沥青黏结性影响因素研究

2024-04-28吴涛

北方交通 2024年3期

吴涛

(辽阳市交通运输事务服务中心辽阳市 111000)

0 引言

水损害是常见的沥青路面病害形式之一,各级公路均有发生,在低等级公路尤为常见[1-2]。行车荷载的反复作用会导致路面脱粒形成坑槽,同时引起其他路面病害。造成沥青路面水损害的因素较多,沥青黏结性是主要影响因素之一[3-4]。目前评价沥青黏结性的方法主要是沥青黏韧性试验[5-6]。姚鸿儒等通过黏韧性试验发现高黏度沥青的黏韧性与SBS改性沥青掺量的相关性较弱,而沥青质含量增大会导致沥青黏韧性下降[7]。刘克非等通过开展不同老化程度的基质沥青及SBS改性沥青抗水损害性能对比分析,发现沥青老化过程极大地降低了基质沥青的抗水分侵蚀能力,同时也会降低SBS改性沥青的抗水损能力[8]。现有研究主要集中在沥青混合料抗水损害宏观力学性能方面,对于沥青黏韧性影响因素的研究以及对比分析沥青黏韧性与其混合料抗水损害指标的相关研究较少。文章主要通过不同温度条件下的黏韧性试验,探究不同老化程度、不同改性剂种类及掺量对沥青黏韧性的影响,并通过混合料水稳定性试验进行验证,为沥青黏韧性指标的工程应用提供技术支持。

1 试验设计

1.1 原材料

选用盘锦北方沥青燃料有限公司生产的辽河90#基质沥青(后简称“基质沥青”),基质沥青基本指标符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)要求;选用中国石化北京燕山石化股份有限公司生产的SBS改性剂,牌号4303,分子结构为星型;选用山东显元化工科技有限公司生产的SBR改性剂,牌号1502。

1.2 样品制备

采用基质沥青制备不同种类及掺量的改性沥青,改性剂掺量分别为3%和5%(占基质沥青质量百分比,下同),确定4种试验样品及编号分别为基质沥青(Y1)、基质沥青+5%SBS(Y2)、基质沥青+3%SBR(Y3)、基质沥青+5%SBR(Y4)。改性沥青具体制备工艺如下:

(1)将5%SBS改性剂加入到150℃的基质沥青中,通过剪切机以4500～5500r/min的速率剪切,同时保持温度在165～175℃,剪切60min后在170℃烘箱中发育2h即可制得5%SBS改性沥青。

(2)将SBR改性剂加入到150℃基质沥青中,掺加量分别为3%和5%。通过剪切机以4500～5500r/min的速率剪切,同时保持温度在160～170℃,剪切60min后制得3%SBR和5%SBR改性沥青。

(3)将4种原样沥青放入163℃的薄膜烘箱(TFOT)中短期老化5h,得到的样品编号为L1、L2、L3、L4。

1.3 配合比设计

采用表1所示AC-20级配。为确保良好的高温稳定性能,级配曲线应呈现平坦的“S”型。通过马歇尔试验确定基质沥青及SBS改性沥青混合料的最佳油石比为4.6%。为便于比较,其他种类沥青混合料的最佳油石比均为4.6%。

表1 AC-20级配设计

1.4 试验方法

应用原样和短期老化后的沥青进行黏韧性试验,并制备沥青混合料用于冻融劈裂试验。黏韧性试验每种样品进行3次平行试验,试验温度分别为15℃、20℃、25℃和30℃。根据试验结果可直接得到沥青黏韧性To、韧性Te和沥青黏性Ta,计算方法见式1。

Ta=To-Te

(1)

沥青混合料冻融劈裂试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)规定进行,得到冻融劈裂试验残留强度比指标,残留强度比越大,沥青混合料的抗水损害能力越强。

