劉 旭， 王婷宇， 賀陶安

(1.湖南省醴潭高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 株洲 412000； 2.湖南省高速公路集團有限公司， 湖南 長沙 410003)

0 引言

瀝青原材料的性能直接影響著瀝青路面的路用性能，對路面質(zhì)量的好壞起到至關(guān)重要的作用。SBS改性瀝青具有良好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、黏附性和耐疲勞性，一定程度上保證了瀝青路面的性能[1]。改性瀝青中改性劑的摻量與加工質(zhì)量是保證改性瀝青質(zhì)量和路面耐久性的關(guān)鍵所在。SBS改性劑的價格相對昂貴，導(dǎo)致某些瀝青供應(yīng)商或施工單位降低改性劑摻量，甚至以普通瀝青代替SBS改性瀝青用于工程中。對SBS改性瀝青的質(zhì)量如何進行有效監(jiān)管一直是業(yè)主單位、施工單位以及監(jiān)管部門所關(guān)注的問題。

目前，關(guān)于SBS改性瀝青的研究主要集中于SBS改性劑與瀝青的相容性和穩(wěn)定性的改善[2-4]，SBS改性瀝青及老化瀝青的流變性能、混合料性能和SBS改性瀝青機理研究[5-7]，以及SBS改性瀝青中SBS含量的定量分析[8-9]，缺乏對已經(jīng)用于公路工程的瀝青進行質(zhì)量檢測評價的手段，無法對實際使用的瀝青進行質(zhì)量鑒別，因此，急需為業(yè)主、施工、監(jiān)理單位提供一種有效定性分析方法，來判斷施工后甚至服役后的瀝青路面是否含有SBS改性劑。

本文通過對長期服役瀝青路面中SBS改性劑的定性分析，為瀝青路面中SBS改性劑的定性檢測提供借鑒。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

某二級公路瀝青上面層為AC-13C瀝青混合料，其服役時間為約5 a。為了分析其中某一段瀝青路面上面層是否含SBS改性劑，取該二級公路其他已知SBS改性瀝青路段進行取樣對比試驗。選取硬路肩中具有代表性、未修補過的路段鉆孔取芯和切割取板，將取好的試樣在室內(nèi)采用高精度切割機去掉下面層瀝青混合料。圖1為未知瀝青路段上面層取樣(以下簡稱“未知瀝青”)，圖2為SBS改性瀝青路段上面層取樣(以下簡稱“改性瀝青”)。

圖1 未知瀝青路段取樣

圖2 改性瀝青路段取樣

分別對2種瀝青混合料抽提回收的瀝青進行紅外光譜和動態(tài)剪切流變分析，將2種瀝青混合料取樣、切割后進行力學(xué)性能試驗。

1.2 試驗方法

1) 瀝青抽提回收。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)阿布森法從瀝青混合料中回收瀝青。

2)紅外光譜FTIR分析。采用TENSOR27傅立葉變換紅外光譜儀對2種瀝青混合料回收的瀝青進行化學(xué)結(jié)構(gòu)分析。制樣時將回收瀝青涂于溴化鉀薄片上,對樣品進行4000～400 cm-1掃描。

3)動態(tài)剪切流變DSR分析。利用MCR102型動態(tài)剪切流變儀測試回收瀝青在不同溫度下的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ，分析瀝青的流變性能。試驗采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變值為1%，試驗頻率為10 rad/s，試樣直徑25 mm、厚度1 mm。

4)力學(xué)性能分析。利用UTM-100動態(tài)伺服液壓材料試驗系統(tǒng)對2種瀝青混合料進行間接拉伸強度、低溫彎曲試驗和間接拉伸回彈模量試驗。間接拉伸強度、低溫彎曲試驗按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進行測定，間接拉伸回彈模量按AASHTO TP31進行，試驗溫度為40 ℃，試驗頻率為1 Hz。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜FTIR分析

圖3為2種瀝青的紅外光譜，由圖3可以明顯看出，2種回收瀝青最大的3個吸收峰均出現(xiàn)在2924、2853、1460cm-1附近，同時在1377、1600cm-1附近也觀測到比較明顯的吸收峰。這些峰為-CH2、-CH3和苯環(huán)C-C骨架伸縮、振動所形成，表明老化后的瀝青其主要成分為飽和長鏈烷烴、芳香族和帶長鏈的碳氫化合物。1030cm-1處是亞砜基的伸縮振動峰，是瀝青老化過程中由含硫化合物的氧化而形成。

圖3 2種瀝青的紅外光譜

改性瀝青除了上述所列的吸收峰外，在699cm-1與966cm-12個波數(shù)處還出現(xiàn)了特征峰。966cm-1表示丁二烯嵌段的-C=C-彎曲振動吸收峰，顯示了丁二烯基團的存在；699cm-1表示聚苯乙烯嵌段中苯環(huán)的-C-H彎曲振動峰，是由聚苯乙烯的存在引起的[10]。改性瀝青的這2個特征峰與SBS改性劑的紅外光譜特征峰相吻合，這說明改性瀝青路面上面層AC-13瀝青混合料確實含SBS改性劑。未知瀝青樣品無699cm-1與966cm-1兩個特征峰，初步判定未知瀝青樣品中無SBS改性劑。

