張澤豐

(湖南路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410004)

近10 a來，我國的道路運(yùn)輸發(fā)展迅速，大部分道路已采用瀝青路面的結(jié)構(gòu)形式，但是隨著交通量不斷增長，超載超限現(xiàn)象頻繁發(fā)生，致使一些路面出現(xiàn)裂縫、車轍甚至過早破壞[1]。由于我國的路面設(shè)計(jì)遵循“強(qiáng)基薄面”的思路，瀝青面層厚度有限，且透水性等新型功能性需求的提出，迫切需要開發(fā)出新的改性瀝青材料，以實(shí)現(xiàn)具有較高動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和耐久性的路面結(jié)構(gòu)[2]。同時(shí)，一般的瀝青改性技術(shù)，諸如SBS、SBR等聚合物復(fù)配方案，多采用機(jī)械方法將瀝青與改性劑簡單混合共融，無法與瀝青組分形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，不僅成本較高且不利于儲(chǔ)存，拌合料相容性差易發(fā)生離析，影響成品材料的運(yùn)輸和施工[3-4]。

為此，一些研究者嘗試通過化學(xué)改性的方式，利用相應(yīng)的有機(jī)活性物質(zhì)與瀝青或其他改性劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在瀝青材料內(nèi)部形成相互交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高改性瀝青的穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度[5-6]。趙富強(qiáng)[7]等利用多種SBS改性與硫磺反應(yīng)共混，并進(jìn)一步探究了復(fù)配改性后瀝青的高溫性能和相容性。常睿[8-9]等分析了反應(yīng)型三元共聚物(RET)對(duì)瀝青的改性機(jī)理，并通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其流變性能和混合料高低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，采用反應(yīng)型改性技術(shù)與物理改性相比性能均穩(wěn)步提升。盧勇[10]等認(rèn)為將反應(yīng)型添加劑與SBS混溶，能夠顯著提高膠結(jié)料的動(dòng)力粘度和抗車轍能力，且隨著摻量的增加，改善效果越好。陳娟[11]等通過多種室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，開展了級(jí)配設(shè)計(jì)并確定了RET改性的瀝青混合料的最佳施工溫度。董夏鑫[12]等表征了反應(yīng)型橡膠對(duì)膠結(jié)料的微觀反應(yīng)和組分變化，并評(píng)價(jià)其改性的材料性能特點(diǎn)。徐鷗明[13]等提出對(duì)改性互混的反應(yīng)時(shí)間和溫度進(jìn)行優(yōu)化，完善橡膠瀝青的加工工藝。

通過上述研究和結(jié)論的分析，為本研究的改性瀝青制備和室內(nèi)試驗(yàn)的開展提供了有益的方案參考。本文主要探究了RET改性劑的摻量和制備方法，并通過動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)和基本性能試驗(yàn)系統(tǒng)(SPT)對(duì)瀝青及其混合料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能開展試驗(yàn)研究，并將優(yōu)化結(jié)果在實(shí)際工程得到應(yīng)用。本文的結(jié)論和方法，對(duì)于反應(yīng)型RET-SBS復(fù)合改性方案的推廣和工程應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1 瀝青材料制備

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青來自于中海油生產(chǎn)的泰州70#重交瀝青，試驗(yàn)測(cè)定其基本性能和主要化學(xué)組成如表1所示。為了達(dá)到改性的目的，首先選用茂名石化生產(chǎn)的SBS聚合物，嵌段比為30/70，性能指標(biāo)如表2所示；按照前文所述，引入美國杜邦公司的產(chǎn)品RET三元共聚物作為本研究的反應(yīng)型改性劑，具體參數(shù)見表3，相關(guān)應(yīng)用表明，這種材料能夠提高膠結(jié)料的粘附性和抗疲勞能力，分散性好并能與瀝青相應(yīng)的組分發(fā)生化學(xué)(磷酸酯化、環(huán)接和接枝等)交聯(lián)，進(jìn)一步與SBS顆粒形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，減少SBS改性劑的用量，并改善SBS與瀝青的相容性。

