馬峰，伍迪，傅珍，金彥鑫，紀(jì)續(xù)，潘健

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064；3.濟(jì)南金曰公路工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

高黏瀝青具有優(yōu)良的水穩(wěn)定性和較好的高溫性能[1-2]，能夠滿足透水性路面對(duì)瀝青高黏度的要求，延長(zhǎng)道路的使用壽命[3-5]。高黏瀝青在瀝青路面中的應(yīng)用得到了諸多關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)摻加化學(xué)穩(wěn)定劑的高黏改性瀝青分散較為均勻，其高溫性能優(yōu)于SBS和橡膠改性瀝青[6-7]；TPS高黏改性瀝青具有較好的高溫性能、抗老化性能[8-9]；多數(shù)高黏瀝青的低溫性能不佳[10-12],橡膠粉的摻入能夠增強(qiáng)瀝青的延展性、耐熱性和耐紫外線老化性能[13-14]。目前國(guó)內(nèi)高黏改性瀝青以進(jìn)口為主，價(jià)格昂貴[15]。鑒于此，研究采用回收廢膠粉、增黏劑、穩(wěn)定劑和抗老化劑進(jìn)行高黏瀝青改性并對(duì)其瀝青混合料的路用性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

韓國(guó)SK90#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；瀝青改性劑選用產(chǎn)自巴陵石化的SBS(4%摻量)和產(chǎn)自日本的TPS(12%摻量)；集料、礦粉均選用玄武巖，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 SK90#基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical index of SK90# base asphalt

FM300間歇式基本型高剪切分散乳化機(jī)；MDJ-IIA馬歇爾電動(dòng)擊實(shí)儀；LX-AMSII自動(dòng)馬歇爾穩(wěn)定度儀；WSY-026數(shù)顯式瀝青針入度測(cè)定儀；WSY-025E數(shù)顯瀝青軟化點(diǎn)測(cè)定儀；LYY-8低溫瀝青延伸度測(cè)定儀；HYCZ-5瀝青車(chē)轍試驗(yàn)儀；BFA四點(diǎn)彎曲疲勞機(jī)；KY-D4305MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

表2 粗集料指標(biāo)參數(shù)Table 2 Coarse aggregate index parameters

1.2 試驗(yàn)方法

采用廢膠粉(16%)、SBS改性劑(4%)、穩(wěn)定劑(1%)、增溶劑(0.5%)、增黏劑a及抗老化劑b對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行增黏改性，具體方案見(jiàn)表3，其中A表示摻加了增黏劑的高黏瀝青，A/B表示同時(shí)摻加了增黏劑和抗老化劑的高黏瀝青。采用AC-13型級(jí)配對(duì)5種瀝青進(jìn)行混合料研究試驗(yàn)，各混合料的最佳油石比見(jiàn)表4。

表3 高黏瀝青成分摻量(%)Table 3 High-viscosity asphalt components

表4 瀝青混合料油石比Table 4 Asphalt aggregate ratio of mixture

通過(guò)動(dòng)力黏度、延度對(duì)不同增黏劑摻量下改性瀝青的高低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)；此外，研究基于高溫車(chē)轍、低溫小梁彎曲、水穩(wěn)定性及四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，對(duì)不同增黏劑摻量下AC-13混合料試件的路用性能進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)并研究其對(duì)混合料路用性能的影響規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 高黏瀝青

2.1.1 高溫性能 采用真空減壓毛細(xì)管法對(duì)SBS、TPS及不同摻量增黏劑的改性瀝青進(jìn)行60 ℃動(dòng)力黏度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 瀝青動(dòng)力黏度Fig.1 Asphalt dynamic viscosity

由圖1可知，隨著增黏劑摻量的增加，兩種高黏改性瀝青的60 ℃動(dòng)力黏度均隨之提升。增黏劑摻量由4%變化至6%時(shí)，A瀝青黏度值，增長(zhǎng)了27 kPa·s，為摻量2%的2.8倍且黏度值均低于TPS改性瀝青；增黏劑摻量由6%變化至8%時(shí)，增長(zhǎng)了41 kPa·s，增幅為4%～6%的1.51倍，其黏度值為摻量2%的5.5倍；表明相同增黏劑增量的情況下，6%～8%對(duì)黏度值的提升效果遠(yuǎn)優(yōu)于4%～6%，增黏劑的最佳摻量應(yīng)不低于8%。

