：有机硅类。

（6）抗紫外线吸收剂：UV-32，白色粉末状，南京华立明。

（7）集料：粗集料，粒径分别为5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm 石灰岩；机制砂，粒径0～3 mm。

1.2 主要设备仪器

SBS 改性沥青胶体磨：LT03-01，兰亭工程技术研究院生产；沥青动力黏度试验器（真空减压毛细管法）：上海土工实验仪器有限公司生产；基质沥青四组分分析仪：SYD-0618，上虞建科仪器有限公司生产。

1.3 接枝型SBS 改性沥青的制备

将接枝反应剂（TW-1）与高温分散偶联剂（TW-2）按一定比例混合，制得抗紫外线吸收剂，将聚乙烯蜡升温至130℃左右，然后加入2%RRM 再生剂及0.3%聚合稳定剂、0.3%~0.5%抗紫外线吸收剂，即制得接枝剂（LTTW-1）。

根据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中沥青混合料配合比试验方法，以石灰岩集料、玄武岩集料和石灰岩矿粉配制沥青混合料（SMA-13 型）。同时利用接枝剂（LTTW-1）、SBS 改性剂对70#复配基质沥青（简称基质沥青）进行改性。将基质沥青升温至170 ℃，同时加入制备好的LTTW-1（基质沥青质量的0.05%）及SBS 改性剂（基质沥青质量的4.5%），以3000 r/min、170~175 ℃剪切5 min，继续以1000 r/min 搅拌180 min，制得接枝型SBS 改性沥青。

1.4 测试与表征

所有测试方法及检测依据JTG F40—2004、JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》。

荧光显微镜分析：将沥青加热至流动状态，在载玻片上滴加少量沥青，使之形成薄膜，并采用日本OLYMPUS BX51 型荧光显微镜（FM）观察沥青的微观结构。

动力黏度分析：采用毛细管法，在控制真空度和温度的情况下，测试一定体积的液体流过毛细管所需的时间。

低温抗裂性能：在5 ℃下，采用延度仪测试，将沥青试样制成8 字形标准试模，在规定的拉伸速度（5 cm/min）下拉断时延伸长度用以表征低温抗裂性能。

老化性能分析：通过低温吸氧试验测试沥青及其组分的吸氧性能和动力学，以此表征沥青的老化性能。

2 结果与分析

2.1 接枝型SBS 改性沥青

2.1.1 重交沥青化学组分分析

沥青在空气中长时间暴露，易吸收紫外线而失去黏弹性，即所谓的空气老化[5]。不同品牌70#重交沥青化学组成及相容稳定性与反应活性见表1。

表1 不同品牌70#重交沥青化学组成及相容稳定性与反应活性

由表1 可见，单一沥青均不能很好地满足接枝反应条件。应考虑沥青四组分活性联合应用，合理控制与分配四组份含量是接枝反应的基础。利用多种基质沥青复配复合基质沥青，其复配方法为，采用沥青四组分分析仪检测各种沥青的组分比例，复配芳香分高，沥青质与饱和分比例低的复合沥青，以达到满足接枝反应沥青中活性键比例。

2.1.2 接枝型SBS 改性沥青荧光分析

利用荧光显微镜分析，观察170 ℃掺入LTTW-1 与不掺入LTTW-1 沥青在反应30 min 过程取样分析荧光400 倍的微观状态，如图1 所示。

图1 SBS 改性沥青荧光分析照片

由图1 可以看出，基质沥青中SBS 为连续相，但尚未形成网络结构；而加入LTTW-1 的改性沥青SBS 网络结构已基本形成。这表明在高针入度沥青中，SBS 易于溶解分散，LTTW-1 接枝剂的加入可以形成完善的网络结构，其空间网络结构大大提高了接枝型改性沥青与石料间的内聚力。

2.2 LTTW-1 对沥青动力黏度的影响

60 ℃动力黏度与沥青的分子结构和组成密切相关，它不仅是沥青流动能力的物理参数，而且是评价沥青材料高温稳定性的关键性指标。以往研究表明[6-7]，利用高分子材料增大改性沥青60 ℃动力黏度（分子间内聚力）的同时，易导致135℃运动黏度即施工黏度增大。这导致拌合均匀性与施工和易性受影响，需要提高施工拌合温度与摊铺温度来保证混凝土的和易性，增加能耗。LTTW-1 型改性接枝剂的加入可以克服60 ℃动力黏度与135 ℃运动黏度相矛盾的难题。利用动力黏度分析，在不同反应时间（从加入LTTW-1 开始计时）下接枝型改性沥青在60 ℃下动力黏度和135 ℃下运动黏度状态，结果如图2 所示。