表1 基質(zhì)瀝青的基本性能與化學(xué)組成Table 1 The basic properties and chemical composition of matrix asphalt基本物理性能組成百分比/%軟化點(diǎn)/℃針入度(25 ℃)/ 0.1 mm延度(5 cm/min, 15 ℃)/cm粘度(60 ℃)/(Pa·s)芳香分膠質(zhì)瀝青質(zhì)飽和分47.669.5>15026754.321.712.111.9

表2 SBS聚合物技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of SBS polymer結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度/MPa伸長率/%密度/ g·cm-3 灰分量/%線型21.66200.93<0.5

表3 RET反應(yīng)型改性劑技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of RET reactive modifier外觀熔融指數(shù)/ g·(10 min)-1 密度/ g·cm-3 熔點(diǎn)/℃熔融溫度/℃黃褐色、顆粒狀40.9472<280

試驗(yàn)用瀝青混合料重構(gòu)成骨架的集料來自于株洲產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r碎石，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求，見表4。

表4 集料的物理性質(zhì)Table 4 The physical properties of aggregates類型表觀密度/(g·cm-3)壓碎值/%洛杉磯磨耗值/%針片狀含量/%含泥量/%砂當(dāng)量/%粗集料2.7416.819.36.5——細(xì)集料2.67———1.076規(guī)范—≤26≤28≤12≤3.0≥60

1.2 改性方案與制備流程

一般認(rèn)為，當(dāng)SBS的摻量較低(小于3%)時(shí)，采用化學(xué)反應(yīng)型復(fù)配方案能達(dá)到實(shí)際效用與經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)，同時(shí)結(jié)合前期應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，RET材料的摻入也一般不超過2.0%?；诖?，加入復(fù)配的SBS材料的質(zhì)量比為2.5%，而RET材料的含量選用1.0%、1.5%和2.0%這3組試驗(yàn)值。試驗(yàn)對(duì)照組則采用摻入量為4.5%的SBS改性瀝青。

反應(yīng)型SBS復(fù)合改性瀝青的制備流程為：待70#基質(zhì)瀝青加熱至155 ℃～165 ℃后，首先加入RET改性劑，低速攪拌(溫度不變)保證材料分散均勻，溶脹約30 min；隨后，將稱好的SBS材料緩慢倒入，繼續(xù)攪拌30 min左右待混合材料溶脹均勻；然后，將混合穩(wěn)定后改性瀝青的溫度提升至170 ℃～180 ℃，切換至高速剪切(4 000 r/min)模式且攪拌時(shí)間不小于50 min，期間溫度不宜過高；最后，設(shè)置恒溫烘箱溫度為155 ℃～165 ℃，將攪拌好的改性瀝青放置烘箱并發(fā)育約2 h備用。

2 試驗(yàn)方法概述

對(duì)于改性瀝青的常規(guī)物理性能，已有較多的文獻(xiàn)開展并描述了摻入改性劑后對(duì)瀝青軟化點(diǎn)、針和延度等性能的提升作用，并降低了瀝青標(biāo)號(hào)，且其性能指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求，因此在本文不予贅述。

本研究主要就瀝青及其混合料的動(dòng)力特性展開試驗(yàn)分析，選取了動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)測(cè)定不同溫度條件下改性瀝青的粘彈性，以及通過動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)計(jì)算得到不同溫度和頻率下的瀝青混合料動(dòng)力性能的變化規(guī)律。試驗(yàn)所采用的混合料級(jí)配為SMA-13級(jí)配，見表5，最佳油石比為6.0%，拌合溫度為165 ℃～170 ℃。

表5 SMA-13級(jí)配通過百分比Table 5 Grading passing percentage of SMA-13不同粒徑(mm)的通過百分比/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075100976325211816141211