2 结果分析

2.1 原样沥青黏韧性影响因素分析

不同温度条件下原样沥青的黏韧性、韧性、黏性试验结果见表2和图1。

图1 原样沥青黏韧性随温度的降幅

由表2可知,4种原样沥青的黏韧性存在明显差异,各温度条件下黏韧性大小排序为:Y2>Y4>Y3>Y1。沥青黏韧性随着温度的升高明显降低,其中Y1降幅最为明显,高达83.68%,Y3和Y4的降幅分别为83.01%和81.05%,Y2降幅最小,仅有45.99%。可见在各温度条件下,SBS改性剂可明显提高沥青的黏韧性,而SBR改性剂在25℃以上时与基质沥青的黏韧性差距缩小。原因在于SBR改性剂是通过丁二烯与苯乙烯合成的无规共聚物,其低温性能和高温性能均优于基质沥青,导致其在温度超过25℃时黏韧性快速下降;而SBS改性剂是通过聚苯乙烯与聚丁二烯合成的嵌段共聚物,其中聚苯乙烯段由于玻璃化转变温度高(约80℃),高温性能优异,故SBS改性沥青的黏韧性随温度升高的降幅最小。在15℃条件下,由于内部热运动能力下降,基质沥青变形能力降低,样品Y1直接断裂,未获得数据。SBR改性剂和SBS改性剂均包含丁二烯组分,玻璃化转变温度低(-60～-70℃),可有效增强沥青的低温变形能力,使沥青具有良好的黏韧性。

4种原样沥青的韧性变化趋势与黏韧性变化趋势区别明显,各温度条件下黏韧性的大小排序为:Y4>Y3>Y1>Y2。其中Y2黏韧性最小,原因在于SBS在结构上属于嵌段共聚物,包含明显的硬段(聚苯乙烯),导致材料强度高、韧性差,而SBR改性剂属于无规共聚物,无明显的硬段,因此SBR改性沥青的韧性远高于SBS改性沥青,详见图2。

图2 原样沥青黏性随温度的降幅

4种原样沥青黏性的变化趋势与黏韧性相似,各温度条件下黏性大小排序为:Y2>Y4>Y3>Y1。沥青黏性随着温度的升高明显降低,其中Y1的降幅最为明显,高达94%,其次是Y3和Y4,降幅分别为90.27%和87.58%,Y2的降幅最小,仅有45.22%。原因在于SBS改性剂中聚苯乙烯的高温性能优异,而基质沥青随着温度升高,黏性下降明显,不利于沥青与石料的黏结。

根据以上分析可知,随着温度升高,不同种类沥青的黏韧性均降低,这表明高温会降低沥青与石料的黏结性,对沥青路面抗水损害产生不利影响。改性剂是提高沥青黏韧性的主要方式,其中热塑性弹性体类改性剂SBS由于兼具较好的高低温性能,黏韧性最佳;橡胶类改性剂SBR对基质沥青黏韧性的改善程度随温度升高而大幅降低。此外,加大改性剂掺量有助于提高沥青黏韧性,但效果有限。

2.2 短期老化后的沥青黏韧性影响因素分析

不同温度条件下,短期老化后沥青的黏韧性、韧性、黏性试验结果见表3。

表3 短期老化后沥青试验结果

根据表3可知,短期老化后沥青黏韧性、韧性及黏性的变化趋势与原样沥青基本一致,且数值均高于原样沥青。这表明老化作用可增强沥青黏韧性[9],即由于沥青老化后的轻组分(饱和酚与芳香酚)逐步转变为胶质和沥青质,胶质赋予沥青塑性和黏结性,沥青质则决定了沥青的硬度。可见随着老化程度加深,沥青中的胶质与沥青质含量逐步提高,导致沥青黏韧性相较于原样沥青普遍提高。但与此同时,老化也会导致沥青硬化,降低沥青与石料的黏韧性,因此单独采用黏韧性试验指标评价老化后沥青的黏韧性准确度不高,需要通过沥青混合料抗水损害试验予以验证。