图2 LTTW-1 对改性沥青60 ℃动力黏度与135 ℃运动黏度的影响

由图2 可以看出，随着反应时间的延长，接枝型改性沥青60 ℃动力黏度呈增大的趋势，而135 ℃运动黏度则逐步减小。当反应时间小于1.0 h 时，60 ℃动力黏度增长较为缓慢。随着反应时间的延长，其动力黏度迅速增大。2.5 h 时，60 ℃动力黏度最大，为92 100 Pa·s。对于135 ℃运动黏度，当反应时间小于2.0 h 时，沥青的动力黏度迅速减小，2.5 h 时动力黏度趋于稳定。这表明LTTW-1 型改性接枝剂的加入可以克服60 ℃动力黏度与135 ℃运动黏度相矛盾的难题，使得内聚力黏度增大的同时拌合黏度减小。LTTW-1 型改性接枝剂在拌合时有效改善沥青对集料的浸润速率，同时提高改性沥青在石料表面的黏聚力和覆盖率。

2.3 LTTW-1 对沥青低温抗裂性能的影响

沥青混合料的低温抗裂性能是沥青混合料使用中最为关键的性能之一，是导致沥青路面在低温收缩时出现裂缝的主要原因。以往的研究表明[8-9]，沥青路面的低温开裂有2 种形式：一种是温度急剧变化导致面层温度收缩，从而导致约束的沥青层内部产生的温度应力超过其抗拉强度，使压实的沥青混合料开裂；另一种原因则是在常温条件下，沥青混合料的劲度较低，在气温下降时其应变能力急剧降低，导致材料的劲度模量急剧增大，超过了开裂的极限劲度，从而导致材料开裂。因此，对于沥青混合料，在低温条件下达到高的强度、高抗变形能力和较强的应力松弛能力，是具有较好低温抗裂性能的基础。图3 为LTTW-1 对改性沥青低温延度的影响。图4、图5 分别为反应30 min 后每隔30 min 测试SBS 改性沥青及接枝型SBS 改性沥青的延度、动力黏度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量的关系曲线。

图3 LTTW-1 对改性沥青低温延度的影响

图4 改性沥青低温延度与动力黏度的关系

图5 改性沥青60 ℃动力黏度与最大弯拉应变、弯曲劲度模量的关系

由图3 可以看出，LTTW-1 加入后1.0 h 内，接枝型改性沥青低温延度快速增大，随着反应时间的进一步延长，其低温延度增幅逐渐减小。在低温状态下，改性沥青具有良好的柔韧性，5 ℃延度达到38 cm，这印证了材料具有优异的耐低温性能。

由图4、图5 可以看出，随着低温延度的增大，60 ℃动力黏度增大，两者之间具有较好的相关性。随着动力黏度的增大，改性沥青的最大弯拉应变与弯曲劲度模量增大，成正比关系。

2.4 LTTW-1 对改性沥青耐久性能的影响

国产石油沥青在使用中大多存在早期开裂和早期老化等问题。石油沥青的耐久性能是研究关注的重点。其中，抗老化性能是影响路面寿命的主要因素之一。以往研究表明[10-13]，沥青吸收空气中氧发生氧化反应是引起沥青老化变质的主要原因。图6 为LTTW-1 对改性沥青抗老化性能的影响。

图6 LTTW-1 对改性沥青抗老化性能的影响

由图6 可以看出，与常规SBS 改性高黏沥青相比，加入LTTW-1 的接枝型改性沥青吸氧量明显降低，老化时间为85 min 时，较常规SBS 改性高黏沥青相比降低了78.2%。这表明接枝剂LTTW-1 中的抗紫外线吸收剂可有效减缓改性沥青的吸氧速度，防止沥青吸收氧而加速老化。其吸入少量的氧气后改性沥青中的不饱和分在接枝剂LTTW-1 中微量交联剂的作用下发生聚合反应。

由试验得知，SBS 改性沥青的平均抗剪强度为0.487 MPa，接枝型改性沥青的抗剪强度为1.319 MPa，与SBS 改性沥青相比提高了170%。此外，SBS 改性沥青的高温软化点通常在60 ℃左右，而加入LTTW-1 的接枝型改性沥青其高温软化点大于80 ℃。超强的抗高温能力可以提高路面的耐久性能，在（70±1）℃，（0.7±0.05）MPa 条件下进行动稳定度试验，结果如表2 所示。

表2 接枝型改性沥青混合料的动稳定度

由表2 可以看出，试验条件温度提高10 ℃，高温条件下内聚力大幅度提高，路面抗车辙能力提升显著。这表明LTTW-1 接枝剂明显提升路面抗老化性能、抗剪切性能与抗车辙能力，对于沥青的耐久性能具有良好的改善作用。

2.5 接枝改性沥青在杭州湾跨海大桥的应用

为了满足杭州湾跨海大桥铺装层的设计要求，采用LTTW-1 接枝剂改性沥青。杭州湾跨海大桥沥青原设计指标与实际工程指标对比如表3 所示。

表3 杭州湾大桥沥青原设计指标与实际工程指标对比

由表3 可以看出，LTTW-1 接枝型改性沥青的粘结度与耐久性能显著提高。LTTW-1 接枝型改性沥青60 ℃动力黏度与技术要求相比提高了173%。此外，其软化点、5 ℃延度、135℃运动黏度与RTFOT 后残留延度均能够满足实际供应的技术要求。LTTW-1 接枝型改性沥青在杭州湾跨海大桥中得以成功应用，实践表明，其具有优良的抗车辙、抗水害和抗裂性能。