顏展翔

(長(zhǎng)沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410007)

寬溫域改性瀝青基礎(chǔ)性能研究

顏展翔

(長(zhǎng)沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410007)

針對(duì)季凍區(qū)路面使用環(huán)境，為解決其低溫抗開(kāi)裂和高溫抗車(chē)轍能力之間的矛盾，以橡膠瀝青和SBS改性瀝青為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)不同材料組成及配比對(duì)改性瀝青配方進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究其高低溫性能，最終獲得典型寬溫域改性瀝青配方，這種改性瀝青能夠滿(mǎn)足高低溫性能均衡；在理論上闡述寬溫域改性瀝青形成機(jī)理；最后通過(guò)試驗(yàn)分析獲得寬溫域改性瀝青針入度、延度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)率等基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)。

改性瀝青； 寬溫域； 針入度； 延度； 軟化點(diǎn)； 彈性恢復(fù)率； 試驗(yàn)分析

0 引言

改性瀝青品種在一些特殊環(huán)境施工中具有優(yōu)勢(shì)，目前認(rèn)為高低溫綜合性能較好的改性瀝青品種有3種，分別是SBS改性瀝青、SBR改性瀝青和橡膠瀝青。它們的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，不足之處也無(wú)法避免：首先是SBS改性瀝青，由于SBS和瀝青無(wú)法有效相融，一旦儲(chǔ)存溫度過(guò)高時(shí)解離情況就會(huì)出現(xiàn)；其次為SBR改性瀝青，相對(duì)于SBS改性瀝青和橡膠瀝青承載能力相對(duì)較弱，無(wú)法保證強(qiáng)度安全儲(chǔ)備；最后為橡膠瀝青，由于低溫延度較小，因此低溫性能并不理想?；谝陨戏N種情況，研究出高低溫性能均衡的瀝青意義重大，故而本文將重點(diǎn)放在寬溫域改性瀝青方面，希望能夠解決這一問(wèn)題。

1 高低溫性能均衡的寬溫域改性瀝青研究

現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》關(guān)于公路工程常用的SBS改性瀝青、SBR改性瀝青、橡膠瀝青高低溫主要性能指標(biāo)要求如表1。

表1對(duì)比結(jié)果顯示，SBR改性瀝青優(yōu)勢(shì)在于其低溫性能，因此在寒區(qū)應(yīng)用效果較好，橡膠瀝青功能主要表現(xiàn)在高溫性能方面，在熱區(qū)能夠有效發(fā)揮作用，由此不難發(fā)現(xiàn)在高低溫性能方面三者都無(wú)法做到均衡，存在一定提升空間，實(shí)踐需要一種改良瀝青能夠同時(shí)兼具優(yōu)良高低溫性能，二者達(dá)到平衡，這也是本文研究方向。

表1 SBS、SBR、橡膠改性瀝青高低溫性能指標(biāo)規(guī)定

本文參照了橡膠瀝青和SBS改性瀝青的優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上將目光放在了寬溫域改性瀝青方面，希望能夠做到高低溫性能均衡，研究以我國(guó)季凍區(qū)氣候?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，參看其他改良瀝青技術(shù)指標(biāo)，設(shè)置寬溫域改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)，即5℃延度指標(biāo)超過(guò)60cm，軟化點(diǎn)TR&B指標(biāo)超過(guò)80℃，25℃彈性恢復(fù)指標(biāo)超過(guò)80%，針入度(25℃，100g,5s)指標(biāo)范圍為50～110(0.1mm)，設(shè)置由表2所示。

表2 擬定寬溫域改性瀝青基本性能指標(biāo)

研究材料主要為基質(zhì)瀝青、SBS、廢胎橡膠粉，在此基礎(chǔ)上加入添加劑，從而完成寬溫域改性瀝青。本研究所需要主要材料性能指標(biāo)由表3所示。

