郭忠寶

(遼寧省交通建設(shè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

瀝青路面在服役過程中由于受到自然環(huán)境和行車荷載的作用，加之施工技術(shù)水平等因素，不可避免地會產(chǎn)生諸如坑槽等病害，當(dāng)瀝青路面的坑槽得不到及時的修補，水逐漸滲入到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部時會對瀝青路面的耐久性造成極大影響[1]。同時，坑槽的出現(xiàn)會極大地影響行車安全和舒適性。目前常用的瀝青路面坑槽冷補材料分為稀釋型、乳化型和反應(yīng)型，由于稀釋型冷補料具有使用范圍較廣、造價較低、生產(chǎn)工藝簡單等諸多優(yōu)點，因此，針對瀝青路面坑槽用稀釋型冷補瀝青混合料所用膠結(jié)料進(jìn)行研制，同時對其相關(guān)性能進(jìn)行評價。

1 原材料選擇

1.1 基質(zhì)瀝青

選用重交90#基質(zhì)瀝青，具體性能指標(biāo)見表1。

表1 90#基質(zhì)瀝青主要性能指標(biāo)

1.2 稀釋劑

對于稀釋型冷補瀝青混合料，為滿足施工要求，需加入一定量的稀釋劑用來調(diào)和瀝青，根據(jù)冷補瀝青混合料特殊的路用要求，所選用的稀釋劑應(yīng)對改性劑和基質(zhì)瀝青有較大的溶解能力，能形成均勻穩(wěn)定的體系，目前常用的稀釋劑包括柴油、煤油、溶劑油等。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，本項目選用溶劑油作為研究的稀釋劑。

1.3 添加劑

稀釋性冷補瀝青混合料的強(qiáng)度隨著稀釋劑的揮發(fā)而逐漸提高，但由于稀釋劑的存在，在稀釋劑未完全揮發(fā)的情況下，混合料的強(qiáng)度會受到一定程度的影響。因此，在研究中，分別選擇了增溶劑、增粘劑和抗剝落劑加入瀝青中，提高冷補瀝青混合料的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度，從而提高其早期路用性能和力學(xué)性能。其中改性劑選用線形結(jié)構(gòu)的SBS 1301。

2 傅里葉紅外光譜試驗分析

為對增粘劑和抗剝落劑在冷補瀝青膠結(jié)料中所產(chǎn)生的作用進(jìn)行分析，采用傅里葉紅外光譜(FTIR)對其化學(xué)組成進(jìn)行分析，探討其作用機(jī)理。測試結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 增粘劑紅外光譜測試結(jié)果

圖2 抗剝落劑紅外光譜測試結(jié)果

2.1 增粘劑測試結(jié)果

如圖1所示，處于3030cm-1的峰分別歸屬為增粘劑分子的芳香環(huán)的C-H伸縮振動和亞甲基的伸縮振動，在1605cm-1處的峰增粘劑分子的苯環(huán)特征雙鍵的特征峰，在800～690cm-1處的吸收峰歸屬為芳香環(huán)不飽和C-H的面外彎曲振動，這些特征都說明了增粘劑中含有芳香環(huán)；另外，在2928cm-1的峰為飽和C-H伸縮振動，在1448cm-1和1374cm-1的峰為飽和C-H的彎曲振動，1737cm-1處為羰基的伸縮振動。

2.2 抗剝落劑測試結(jié)果

如圖2所示，在1550cm-1和1641cm-1的峰歸屬為酰胺的振動吸收，在3305cm-1的峰為胺基的特征峰，在3007cm-1、2953cm-1、2852cm-1出現(xiàn)的峰為亞甲基的伸縮振動，可以看出本樣品成分中含有聚酰胺。相比于亞甲基吸收峰強(qiáng)度，酰胺與胺基的吸收峰均較弱，含量較少，說明抗剝落劑中聚酰胺的烷基鏈很長，聚酰胺的存在，可以與瀝青有較好的相容性，同時由于聚酰胺的特殊性能，可以形成高強(qiáng)度的粘結(jié)，由此可以提高冷補瀝青與石料的粘附性能，進(jìn)而提高冷補瀝青混合料的早期強(qiáng)度，彌補由于稀釋劑的存在造成的早期強(qiáng)度損失。

3 SBS-增粘劑改性瀝青試驗分析

為評價增粘劑的加入對基質(zhì)瀝青的影響，以SBS-增粘劑改性瀝青為研究對象，線性SBS改性劑摻量5%，測定不同摻量增粘劑/SBS復(fù)合改性瀝青的針入度、軟化點、延度、135℃旋轉(zhuǎn)粘度，結(jié)果如表2所示。

表2 不同摻量增粘劑/SBS改性瀝青性能測試數(shù)據(jù)

由表2可以看出，增粘劑的加入可以顯著提高SBS改性瀝青的軟化點，同時其針入度也隨著增粘劑的加入而降低，增粘劑的加入可以在一定程度上提高改性瀝青的稠度，保證了冷補瀝青混合料的粘聚性[2]。同樣可以看出，增粘劑的加入會顯著提高改性瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度。為保證施工的和易性，在后續(xù)的冷補液制備過程中應(yīng)充分考慮由于增粘劑的加入造成的瀝青粘度增加，并重點對施工和易性予以關(guān)注。與此同時增粘劑的加入會降低SBS改性瀝青的延度，并且隨著增粘劑摻量的加大，延度會進(jìn)一步減小。根據(jù)紅外光譜分析可知，所加入的增粘劑中存在苯環(huán)結(jié)構(gòu)，加入改性瀝青中，會降低其混合相的延展性能，導(dǎo)致加入增粘劑后其混合瀝青的延度降低。