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

對(duì)上述4種改性瀝青以及基質(zhì)瀝青開展DSR試驗(yàn)，受篇幅限制，本文僅列出原樣瀝青試驗(yàn)結(jié)果，按照PG分級(jí)要求，分別采用58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃、82 ℃共5種測(cè)試溫度，如圖1所示，為不同溫度下的抗車轍因子G*/sinδ和相位角δ變化規(guī)律。

本文所指的新生代農(nóng)民主要是指出生于20世紀(jì)80年代與90年代，年齡在16歲以上，在異地以非農(nóng)就業(yè)為主的農(nóng)業(yè)戶籍人口。

(a) 抗車轍因子

從圖1中的結(jié)果可以看出，隨著溫度升高，不論是基質(zhì)瀝青還是改性瀝青，兩種測(cè)試指標(biāo)均呈單調(diào)變化，其中，G*/sinδ因子逐漸減小，相位角δ不斷增加，這是由于高溫條件下，材料逐漸由彈性轉(zhuǎn)換為粘性狀態(tài)；比較RET復(fù)合改性和SBS改性試樣，在相同溫度條件下，抗車轍因子大小排列順序?yàn)?.0%RET摻量+2.5%SBS摻量、1.5%RET摻量+2.5%SBS摻量、4.5%SBS摻量、1.0%RET摻量+2.5%SBS摻量，說明復(fù)合改性改性能夠明顯的改善瀝青的高溫性能，當(dāng)RET的摻量大于1.5%時(shí)較單一SBS改性的效果要好；由于改性瀝青形成了網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，粘性成分減小，從而改性瀝青的相位角小于基質(zhì)瀝青；此外圖中改性瀝青的G*/sinδ因子均大于1.0 kPa，而當(dāng)溫度大于64 ℃時(shí)基質(zhì)瀝青已不滿足要求，因此，說明改性后的瀝青高溫性能較基質(zhì)瀝青更佳。

為了進(jìn)一步說明溫度T對(duì)材料性能的影響規(guī)律，采用式(1)和式(2)分別對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)摻量進(jìn)行線性回歸分析，擬合參數(shù)與相關(guān)性結(jié)果見表6。從下面公式可以看出，參數(shù)a與c為擬合曲線的斜率，其絕對(duì)值大小在一定程度上反映了材料對(duì)溫度的敏感程度。從表6中可以看出，隨著RET的摻入增加，兩者擬合曲線的斜率均減小，說明RET復(fù)配能夠進(jìn)一步改善SBS改性瀝青的溫敏性，當(dāng)RET的質(zhì)量比大于1.5%時(shí)，材料的改良效果已經(jīng)超過了4.5%SBS摻量改性瀝青；同時(shí)，從a和c的變化幅度可知，瀝青材料的相位角對(duì)溫度比較敏感，可以作為改性劑對(duì)瀝青溫敏性的指標(biāo)，易于區(qū)別和評(píng)價(jià)其變化規(guī)律。

ln(G*/sinδ)=alnT+b

(1)

δ=clnT+d

(2)

表6 溫度與DSR試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of temperature and DSR test results試驗(yàn)材料抗車轍因子擬合結(jié)果相位角擬合結(jié)果abR2cdR2基質(zhì)瀝青-7.16630.2360.99616.12613.7870.9861.0%RET摻量+2.5%SBS摻量-5.85925.9040.99121.334-21.0950.9891.5%RET摻量+2.5%SBS摻量-5.42024.7130.99716.601-9.4330.9762.0%RET摻量+2.5%SBS摻量-5.22423.9860.99813.961-3.1030.9644.5%SBS摻量-5.51324.9980.99618.590-19.3330.977