每種聚合物改性瀝青配比條件不同，本研究對(duì)4種瀝青進(jìn)行對(duì)比，它們分別為橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青、寬溫域改性瀝青。表4中顯示這4種不同聚合物改性瀝青材料配比情況。

經(jīng)試驗(yàn)并整理相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各聚合物改性瀝青實(shí)驗(yàn)樣品對(duì)應(yīng)測(cè)得的主要技術(shù)指標(biāo)結(jié)果如表5。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：

表3 本試驗(yàn)研究所采用的材料性能指標(biāo)規(guī)定值

表4 4類(lèi)聚合物改性瀝青材料配比情況表

表5 4類(lèi)聚合物樣品對(duì)應(yīng)測(cè)得的技術(shù)指標(biāo)

1) SBS改性瀝青與橡膠瀝青相比，高溫性能略好于后者，低溫性能沒(méi)有明顯差別；復(fù)合改性瀝青與SBS改性瀝青、橡膠瀝青相比，低溫性能優(yōu)勢(shì)明顯，但高溫性能要較二者為低。

2) 從高低溫性能方面進(jìn)行比較，橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青三者各占優(yōu)勢(shì)，但總體差別不大。

3) 寬溫域改性瀝青最明顯優(yōu)勢(shì)在于高低溫性能均衡，在這兩種情況下優(yōu)勢(shì)明確，尤其在低溫性能方面無(wú)可匹敵，從高溫性能指標(biāo)方面來(lái)看，其軟化點(diǎn)可達(dá)88℃已明顯說(shuō)明問(wèn)題，低溫性能指標(biāo)同樣突出，5℃延度最高可達(dá)70cm。

2 寬溫域改性瀝青的制作流程及機(jī)理分析

2.1 寬溫域改性瀝青的制作流程

1) 首先設(shè)定溫度范圍，在設(shè)計(jì)流程中選擇170～190℃，SBS和基質(zhì)瀝青需要符合要求，設(shè)定典型寬溫域改性瀝青比例，對(duì)上述已經(jīng)配備好的瀝青進(jìn)行剪切、攪拌、研磨，最終獲得SBS改性瀝青。

2) 廢舊輪胎橡膠粉是在常溫下獲得，通過(guò)機(jī)械粉碎方式最終成為SBS改性瀝青的改性劑，它是需要摻入SBS改性瀝青中發(fā)揮作用，操作需要在高溫環(huán)境下進(jìn)行，適宜溫度為180～200℃。需要充分拌合，只有與瀝青發(fā)生反應(yīng)后，才能最終形成新型寬溫域改性瀝青。

3) 寬溫域改性瀝青的獲得實(shí)質(zhì)經(jīng)歷2次過(guò)程，它是在改性瀝青的基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次改性。

2.2 寬溫域改性瀝青機(jī)理分析

1) 寬溫域改性瀝青的形成機(jī)理: 首先需要在高溫中使橡膠顆粒與SBS改性瀝青能夠充分混合而發(fā)生反應(yīng)，溫度條件為180～200℃，在這個(gè)溫度下橡膠粉顆粒發(fā)生變化，發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，使其向SBS改性瀝青擴(kuò)散，二者充分溶和。在這個(gè)過(guò)程中，由于吸附作用使得橡膠粉顆粒出現(xiàn)溶脹溶解等物理反應(yīng)，同時(shí)還會(huì)引起脫硫、降解等化學(xué)反應(yīng)，其自身具有的塑性和黏性有所恢復(fù)，從而變得柔軟而疏松，表面可以形成凝膠體，這將有助于核心部分與SBS改性瀝青分子形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，膠結(jié)料中出現(xiàn)連續(xù)相共混體系。

2) 寬溫域改性瀝青具有其他改性瀝青無(wú)法比及的性能，在高溫條件下性質(zhì)不會(huì)發(fā)生改變，檢查顯示200℃左右溫度無(wú)法使其固 — 液兩相體發(fā)生變化，這與其形成方式密切相關(guān)，寬溫域改性瀝青在高溫環(huán)境中的穩(wěn)定性決定了其良好性能，在這一點(diǎn)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通瀝青及橡膠瀝青，與SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青相比同樣優(yōu)勢(shì)明顯。

