晏 明 羅 蓉 馮光樂

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

0 引 言

瀝青路面相較于水泥混凝土路面有著更好的路用性能和安全性能，但在長期服役的過程中遭受行車荷載、雨水、溫度、紫外線等環(huán)境因素的影響，會出現裂縫、剝落、滑移等病害.據相關文獻表明，瀝青路面早期服役期間出現的病害70%由水損害導致[1].水損害在瀝青路面的作用方式有兩種：①水分通過吸附在瀝青表面繼而滲入瀝青內部降低瀝青的黏附性，從而穿過瀝青膜進入到混合料內部產生破壞；②瀝青混合料在行車荷載的作用下，瀝青和集料之間的界面產生剪切破壞，從而出現細微裂縫，然后水分進入裂縫，降低瀝青與集料之間的黏附性，繼而導致瀝青從集料表面剝落.由此可見，瀝青與集料之間的黏附性是瀝青路面抵抗水損害的重要因素.因此，提高瀝青和集料之間的黏附性是保障瀝青路面使用質量和耐久性的關鍵[2].

相關研究表明，瀝青與集料之間的黏附性與瀝青中的官能團有很大的關系，其中羧基對集料的吸附性能最強.松香樹脂含有雙鏈和羧基活性基因，具有共軛雙鍵和典型的羧基反應[3-5]，理論上作為瀝青的改性劑可以提升瀝青與集料之間的黏附性，繼而提高瀝青路面抵抗水損害的能力.可是松香樹脂對SBS改性瀝青的其他性能的影響仍是空白，本文將系統研究松香樹脂對SBS改性瀝青的黏附性能、物理性能、老化性能和抵抗永久變形能力的影響.

1 試驗材料與試驗設計

1.1 試驗材料

試驗用瀝青為國創(chuàng)SBS改性瀝青，性能指標見表1.松香樹脂是210#松香改性酚醛樹脂，性能指標見表2.

表1 SBS改性瀝青性能指標

表2 210#松香改性酚醛樹脂性能指標

1.2 試驗制備

①SBS改性瀝青和松香樹脂置于170 ℃的烘箱中溶脹60 min;②將改性瀝青置于加熱套中，調整溫度為180 ℃，采用機械攪拌，時間為45 min;③在180 ℃下攪拌發(fā)育30 min，逐漸降低攪拌速度，驅趕氣泡;④澆注模具.210#松香改性酚醛樹脂加入量分別為改性瀝青質量的0%，2%，4%，6%.

1.3 黏附性能

通過全自動表面張力儀，采用插板法測定四種瀝青的表面能參數，通過磁懸浮重量平衡系統，采用蒸氣吸附法測定兩種集料(輝綠巖/石灰?guī)r)的表面能參數，基于GvOC表面能理論計算瀝青與集料的結合能，評定不同瀝青之間的黏附性大小[6-8].

1.4 老化性能

松香樹脂/SBS復合改性瀝青的針入度、軟化點、延度、60 ℃黏度、瀝青旋轉薄膜加熱試驗(RT-FOT)根據文獻[9]中的T0604,T0606,T0605,T0620，T0610測定.

1.5 抵抗變形能力

試驗采用動態(tài)剪切流變儀，根據文獻[10]，對復合改性瀝青進行PG分級試驗，在PG高溫下進行多種溫度下的多重應力蠕變恢復試驗(MSCR)，繪制瀝青未恢復蠕變柔量隨溫度變化曲線以及瀝青恢復率隨溫度變化曲線，對比分析其抵抗永久變形和恢復變形的能力.

2 試驗結果與分析

2.1 松香樹脂對SBS改性瀝青與集料間黏附性的影響

瀝青與集料之間的黏附性是瀝青路面抵抗水損害的基礎，同時也影響了瀝青路面的路用性能和使用壽命.目前，我國采用水煮法來評定瀝青與集料之間的黏附性，但是水煮法存在主觀性誤差，受試驗環(huán)境影響較大，且不能定量的評價瀝青與集料之間的黏附性.文中基于表面能理論，采用插板法測定四種瀝青的接觸角，利用Young-Dupre方程計算各組瀝青的表面能參數，根據式(1)計算各組瀝青與集料的結合能，以此來評定各組瀝青與集料的黏附性.