2.2 動態(tài)剪切流變DSR分析

2種回收瀝青的溫度掃描結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，2種瀝青的復(fù)數(shù)模量均隨溫度提高而降低，同時其相位角也隨溫度的升高而增加。在相同溫度條件下，未知瀝青樣品的復(fù)數(shù)模量均低于改性瀝青，其復(fù)數(shù)模量是改性瀝青的40.0%～53.8%。比如46 ℃時，改性瀝青的復(fù)數(shù)模量為155.99 kPa，而未知瀝青的復(fù)數(shù)模量為82.39 kPa，未知瀝青樣品的復(fù)數(shù)模量是改性瀝青的52.8%。相反的，在試驗溫度范圍內(nèi)，未知瀝青樣品的相位角均大于同溫度條件下的改性瀝青相位角，而且溫度越高越明顯。溫度從46 ℃增加到76 ℃時，未知瀝青的相位角從64.5°增加到79.5°，而改性瀝青的相位角從61.7°增加到73.1°。已有研究表明，可以利用普通瀝青和改性瀝青溫度掃描得到的相位角來說明改性瀝青與普通瀝青的黏彈比例上的差異[11]，從圖4中2種瀝青的溫度掃描結(jié)果可以看出未知瀝青的復(fù)數(shù)模量和相位角變化符合普通瀝青的流變特性。

圖4 2種瀝青的溫度掃描結(jié)果

圖5表示2種瀝青的車轍因子隨溫度的變化，由圖可以看出，2種瀝青的車轍因子均隨溫度的增加而降低。車轍因子代表瀝青膠結(jié)料的高溫性質(zhì)，車轍因子越大，說明其抗高溫流動性能越好。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，在46 ℃～76 ℃溫度范圍內(nèi)，SBS改性瀝青車轍因子是未知瀝青的1.90～2.56倍，比如76 ℃時，改性瀝青樣品的車轍因子為4.08 kPa，而未知瀝青的車轍因子為1.59 kPa，SBS改性瀝青樣品的車轍因子是普通瀝青的2.56倍，說明在46℃～76 ℃溫度范圍內(nèi)，未知瀝青的溫度穩(wěn)定性和抵抗高溫變形要明顯低于改性瀝青。

圖5 2種瀝青的車轍因子

2.3 力學(xué)性能分析

間接拉伸強度試驗可以很好地評價瀝青混合料的拉伸性能，與瀝青路面的低溫抗裂性能、疲勞性能和車轍性能具有很好的相關(guān)性，間接拉伸強度越大，瀝青混合料的黏聚能力越強度，瀝青混合料的抗開裂性能越強[12-13]。表1為2種瀝青混合料物理力學(xué)性能指標匯總。從表1可以看出，改性瀝青路面芯樣在25 ℃的間接拉伸強度為1.97 MPa，未知瀝青路段芯樣間接拉伸強度為1.58 MPa。說明服役瀝青路面在25 ℃溫度條件下，未知瀝青路面的抗裂性能明顯低于改性瀝青路段。一般而言，瀝青混合料低溫破壞時的最大彎拉應(yīng)變越大，則其低溫抗裂性能越好。由表1中知，未知瀝青路面混合料的-10 ℃破壞彎拉應(yīng)變比改性瀝青路段混合料低25.4%，說明未知瀝青路面低溫抗裂性能低于改性瀝青路段。一般來說，較高的回彈模量表明材料具有更大的抗變形能力。試驗結(jié)果還表明，未知瀝青混合料的間接拉伸回彈模量為4050MPa，低于改性瀝青混合料的5741MPa，這表明未知瀝青混合料的抗變形能力比改性瀝青混合料差。

表1 2種瀝青混合料物理力學(xué)性能指標匯總類型25 ℃劈裂試驗結(jié)果/MPa-10 ℃低溫彎曲破壞應(yīng)變/με40 ℃間接拉伸回彈模量/MPa改性瀝青混合料1.971 486.55 741未知瀝青混合料1.581 109.44 050

未知瀝青混合料的25℃間接拉伸強度、-10℃低溫彎曲破壞應(yīng)變、40℃間接拉伸回彈模量比改性瀝青路段分別低19.8%、25.4%和29.5%，說明未知瀝青路面的高、低溫性能及疲勞性能都要明顯低于改性瀝青路面，因此推測未知瀝青無SBS改性劑。

3 結(jié)語

通過本文提出的定性分析方法，可判斷出服役瀝青路面中是否含有SBS改性劑。

1) 檢測結(jié)果表明，未知瀝青混合料中瀝青材料的紅外光譜圖無966cm-1特征吸收峰和699cm-1特征吸收峰，不符合SBS改性劑的紅外光譜特征峰，初步判斷未知瀝青路段上面層無SBS改性劑。

2)在試驗溫度46 ℃～76 ℃范圍內(nèi)，未知瀝青樣品的復(fù)數(shù)模量是SBS改性瀝青的40.0%～53.8%，未知樣品的相位角均大于同溫度條件下的改性瀝青相位角。

3)未知瀝青混合料的25 ℃間接拉伸強度、-10 ℃低溫彎曲破壞應(yīng)變、40 ℃間接拉伸回彈模量比改性瀝青路段分別低19.8%、25.4%和29.5%，說明未知瀝青路面的高、低溫性能及疲勞性能均明顯低于改性瀝青路段，因此，判斷未知瀝青中無SBS改性劑。

4)結(jié)合瀝青材料化學(xué)組成結(jié)構(gòu)的檢測分析以及流變特性和力學(xué)性能的佐證，判定未知瀝青路段所用瀝青中無SBS改性劑。