葉 坦

(福建省交通建設(shè)試驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司,福建 福州 350007)

我國(guó)幅員遼闊,不同地區(qū)的氣溫和降水等環(huán)境因素差異較大,在荷載和自然環(huán)境的作用下,瀝青路面會(huì)出現(xiàn)各種病害[1-2]。這些道路病害使得道路的使用壽命大幅度縮短,導(dǎo)致道路的使用性能嚴(yán)重降低[3]。為了保障交通運(yùn)輸?shù)耐〞澈偷缆返氖褂脡勖?除了考慮路面結(jié)構(gòu)和施工設(shè)計(jì)外,還要注重瀝青路面的高低溫性能和抗水損壞能力[4-6]。

早在19世紀(jì),以美國(guó)和歐洲為主的發(fā)達(dá)國(guó)家就已經(jīng)開(kāi)始使用改性瀝青來(lái)提高瀝青混合料的高低溫性能。在20世紀(jì)30年代,英國(guó)開(kāi)始大量使用橡膠改性瀝青[7],此外,聚合物改性瀝青也是一種改善瀝青路面性能的有效方法[8-9]。聚合物通?？煞譃槿箢?彈性體、塑性體和反應(yīng)性聚合物,其中苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)是目前使用最廣泛的彈性體,在瀝青路面抵抗車轍和開(kāi)裂方面有明顯的效果,但是瀝青與骨料之間的剝落問(wèn)題依然存在[10],瀝青與骨料之間的黏附性不足會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)各種病害[11-13]。為解決這一問(wèn)題,很多學(xué)者通過(guò)在瀝青中添加抗剝落劑的方式來(lái)提高瀝青綜合性能的同時(shí),并增強(qiáng)瀝青與骨料之間的黏結(jié)作用[14-15]。張恒龍等[16-17]分析了3種不同類型的抗剝落劑(M1,T9和LOF-6500)及其摻量對(duì)膠粉改性瀝青流變特性的影響,發(fā)現(xiàn)添加抗剝落劑后膠粉改性瀝青的高溫性能等級(jí)并未發(fā)生變化,且抵抗老化的能力有所提升。黃詩(shī)洪[18]使用胺類和硅烷類兩種抗剝落劑對(duì)橡膠粉改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性,通過(guò)測(cè)試復(fù)合改性瀝青的高低溫流變特性發(fā)現(xiàn),硅烷類抗剝落劑可以提高橡膠粉改性瀝青的高溫性能。王建文等[19]將抗剝落劑摻入瀝青混合料中,結(jié)果發(fā)現(xiàn),瀝青混合料的路用性能均有所改善,且抗剝落劑還能提高瀝青混合料的疲勞性能。于浩偉等[20]研究了抗剝落劑摻量對(duì)瀝青性能的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)抗剝落劑摻量為3%～4%時(shí),瀝青混合料的綜合性能最優(yōu)。申愛(ài)琴等[21]發(fā)現(xiàn)抗剝落劑摻量為0.4%時(shí),對(duì)低溫性能的改善效果最佳。

以上研究說(shuō)明,抗剝落劑能提高瀝青及其混合料的整體性能。因此,本文擬采用兩種抗剝落劑(BWH551和LY型)對(duì)瀝青路面上面層常用的SBS改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性,并對(duì)復(fù)合改性瀝青的常規(guī)性能和流變性能進(jìn)行對(duì)比分析,為抗剝落劑在工程上的運(yùn)用提供理論依據(jù)。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 原樣瀝青

選擇SBS改性瀝青為原樣瀝青,其各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

1.1.2 抗剝落劑

本研究選取的抗剝落劑有兩種:一種是生物重油類表面活性劑型抗剝落劑,簡(jiǎn)稱BWH551型抗剝落劑;另一種是環(huán)保型非胺類瀝青抗剝落劑,簡(jiǎn)稱LY型抗剝落劑,兩種抗剝落劑的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 抗剝落劑技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

1.2 復(fù)合改性瀝青制備方法

將SBS改性瀝青加熱至170 ℃左右,隨后加入一定摻量的抗剝落劑,用高速剪切機(jī)在剪切速率4 000 r/min、溫度170 ℃條件下剪切30 min,以促進(jìn)抗剝落劑與瀝青均勻混合。剪切完成后將樣品放到150 ℃的烘箱內(nèi)保溫90 min,待發(fā)育完畢后取出?？箘兟鋭┑膿搅繛?.2%,0.4%和0.6%。