8%A、10%A、8%A/B和10%A/B的60 ℃動(dòng)力黏度均大于TPS高黏改性瀝青，說(shuō)明增黏劑含量大于8%時(shí)，瀝青具有很好的高溫性能。此外，相同增黏劑摻量下，摻有抗老化劑的瀝青動(dòng)力黏度更大，這是由于抗老化劑是高分子材料，有助于縮短分子間作用力，促進(jìn)瀝青形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提升了瀝青的高溫黏滯度。

2.1.2 低溫性能 在拉伸溫度和拉伸速率分別為5 ℃和5 cm/min下對(duì)高黏瀝青、SBS及TPS改性瀝青進(jìn)行延度測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 瀝青5 ℃延度Fig.2 Ductility of asphalt at 5 ℃

由圖2可知，A、A/B兩種高黏瀝青5 ℃延度略低于SBS改性瀝青，且明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青，說(shuō)明高黏瀝青的低溫柔韌性主要由SBS改性劑提供，SBS的添加可以明顯提高瀝青膠結(jié)料的低溫拉伸性能。此外，兩種自制高黏瀝青的延度隨著增黏劑摻量的增加逐漸降低，表明增黏劑會(huì)衰減瀝青的低溫性能。這是由于增黏劑提升了瀝青黏稠程度，降低了瀝青變形能力，在拉伸過(guò)程中舊的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，新的結(jié)構(gòu)來(lái)不及形成，會(huì)略微降低瀝青材料低溫性能，從而表現(xiàn)出延度下降。

盡管增黏劑略微降低了瀝青延度，但幾種改性瀝青的延度相對(duì)于基質(zhì)瀝青都有較大幅度提升，延度最小的10%A/B高黏瀝青，其延度值也為基質(zhì)瀝青的3.3倍。是因?yàn)閾饺肓薙BS改性劑，SBS分子鏈具有優(yōu)良的運(yùn)動(dòng)柔性，在瀝青中會(huì)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，溫度下降時(shí)有效吸收了溫度應(yīng)力，提高了瀝青的低溫性能。

2.2 高黏瀝青混合料

2.2.1 高溫穩(wěn)定性 采用車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)基質(zhì)、SBS、TPS、10%A和10%A/B改性瀝青混合料進(jìn)行高溫性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)(DS)從小到大排序依次為：基質(zhì)

圖3 瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)Fig.3 Asphalt mixture rutting test

2.2.2 低溫抗裂性 采用低溫小梁彎曲破壞試驗(yàn)對(duì)基質(zhì)、SBS、TPS、10%A和10%A/B改性瀝青混合料進(jìn)行低溫抗裂性的測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 各瀝青混合料的彎曲勁度 模量和最大彎拉應(yīng)變Fig.4 Bending stiffness modulus and maximum bending strain of asphalt mixture

由圖4可知，瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變按由高到低依次為：10%A/B>10%A>TPS>SBS>基質(zhì)。彎曲勁度模量越低，最大彎拉應(yīng)變?cè)酱?，瀝青混合料低溫抗裂性能越好。基質(zhì)瀝青混合料的彎曲勁度模量為5 021 MPa，SBS在基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上減少了3.94%，而10%A在基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上減少了12%，為SBS減少幅度的3倍。增黏劑的存在會(huì)降低瀝青低混合料的低溫性能，但由于同時(shí)摻加了橡膠粉，橡膠粉在瀝青中會(huì)發(fā)生熔脹和脫硫降解兩個(gè)過(guò)程，反應(yīng)程度隨反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間變化是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，有助于提高瀝青混合料的低溫性能[16]，提升幅度大于降低幅度，使得最終混合料的低溫抗裂性得到增強(qiáng)。

此外，10%A/B瀝青混合料的極限彎拉應(yīng)變大于10%A瀝青混合料，說(shuō)明抗老化劑在一定程度上可以增強(qiáng)瀝青材料的低溫性能，主要是因?yàn)榭估匣瘎┦歉叻肿硬牧?，加入瀝青材料之后會(huì)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體，提高了瀝青材料在低溫環(huán)境下的柔韌性，改善了瀝青混合料的溫度敏感性，從而提升瀝青混合料在低溫情況下的抗裂能力。