3 寬溫域改性瀝青基礎(chǔ)性能分析

對(duì)寬溫域改性瀝青性能進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)比分析方式獲得數(shù)據(jù)。對(duì)比對(duì)象分別為橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青等改性瀝青，對(duì)它們基礎(chǔ)性能進(jìn)行分析比較，尋找針入度、延度方面差別，同時(shí)也比較了其它指標(biāo)情況，如軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)率等。

選定的4種瀝青材料配比如表6所示。

表6 選定的4類(lèi)改性瀝青聚合物材料配比情況表

試驗(yàn)按照現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》要求，分別進(jìn)行針入度、延度、軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)率等試驗(yàn)。

3.1 針入度試驗(yàn)

獲得改性瀝青軟硬程度和稠度指標(biāo)需要通過(guò)針入度試驗(yàn)完成，二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，如果所獲得針入度較大則改性瀝青硬度較小，稠度也相對(duì)較小，反之硬度及稠度較大。這一指標(biāo)反映出改性瀝青抗剪切破壞的能力大小以及相對(duì)黏度情況。本文對(duì)比寬溫域改性瀝青與其它改良瀝青針入度情況，測(cè)試對(duì)象分別為橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青。荷重為100g±0.05g貫入試驗(yàn)試樣5s后計(jì)取，單位為0.1mm，在不同試驗(yàn)溫度下進(jìn)行，低溫分別為-20、-10、5℃,高溫分別為15、25和30℃。低溫盛樣皿在恒溫冰柜中放置，高溫盛樣皿放置在恒溫水浴中，時(shí)間都為1.5h。分別進(jìn)行3個(gè)平行試件試驗(yàn)，將所得結(jié)果取平均值，如表7所示，分別獲得不同溫度下4種改性瀝青針入度變化情況，如圖1、圖2所示。

表7 4類(lèi)改性瀝青聚合物針入度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 4類(lèi)改性瀝青聚合物不同溫度情況下針入度

圖2 寬溫域改性瀝青聚合物針入度隨溫度變化曲線(xiàn)圖

試驗(yàn)結(jié)果: ①不同溫度下寬溫域改性瀝青針入度都大于其他改性瀝青，與三者相比優(yōu)勢(shì)明顯； ②在各種溫度下對(duì)改性瀝青針入度進(jìn)行比較，其中橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青三者差距不明顯； ③通過(guò)在不同溫度下進(jìn)行針入度試驗(yàn)所獲結(jié)果來(lái)看，在對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間方面寬溫域改性瀝青明顯大于其他改性瀝青，幅度可以達(dá)到20℃。對(duì)這種情況進(jìn)行分析，考慮與將橡膠粉加入SBS改性瀝青密切相關(guān)，因?yàn)榭梢越档秃笳呦鄬?duì)粘度，使稠度明顯減少，從而提高其抗剪切破壞能力，使其在高溫及低溫環(huán)境中都能表現(xiàn)出良好性能。

3.2 延度試驗(yàn)

延度直接與改性瀝青塑性密切相關(guān)，二者呈現(xiàn)正比關(guān)系，延度指標(biāo)越大說(shuō)明其塑性越好，這也是改性瀝青性能重要指標(biāo)之一。延度試驗(yàn)中將寬溫域改性瀝青與其他3種改性瀝青進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，分別為橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青，選擇4個(gè)試驗(yàn)溫度分別為5、10、15和25℃，試件拉伸速度設(shè)定在5℃時(shí)為1cm/min，超過(guò)這一溫度為5cm/min±0.25cm/min。進(jìn)行3個(gè)平行試件試驗(yàn)，將所獲得結(jié)果取平均值，以此作為每組試驗(yàn)結(jié)果，最后由表8表示出來(lái)。利用在不同溫度下所獲得數(shù)據(jù)，最終尋找各種改性瀝青延度變化規(guī)律，由圖3、圖4所示。