1.3 試驗(yàn)方法

本文采取的試驗(yàn)方法均根據(jù)JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行,其中根據(jù)T 0604—2011,T 0606—2011和T 0606—2011分別進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)和延度試驗(yàn),測(cè)試復(fù)合改性瀝青的三大指標(biāo);為評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的高溫流變特性,通過(guò)T 0628—2011進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn),測(cè)定復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量、相位角和車轍因子,試驗(yàn)溫度為52 ℃～82 ℃;根據(jù)T 0627—2011規(guī)定,開(kāi)展瀝青彎曲蠕變勁度試驗(yàn)測(cè)得復(fù)合改性瀝青的勁度模量和蠕變速率以評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的低溫流變特性,試驗(yàn)溫度為-12 ℃,-18 ℃和-24 ℃;最后根據(jù)接觸角試驗(yàn)評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的黏附性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)物理性能

各復(fù)合改性瀝青針入度、延度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示,由圖1(a)可知,隨著抗剝落劑摻量的增加,復(fù)合改性瀝青的針入度逐漸增加,且LY型抗剝落劑對(duì)SBS改性瀝青針入度影響更大,在相同抗剝落劑摻量下,LY/SBS復(fù)合改性瀝青的針入度大于BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青針入度。由圖1(b)可知,BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青的延度隨抗剝落劑摻量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì),在抗剝落劑摻量為0.4%時(shí)延度達(dá)到最大值,而LY/SBS復(fù)合改性瀝青的延度隨抗剝落劑的加入逐漸增大。與針入度規(guī)律類似,在相同抗剝落劑摻量下,LY/SBS復(fù)合改性瀝青的延度大于BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青延度。由圖1(c)可知,BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青和LY/SBS復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)隨抗剝落劑的增加先升高后降低,針對(duì)BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青,BWH551型抗剝落劑摻量為0.2%時(shí),軟化點(diǎn)最大,而針對(duì)LY/SBS復(fù)合改性瀝青,LY型抗剝落劑摻量為0.4%時(shí),軟化點(diǎn)最大,說(shuō)明BWH551和LY型抗剝落劑摻量分別為0.2%和0.4%時(shí),復(fù)合改性瀝青的高溫性能較好。

2.2 高溫流變性能

溫度掃描試驗(yàn)可以測(cè)定瀝青的動(dòng)態(tài)剪切模量G*和相位角δ,其中G*代表瀝青在某一溫度下抵抗剪切變形的能力,反映了瀝青的高溫穩(wěn)定性,G*越大高溫穩(wěn)定性越好。δ在一定程度上反映瀝青的特性,瀝青中的黏性成分隨δ的增大而增多,彈性成分隨δ的增大而減小,反之亦然。

1)復(fù)數(shù)剪切模量?？箘兟鋭?duì)SBS改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量的影響如圖2所示,從圖2可以發(fā)現(xiàn),隨著溫度的不斷升高,復(fù)合改性瀝青的車轍因子均逐漸降低,這說(shuō)明溫度越高,復(fù)數(shù)剪切模量越小,瀝青在高溫下抵抗變形的能力逐漸減小。此外,在相同溫度條件下,添加0.2%的BWH551型抗剝落劑使得BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量最高,對(duì)于LY/SBS復(fù)合改性瀝青,當(dāng)LY型抗剝落劑摻量為0.4%時(shí),LY/SBS復(fù)合改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量最高。這是因?yàn)長(zhǎng)Y型抗剝落劑中的飽和脂肪酸可以增強(qiáng)瀝青的高溫性能,多乙烯多胺可以增強(qiáng)瀝青的黏附性,當(dāng)LY的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在0.4%～0.6%的范圍內(nèi),瀝青中的飽和脂肪酸過(guò)多,增大了瀝青中飽和分的含量,從而降低了瀝青的稠度。對(duì)比BWH551和LY型抗剝落劑,SBS改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量對(duì)LY型抗剝落劑摻量變化更為敏感。