2.2.3 水穩(wěn)定性能 采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)最佳油石比下基質(zhì)、SBS、TPS、10%A和10%A/B改性瀝青混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 各瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度Fig.5 Freeze-thaw splitting strength ratio and residual stability of asphalt mixture

由圖5可知，SBS改性瀝青混合料劈裂強(qiáng)度比為82.2%，殘留穩(wěn)定度為88.1%， 增黏劑摻量為10%的高黏瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比為97.5%，殘留穩(wěn)定度為90.6%，其凍融劈裂強(qiáng)度在SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上提升了18%，這是因?yàn)樵鲳┑募尤朐赟BS改性劑作用的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升了瀝青和集料之間的黏結(jié)力，提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。10%A改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度均高于10%A/B改性瀝青混合料，說(shuō)明抗老化劑雖然能夠提升瀝青之間的黏滯度，但是會(huì)對(duì)瀝青與集料之間的黏附作用產(chǎn)生不利影響，降低了高黏瀝青混合料的抗水損壞能力。同時(shí)兩種制備的高黏瀝青混合料劈裂強(qiáng)度比都明顯大于TPS改性瀝青混合料，具有較好的水穩(wěn)定性。

2.2.4 抗疲勞性能 對(duì)基質(zhì)、SBS、TPS、10%A和10%A/B改性瀝青混合料采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行疲勞性能試驗(yàn)研究。本文采用恒定應(yīng)變控制的連續(xù)局部正弦載荷模式，載荷頻率為10 Hz，應(yīng)變值為200，250，300 με對(duì)自制的高黏度改性瀝青混合料進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 各瀝青混合料應(yīng)變-疲勞壽命趨勢(shì)Fig.6 The strain-fatigue life trend of asphalt mixture

由圖6可知，隨著應(yīng)變的增加，各瀝青混合料的疲勞壽命降低，4種改性瀝青的疲勞壽命均高于基質(zhì)瀝青。其中10%A/B改性瀝青混合料的疲勞壽命為基質(zhì)瀝青混合料的2.3倍，SBS改性瀝青混合料的2倍，說(shuō)明增黏劑的摻入使得瀝青混合料抗疲勞性能得到較大提升，有效延長(zhǎng)道路的使用壽命；此外，高溫條件下，橡膠粉在瀝青中發(fā)生溶脹和溶解，提高了瀝青的黏性，低溫條件下，瀝青和橡膠粉的模量差異較大，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使瀝青的可塑性得到提升，改善了瀝青的低溫柔韌性，減弱了溫度變化和荷載作用對(duì)路面的損害。自制的兩種高黏度改性瀝青疲勞壽命均高于TPS改性瀝青混合料，具有較好的抗疲勞性能。

3 結(jié)論

本文對(duì)基質(zhì)、SBS、TPS和兩種自制高黏改性瀝青及瀝青混合料進(jìn)行了高低溫及水穩(wěn)定性和抗疲勞性能的試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析，對(duì)兩種自制高黏瀝青及瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究，得出結(jié)論如下：

(1)增黏劑顯著提升了改性瀝青的黏度，在同樣的高溫條件下，摻入增黏劑的高黏瀝青具有更高的黏度，高溫穩(wěn)定性更好；低溫條件下會(huì)略微降低SBS改性瀝青的低溫延展性。

(2)在高溫抗車(chē)轍方面，可通過(guò)在SBS改性瀝青中加入增黏劑提升其高溫性能，在此條件下?lián)饺肟估匣瘎┠苓M(jìn)一步提升其高溫性能；兩種自制高黏瀝青混合料的高溫性能均優(yōu)于TPS改性瀝青。

(3)相同增黏劑摻量下?lián)饺肟估匣瘎┑母唣r青混合料的低溫性能優(yōu)于未摻入抗老化劑的，抗老化劑摻入瀝青材料之后形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體，提高了瀝青材料在低溫環(huán)境下的柔韌性，增強(qiáng)了瀝青混合料的低溫變形能力。

(4)兩種自制高黏瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比和疲勞壽命均優(yōu)于TPS改性瀝青，增黏劑、SBS改性劑和廢膠粉復(fù)摻能較好地提升瀝青混合料的抗水損壞能力和抗疲勞性能，延長(zhǎng)道路的使用壽命。