表8 4類(lèi)改性瀝青聚合物延度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 4類(lèi)改性瀝青聚合物不同溫度情況下延度

圖4 寬溫域改性瀝青聚合物延度隨溫度變化曲線(xiàn)圖

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果： ①寬溫域改性瀝青在試驗(yàn)所選溫度條件下延度明顯大于其他對(duì)比改性瀝青； ②橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青在低溫條件時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，更容易發(fā)生延度試模斷裂情況，延度數(shù)值很低，無(wú)法保證試驗(yàn)有效進(jìn)行； ③在3種對(duì)比改性瀝青中SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青延度情況相似，二者在不同溫度情況下延度都大于橡膠瀝青； ④當(dāng)溫度升高時(shí)3種對(duì)比改性瀝青延度也會(huì)隨之增大，而寬溫域改性瀝青則相對(duì)穩(wěn)定，可以維持在一定范圍(≤70cm)； ⑤在所設(shè)定的實(shí)驗(yàn)溫度范圍(5～25℃)內(nèi)寬溫域改性瀝青延度變化可維持在60～70cm之間，相對(duì)變化幅度小。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得如下結(jié)論：寬溫域改性瀝青無(wú)論在高溫還是在低溫環(huán)境下塑性都較好，相對(duì)于橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青優(yōu)勢(shì)明顯，溫度變化時(shí)其可塑性較少受到影響。

3.3 軟化點(diǎn)試驗(yàn)

改性瀝青試件受熱的情況下會(huì)出現(xiàn)軟化，導(dǎo)致瀝青下垂，當(dāng)其達(dá)到預(yù)定長(zhǎng)度時(shí)，此時(shí)溫度被稱(chēng)為軟化點(diǎn)。這一指標(biāo)可以反映改性瀝青多種性能，如黏度、高溫穩(wěn)定性及感溫性。軟化點(diǎn)與高溫穩(wěn)定性呈現(xiàn)正相關(guān)，當(dāng)其增大預(yù)示著較好高溫穩(wěn)定性。本試驗(yàn)針對(duì)寬溫域改性瀝青軟化點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，與橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比。每組試驗(yàn)做3個(gè)平行試件，取平均值作為最終結(jié)果，由表9及圖5所示。

表9 4類(lèi)改性瀝青聚合物軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

圖5 4類(lèi)改性瀝青聚合物軟化點(diǎn)

本試驗(yàn)結(jié)果顯示寬溫域改性瀝青軟化點(diǎn)明顯高于其他3種改性瀝青，可以達(dá)到83℃；軟化點(diǎn)高度與高溫穩(wěn)定性呈正相關(guān)，由此獲知寬溫域改性瀝青高溫性能明顯優(yōu)于其他3種改性瀝青；將所得結(jié)果與我國(guó)歷史所記載東北季凍地區(qū)夏季高溫時(shí)路面的最高溫度與華南地區(qū)夏季高溫時(shí)的路面最高溫度(前者可高達(dá)53℃，后者可高達(dá)73℃)，寬溫域改性瀝青軟化點(diǎn)指標(biāo)遠(yuǎn)超過(guò)這2個(gè)數(shù)值。由此獲得結(jié)論：寬溫域改性瀝青拌制混合料用于我國(guó)公路路面鋪筑材料可以顯示出優(yōu)良性能，避免高溫造成的路面損害，有效防止車(chē)轍等病害發(fā)生。

3.4 彈性恢復(fù)試驗(yàn)

彈性恢復(fù)率指標(biāo)反映了聚合物改性瀝青彈性恢復(fù)性能及內(nèi)部體系的團(tuán)聚力。本試驗(yàn)研究測(cè)試寬溫域改性瀝青彈性恢復(fù)率情況，對(duì)比其它3種改性瀝青，分別為橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青。設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度為5、10、15和25℃，設(shè)定拉伸速度在5℃時(shí)為1cm/min，其它溫度時(shí)為5cm/min±0.25cm/min。