3.2 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)模量E*是瀝青路面設(shè)計(jì)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一，通過SPT試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)定4種溫度(5 ℃、20℃、35 ℃、50 ℃)和5種頻率(0.1、0.5、1、5、10 Hz)條件下SMA-13試件的動(dòng)態(tài)模量，試件尺寸為100 mm×150 mm，本研究的5種瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2的測(cè)試結(jié)果可以得出如下結(jié)論：① 從整體上看，隨著試驗(yàn)溫度越低、荷載頻率越大，混合料的動(dòng)態(tài)模量E*逐漸增大，說明測(cè)試試樣在上述試驗(yàn)條件下，始終保持明顯的粘彈性特征，并能通過時(shí)-溫等效置換原理進(jìn)行解釋其變化規(guī)律；② 在低溫(5 ℃)環(huán)境下，經(jīng)過RET改性瀝青的E*值介于基質(zhì)瀝青和4.5%SBS摻量單一改性瀝青的結(jié)果之間，隨著RET加入量的增加，其模量值逐漸接近SBS單一改性瀝青，這表明RET反應(yīng)形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)空間可以抵抗部分低溫應(yīng)力對(duì)材料的損害，改善其低溫的脆硬性，進(jìn)一步提升其低溫穩(wěn)定性；③ 在常溫(20 ℃)環(huán)境下，不同頻率下的RET復(fù)合改性瀝青的E*值均大于SBS單一改性瀝青，其中2.0%RET摻量+2.5%SBS摻量的結(jié)果較4.5%SBS摻量瀝青混合料的平均模量增加了37.8%；④ 在中高溫(35 ℃、50 ℃)環(huán)境下，改性瀝青的性能明顯大于基質(zhì)瀝青，其模量值按從大到小排序有2.0%RET摻量+2.5%SBS摻量、1.5%RET摻量+2.5%SBS摻量、4.5%SBS摻量、1.0%RET摻量+2.5%SBS摻量，因此，可以確定當(dāng)RET的質(zhì)量比大于1.5%時(shí)，混合料的高溫性能將超過單一的SBS改性瀝青，其模量同頻率相比，增加了3.3%～30.5%，這一結(jié)論與DSR的高溫性能評(píng)價(jià)結(jié)果是一致的。

圖2 動(dòng)態(tài)回彈模量測(cè)試結(jié)果

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于瀝青混合料而言，其粘彈性特征十分顯著，為了便于量化評(píng)價(jià)各改性方案所得的混合料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，本文采用動(dòng)態(tài)模量的主曲線擬合公式及其參數(shù)進(jìn)行比較分析。首先，由Sigmodial模型可以對(duì)主曲線結(jié)果進(jìn)行描述，如式(3)所示；結(jié)合時(shí)-溫等效原理，縮減頻率fr可以由加載頻率f和溫度位移因子α(T)確定，如式(4)所示。聯(lián)立式(3)、式(4)，并根據(jù)已有的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果，采用線性規(guī)劃求解，得到預(yù)估參數(shù)見表7。從擬合公式的形式可知，參數(shù)a的大小可反映了混合料的力學(xué)強(qiáng)度，從表7可看出，2.0%RET摻量+2.5%SBS摻量和1.5%RET摻量+2.5%SBS摻量兩種改性方案要明顯高于單一SBS和基質(zhì)瀝青，而4.5%SBS摻量僅與1.0%RET摻量+2.5%SBS摻量的改進(jìn)方案接近，因此，擬合結(jié)果也進(jìn)一步說明了在低劑量SBS改性瀝青中復(fù)配質(zhì)量比為1.5%以上的RET能獲得較佳的瀝青混合料動(dòng)力性能。

(3)

log(fr)=log[fα(T)]=log(f)+

(4)

其中，Max表示動(dòng)態(tài)模量E*極大值所對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)；fr表示縮減頻率；a、b、c表示曲線的擬合參數(shù)；T表示測(cè)試溫度；Tr為參考溫度；ΔEa表示激活能量；R表示通用氣體常數(shù)。