(1)

四種瀝青的表面能參數見表3，集料選用道路工程常用的輝綠巖和石灰?guī)r，其表面能參數見表4，結合能的計算結果見圖1.

表3 瀝青表面能參數

表4 集料表面能參數

圖1 瀝青與集料的結合能

由圖1可知，隨著松香樹脂摻量的增加，SBS改性瀝青和兩種集料的結合能基本呈現線性增加的趨勢，即松香樹脂能夠增大SBS改性瀝青與兩種集料的黏附性.這是由于影響瀝青黏附性的影響因素主要有黏度、酸值、化學成分等因素，其中對瀝青官能團的研究分析表明瀝青中的化學成分對集料黏附性由弱到強排列為：酮<吡咯烷<酚<嘧啶類<亞砜<羧基，松香樹脂中包含大量的羧基活性基因，從而能夠提升SBS改性瀝青與集料的黏附性.

四種瀝青與輝綠巖的結合能大于其與石灰?guī)r的結合能，表明瀝青與輝綠巖的黏附性明顯優(yōu)于瀝青與石灰?guī)r的黏附性.這是由于兩種集料的化學成分、酸堿值、表面構造以及表面電荷等因素會對其黏附性產生較大的影響.

2.2 松香樹脂對SBS改性瀝青物理性能的影響

軟化點、針入度、動力黏度是評價瀝青的常規(guī)指標，也是表征改性瀝青性能的重要指標.針入度表征瀝青的軟硬程度，抵抗剪切破壞能力；軟化點反映了瀝青的高溫性能；黏度是表征瀝青黏滯性的指標，其可反映瀝青抵抗外力變形的能力.圖2為不同松香樹脂含量的改性瀝青的測試結果.由圖2可知，隨著210#松香酚醛樹脂含量的增加，瀝青的針入度降低，且當松香樹脂摻量大于2%時，趨勢線基本呈直線變化，表明該松香樹脂可以提高SBS改性瀝青的硬度和抵抗剪切破壞的能力；SBS改性瀝青軟化點隨210#松香樹脂摻量呈現線性增加，說明松香樹脂可以顯著提高SBS改性瀝青的高溫性能；210#松香樹脂能提高SBS改性瀝青的動力黏度，該瀝青在荷載作用下產生小的剪切變形，殘留的永久變形小.

圖2 不同因素隨松香樹脂摻量變化曲線

2.3 松香樹脂對SBS改性瀝青抗老化性能影響

測力延度試驗可用于判斷SBS改性瀝青的種類或評價SBS改性瀝青的低溫性能，還能通過測力延度試驗中的韌性指標來有效地評價改性瀝青的抗老化性能[11].文中采用室內旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT)模擬SBS改性瀝青的老化過程，通過韌性和針入度比等指標來評價松香樹脂對SBS改性瀝青抗老化性能的影響.

瀝青的延度反映了瀝青路面的低溫抗開裂性能，間接地說明了瀝青的剪切敏感性，見圖3～4.

圖3 10 ℃測力延度曲線

圖4 針入度比變化曲線

由圖3～4可知，隨著210#松香樹脂摻量的增加，SBS改性瀝青在10 ℃的延度不斷減少，表明松香樹脂會降低SBS改性瀝青的低溫性能；從老化角度出發(fā)，測力延度曲線與橫軸圍成圖形的面積可以表征瀝青的內聚力和抵抗老化的韌性，韌性和針入度比隨松香樹脂摻量增加而增加，說明松香樹脂能夠提高瀝青抵抗斷裂的內聚能和瀝青的抗老化性能.210#松香樹脂摻量大于4%，松香樹脂對SBS改性瀝青的抗老化性能提升不大.由于本實驗是對改性瀝青進行初期老化，只能反映準備瀝青路面在短期服役情況下的抗老化性能.