試驗(yàn)進(jìn)行3個(gè)平行試件測(cè)試，取平均值作為最終結(jié)果，如表10所示，將其關(guān)系用曲線(xiàn)圖如圖6、圖7所示。

表10 4類(lèi)改性瀝青聚合物彈性恢復(fù)率試驗(yàn)結(jié)果

圖6 4類(lèi)改性瀝青聚合物不同溫度情況下彈性恢復(fù)率

圖7 寬溫域改性瀝青聚合物彈性恢復(fù)率隨溫度變化曲線(xiàn)

本試驗(yàn)結(jié)果如下: ①?gòu)乃@得的彈性恢復(fù)率情況來(lái)看，其中性能最優(yōu)越的為寬溫域改性瀝青，復(fù)合改性瀝青、橡膠瀝青緊隨其后，最差的為SBS改性瀝青； ②無(wú)論是在低溫還是在高溫環(huán)境中寬溫域改性瀝青彈性恢復(fù)能力都明顯超過(guò)其他3種改性瀝青，并能保持穩(wěn)定的彈性恢復(fù)率，維持在88%～93%范圍內(nèi)； ③彈性恢復(fù)的溫度區(qū)間方面來(lái)看，寬溫域改性瀝青優(yōu)勢(shì)同樣明顯，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)橡膠瀝青、SBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青，并且其彈性恢復(fù)性能受溫度影響較小。

4 結(jié)論

我國(guó)華北、東北季凍區(qū)一年內(nèi)溫度變化較大，由于這些地區(qū)大多采用瀝青材料路面，常用改性瀝青無(wú)法同時(shí)解決高溫車(chē)轍以及低溫開(kāi)裂兩方面的問(wèn)題，新型寬溫域改性瀝青的研究意義重大，是解決這一矛盾的有效途徑。本文以橡膠瀝青和SBS改性瀝青為基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)，力圖研制出高低溫性能均衡的改性瀝青，即寬溫域改性瀝青，設(shè)定這種瀝青性能指標(biāo)5℃時(shí)延度在60cm以上，軟化點(diǎn)TR&B指標(biāo)在80℃以上，25℃彈性恢復(fù)指標(biāo)需要超過(guò)80%，針入度在50～110(0.1mm)范圍之內(nèi)；從高低溫性能指標(biāo)來(lái)看，寬溫域改性瀝青明顯超過(guò)橡膠瀝青、SBS改性瀝青及SBR改性瀝青；將這幾種改性瀝青基礎(chǔ)性能進(jìn)行對(duì)比，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：

1) 從針入度試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，寬溫域改性瀝青黏度對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間明顯超過(guò)其他改性瀝青，溫度區(qū)間超過(guò)程度可以達(dá)到20℃?？紤]是由于將橡膠粉顆粒作為添加劑摻入SBS改性瀝青中，使其物理及化學(xué)性能發(fā)生改變，相對(duì)黏度及稠度下降，從而獲得更好的抗剪切破壞能力，更加適應(yīng)高低溫環(huán)境變化。

2) 從延度試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，寬溫域改性瀝青塑性性能無(wú)論在低溫條件還是在高溫環(huán)境中都明顯超過(guò)其他3種改性瀝青，溫度變化對(duì)其性能影響較小。

3) 從軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，寬溫域改性瀝青的高溫穩(wěn)定性明顯超過(guò)其他3種改性瀝青，軟化點(diǎn)可以高達(dá)83℃。

4) 從彈性恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，寬溫域改性瀝青有著卓越的彈性恢復(fù)能力，無(wú)論是在高溫還是在低溫環(huán)境中都明顯超過(guò)其他改性瀝青，彈性恢復(fù)率可維持在88%～93%范圍內(nèi)。寬溫域改性瀝青聚合物具有優(yōu)良的彈性恢復(fù)性能，幾乎不受溫度的變化影響。

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