4 冷補瀝青液設(shè)計指標(biāo)敏感性因素分析

瀝青粘度及其流動性直接關(guān)系到混合料的和易性、疏松性、壓實性和初始強(qiáng)度。在同樣的溫度下，采用相對低粘度、流動性好的瀝青配制成混合料，雖然疏松性、和易性都好，但初期粘結(jié)力小，不足以抵抗車輪作用產(chǎn)生的剪切力，容易造成松散。瀝青粘度過大、流動性差時，混合料在冷卻過程中或溫度較高時容易結(jié)成硬塊，儲存性能差，施工和易性差，而且不利于壓實，所以選擇在特定溫度下瀝青結(jié)合料的適宜粘度和流動性非常重要。

本項目以粘度及流動性試驗為評價指標(biāo)，對冷補瀝青結(jié)合料進(jìn)行正交試驗。冷補瀝青結(jié)合料的正交設(shè)計考慮的因素主要有：增粘劑添加量、抗剝落劑添加量及稀釋劑添加量三個因素。為重點弄清各因素對冷補瀝青結(jié)合料的影響，試驗分兩次三水平三因素正交實驗。設(shè)計正交試驗的因素、水平如表3所示，然后分別對各冷補瀝青液進(jìn)行黏滯性、流動性的測試。分別對冷補瀝青液的各項性能進(jìn)行敏感性因素分析，選出各單項性能指標(biāo)最優(yōu)時的設(shè)計指標(biāo)組合方案，并對設(shè)計指標(biāo)敏感性進(jìn)行排序。

表3 試驗因素與水平

4.1 黏滯性試驗

本項目所制備的冷補瀝青在25℃時粘度較大，因此，采用60℃時布氏旋轉(zhuǎn)黏度計測量冷補瀝青液的粘度。試驗結(jié)果如表4～表6所示。

表4 黏滯性試驗數(shù)據(jù)表

表5 冷補瀝青黏滯性試驗(60℃)敏感性分析

表6 冷補瀝青黏滯性試驗(60℃)方差分析

4.2 流動性試驗

本試驗用流出相同質(zhì)量冷補瀝青液所需的流動時間作為評價指標(biāo)，較為直觀地反映了冷補瀝青液的流動能力，控制著混合料施工和易性。實驗中，將配好的冷補瀝青液注入試管中，密封保存90min至室溫；室溫條件下，將試管直立，并從試管直立時開始計時，直至流出冷補瀝青液質(zhì)量為10g時計時停止。試驗結(jié)果如表7～表9所示。

表7 流動性試驗數(shù)據(jù)表

表8 冷補瀝青流動性試驗敏感性分析

表9 冷補瀝青流動性試驗方差分析

4.3 正交試驗評價

對上述正交試驗進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表10所示。

表10 各單項性能最優(yōu)時的設(shè)計指標(biāo)組合方案及敏感性排序

從上述極差結(jié)果可以出，稀釋劑對粘度的影響最大，增粘劑次之，抗剝落劑最小。

通過上述分析，冷補瀝青膠結(jié)料的最終組成及比例為：線性SBS改性劑5%、相容劑2.5%、增粘劑摻量4%、抗剝落劑摻量3.5%，稀釋劑摻量宜根據(jù)使用環(huán)境溫度進(jìn)行確定，需保證冷補瀝青混合料在低溫條件下具有較好的施工和易性，一般在30%～40%。

5 結(jié)論

(1)為提高冷補瀝青混合料的路用性能，宜加入改性劑、增粘劑和抗剝落劑，所添加的材料需與基質(zhì)瀝青有較好的相容性。

(2)黏滯性與流動性是一對相對立的性能指標(biāo)，兩者的敏感性因素均為稀釋劑摻量，且稀釋劑對黏滯性的影響更為明顯。因此必須通過調(diào)整稀釋劑摻量以平衡兩者關(guān)系。

(3)通過文獻(xiàn)總結(jié)、實測結(jié)果分析及施工和易性要求，本次研究將冷補瀝青液黏滯性試驗60℃粘度控制為小于2Pa·s。

(4)增粘劑中的芳香環(huán)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加可以提高改性瀝青的相容性，使增粘劑分子能夠更好地吸附在SBS 上，提高了冷補液的穩(wěn)定性。抗剝落劑中含有聚酰胺，聚酰胺的分子間存在氫鍵，且聚酰胺極性很強(qiáng)，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的分子間作用力，具有優(yōu)異的粘結(jié)性能，可以形成高強(qiáng)度的粘結(jié)，可以提高冷補瀝青與石料的粘附性能。

(5)冷補瀝青液的流動時間隨稀釋劑含量增加而減少，流動性顯著提高；其流動時間隨增粘劑含量增加而增加，所以需要控制稀釋劑和增粘劑的相對含量用以控制冷補瀝青液黏度，來達(dá)到粘度增減平衡合理狀態(tài)。結(jié)合60℃黏度數(shù)據(jù)，建議冷補瀝青流動時間不超過240s。