表7 動(dòng)態(tài)模量主曲線的擬合結(jié)果Table 7 The fitting results of the main curve of dynamic modulus試驗(yàn)材料abcR2基質(zhì)瀝青4.040 2-0.867 3-0.628 10.8891.0%RET摻量+2.5%SBS摻量4.128 9-0.927 3-0.612 40.8571.5%RET摻量+2.5%SBS摻量4.402 3-0.832 1-0.629 10.8652.0%RET摻量+2.5%SBS摻量4.501 4-0.734 2-0.612 20.8434.5%SBS摻量4.155 3-0.703 2-0.573 10.846

4 工程應(yīng)用

以某一新建高速公路項(xiàng)目為依托，雙向四車道設(shè)計(jì)，試驗(yàn)段上面層采用本研究的SMA-13級(jí)配，摻入1.5%RET摻量+2.5%SBS摻量復(fù)合改性劑。混合料的拌合過程遵循相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格控制現(xiàn)場的施工工藝。現(xiàn)場抽樣，并制作試件進(jìn)行高低溫性能檢測(cè)，所得結(jié)果見表8。從表中結(jié)果可以看出，材料的各項(xiàng)性能均滿足規(guī)范要求[14-16]，并表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫性能。混合料運(yùn)輸過程無明顯離析

表8 抽樣試件性能測(cè)試結(jié)果Table 8 Performance testing results of sample specimens項(xiàng)目動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)馬歇爾穩(wěn)定度/kN殘留穩(wěn)定度/%凍融劈裂強(qiáng)度比/%測(cè)試結(jié)果9 0317.2790.694.3技術(shù)要求>3 000 >5.5>80>80

現(xiàn)象。

試驗(yàn)段鋪筑的抽檢結(jié)果顯示，混合料的平均壓實(shí)度為98.7%，構(gòu)造深度、抗滑摩擦系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。對(duì)通車后1 a運(yùn)營期內(nèi)的試驗(yàn)段使用情況進(jìn)行調(diào)查觀測(cè)，氣溫變化在-3℃～42 ℃之間，交通量較大，貨運(yùn)汽車較多，超載較為嚴(yán)重，但路面使用狀況良好，全路段無明顯裂縫。通過工程應(yīng)用表明，采用反應(yīng)型RET-SBS復(fù)合改性混合料后試驗(yàn)路段質(zhì)量優(yōu)異、應(yīng)用效果較佳。

5 結(jié)語

本研究配置了不同劑量的反應(yīng)型RET-SBS復(fù)合改性瀝青，通過對(duì)開展DSR試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，研究各改性方案瀝青的抗車轍因子G*/sinδ和相位角δ隨溫度的變化規(guī)律，以及SMA-13瀝青混合料的高低溫動(dòng)態(tài)力學(xué)性能隨加載頻率的變化關(guān)系，主要得到以下結(jié)論：

a.改性后的瀝青高溫性能較基質(zhì)瀝青更佳，當(dāng)RET的摻量大于1.5%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的高溫穩(wěn)定性較單一SBS改性的效果要好，并與其溫度敏感性的規(guī)律一致。

b.隨著RET加入量的增加，復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能得到改善，其低溫條件下的動(dòng)態(tài)模量值逐漸接近SBS單一改性瀝青，RET反應(yīng)形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)空間可以抵抗部分低溫應(yīng)力對(duì)材料的損害，改善其低溫的脆硬性。

c.復(fù)合改性瀝青的中高溫試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)RET的摻量大于1.5%時(shí)，混合料的高溫性能將超過單一的SBS改性瀝青，同頻率相比增加了3.3%～30.5%。

d.通過對(duì)動(dòng)態(tài)模量的主曲線的擬合結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，在低劑量SBS改性瀝青中復(fù)配質(zhì)量比為1.5%以上的RET能獲得較佳的瀝青混合料動(dòng)力性能。

e.工程應(yīng)用與試驗(yàn)優(yōu)化所得結(jié)論保持一致，采用1.5%RET摻量+2.5%SBS摻量復(fù)合改性瀝青混合料鋪筑道路，實(shí)際路用性能優(yōu)良，可以進(jìn)一步推廣使用。