2.4 松香樹脂對SBS改性瀝青高溫性能的影響

多重應力蠕變恢復(MSCR)試驗可以有效評價并區(qū)分不同種類的瀝青抵抗永久變形和恢復變形的能力.本試驗采用動態(tài)剪切流變儀，試驗夾具：25 mm平行板；試驗高度：1 mm間距；取點率：每0.1 s記錄一個試驗數據.首先將四組瀝青進行PG分級，試驗溫度由PG高溫確定.試驗方法參照AASHTO M 332，試驗溫度分別為70，76，82，88 ℃，該實驗在0.1和3.2 kPa兩個應力水平下進行，前一應力水平下蠕變恢復試驗重復20個周期，后一應力水平下蠕變恢復試驗重復10個周期，每個周期加載1 s的恒定荷載，然后卸載9 s.

多重應力蠕變恢復試驗采用兩個指標來評價瀝青的抵抗永久變形和恢復變形的能力，即為恢復蠕變柔量Jnr和恢復率R，見式(2)、式(3)，計算示意圖見圖5.

(2)

(3)

式中：σ為施加的應力大小，選用的是0.1和3.2 kPa;N為加載周期；ε0為第N個周期未加載前存在的應變；ε1為第N個周期加載結束時相對第N-1個周期恢復后的應變；ε2為第N個周期加載結束時的應變；ε3為第N個周期恢復結束時累計未恢復的應變；ε4為第N個周期恢復結束時相對于加載前未恢復的應變.

圖5 試驗示意圖

根據式(2)～(3)計算出每個周期的未恢復的蠕變柔量和恢復率,然后根據式(4)～(5)計算各個應力水平下的平均未恢復蠕變柔量 和平均恢復率，計算結果見圖6～7.

(4)

(5)

式中：n為加載周期數.

圖6 未恢復蠕變柔量曲線

圖7 恢復率曲線

由圖6～7可知，在同一應力水平和溫度下，松香樹脂摻量越高的SBS改性瀝青的未恢復蠕變柔量逐漸降低，松香樹脂摻量大于4%，在0.1和3.2 kPa兩個應力水平下對SBS改性瀝青的未恢復蠕變柔量影響不大.松香樹脂摻量高的SBS改性瀝青在應力加載和恢復階段結束后產生的應變較小，具有較好的抵抗永久變形的能力，從而說明松香樹脂能夠提升SBS改性瀝青的抵抗永久變形的能力和高溫性能.

同樣條件下，瀝青的恢復率隨著210#松香樹脂摻量的增加呈現降低的趨勢，即松香樹脂摻量越高，SBS改性瀝青的抵抗恢復變形的能力越弱，這是由于瀝青是一種黏彈性物質，松香樹脂在常溫下是固態(tài)，當溫度大于其軟化點所對應的溫度時會呈現一種粘稠的液態(tài).本試驗所采用的溫度低于該樹脂的軟化點所對應的溫度，因此在該溫度下松香樹脂會降低SBS改性瀝青的可恢復能力.

隨著溫度的升高，四種瀝青的為恢復蠕變柔量在逐漸增大，恢復率在逐漸降低，說明溫度升高，瀝青逐漸呈現流動狀態(tài)，彈性比例降低，塑性比例增加，使瀝青的累積變形增大.

3 結 論

1) 隨著210#松香樹脂摻量的增加，SBS改性瀝青與集料的結合能增加，說明松香樹脂能夠提升SBS改性瀝青與集料之間的黏附性，進而提高瀝青路面抵抗水損害的能力.

2) 隨著210#松香樹脂摻量的增加，SBS改性瀝青的軟化點、動力黏度增大，針入度降低，說明松香樹脂可以提高SBS改性瀝青的高溫性能.

3) 210#松香樹脂的摻加提高了SBS改性瀝青老化前后殘存的針入度比和韌性，改善了SBS改性瀝青的抗老化性能；延度值隨松香樹脂摻量的增加逐漸降低，表明210#松香樹脂會降低SBS改性瀝青的低溫性能；當摻量大于4%，殘存的針入度比增幅不大，松香樹脂對SBS改性瀝青的抗老化性能提升不明顯.

4) 210#松香樹脂能夠提升SBS改性瀝青的抵抗永久變形的能力，與此同時降低了SBS改性瀝青抵抗恢復變形的能力.當松香樹脂含量在4%時，改性瀝青的高溫性能最佳.