2)車轍因子。車轍因子是復(fù)數(shù)剪切模量與相位角δ正弦的比值,即G*/sinδ,其反映了瀝青抗永久變形性能,車轍因子越大高溫性越好?？箘兟鋭?duì)SBS改性瀝青車轍因子的影響如圖3所示,隨著抗剝落劑摻量的增大,車轍因子和復(fù)數(shù)剪切模量表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律,即隨著抗剝落劑摻量的增加先增大后減小。針對(duì)BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青,當(dāng)BWH551型抗剝落劑摻量為0.2%時(shí),復(fù)合改性瀝青的車轍因子最大,較SBS改性瀝青,52 ℃～82 ℃試驗(yàn)條件下,車轍因子分別提升了17.5%,23.6%,15.2%,7.4%,12.5%和3.5%。而針對(duì)LY/SBS復(fù)合改性瀝青,摻加0.4%的LY型抗剝落劑使得復(fù)合改性瀝青的車轍因子最大,較SBS改性瀝青,52 ℃～82 ℃試驗(yàn)條件下,車轍因子分別提升了58.7%,56.7%,52.1%,51.8%,75%和32.7%。在相同抗剝落劑摻量條件下,LY型抗剝落劑對(duì)提升SBS改性瀝青的高溫性能更有利。這與LY型抗剝落劑中的飽和脂肪酸可以增強(qiáng)瀝青的高溫性能,多乙烯多胺可以增強(qiáng)瀝青的黏附性有關(guān)。

2.3 低溫流變性能

通過(guò)瀝青彎曲蠕變勁度試驗(yàn)測(cè)得復(fù)合改性瀝青的勁度模量(S)和蠕變速率(m)以評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的低溫抗裂性能。一般來(lái)說(shuō),具有較低的勁度模量和較高的蠕變速率的瀝青具有較好的低溫性能。

1)勁度模量。如圖4所示是抗剝落劑對(duì)SBS改性瀝青勁度模量的影響,從圖4可以明顯地發(fā)現(xiàn),S值隨溫度的下降逐漸增大,表明復(fù)合改性SBS瀝青的脆性和硬度增大,隨著抗剝落劑摻量的增加S值逐漸升高,表明在低溫狀態(tài)下讓瀝青發(fā)生蠕變需要更大的力。隨著B(niǎo)WH551型抗剝落劑摻量的增加,BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青的勁度模量逐漸增加,而隨著LY型抗剝落劑摻量的增加,LY/SBS復(fù)合改性瀝青的勁度模量逐漸降低,LY型抗剝落劑可以優(yōu)化SBS瀝青的低溫性能。

2)蠕變速率。由圖5可知,復(fù)合改性瀝青的蠕變速率隨溫度的降低逐漸下降,表明隨著溫度的降低復(fù)合改性瀝青的低溫松弛特性變差。BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青的蠕變速率隨BWH551型抗剝落劑摻量的增加,蠕變速率先升高后降低,并且在摻量為0.2%時(shí),m達(dá)到最大值。這是因?yàn)楫?dāng)BWH551的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在0%～0.2%的范圍內(nèi),隨著抗剝落劑的加入瀝青中的輕質(zhì)組分增大,從而增大瀝青的流動(dòng)性,使延展性增大。LY/SBS復(fù)合改性瀝青的蠕變速率則隨LY型抗剝落劑摻量的增加逐漸增加,低溫性能越來(lái)越好。結(jié)合溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果,最終確定0.2%為BWH551型抗剝落劑的最佳摻量,0.4%為L(zhǎng)Y型抗剝落劑最佳摻量。

2.4 黏附性分析

1)抗剝落劑對(duì)接觸角的影響。選取0.2%BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青和0.4%LY/SBS復(fù)合改性瀝青作為接觸角試驗(yàn)的研究對(duì)象,其結(jié)果如表3所示,BWH551和LY型抗剝落劑改性后的SBS改性瀝青與試劑的接觸角均有所降低,三種瀝青接觸角大小排序?yàn)?SBS改性瀝青>LY/SBS復(fù)合改性瀝青>BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青。其原因主要是:BWH551型抗剝落劑為表面活性劑型抗剝落劑,與瀝青充分混合后,一定程度上增大了SBS改性瀝青的親水性。LY型抗剝落劑中含有飽和脂肪酸和多乙烯多胺,多乙烯多胺的主要作用為吸附作用,當(dāng)加入SBS改性瀝青后,在很大程度上會(huì)增大SBS改性瀝青的吸附能力。

表3 接觸角測(cè)試結(jié)果

2)抗剝落劑對(duì)表面自由能的影響。根據(jù)接觸角的測(cè)試結(jié)果,求得每種瀝青的色散分量、極性分量和表面自由能,計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 表面能及分量測(cè)試結(jié)果 ergs/cm2

由表4可知,BWH551和LY型抗剝落劑改性后SBS瀝青的表面自由能明顯增大,是因?yàn)檫@兩種抗剝落劑當(dāng)中均含有一種能夠提高瀝青吸附能力的成分,BWH551中含有一種能夠增大瀝青表面張力的溫拌劑成分,LY型抗剝落劑中含有多乙烯多胺,能夠有效提高瀝青的吸附能力。且通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)抗剝落劑摻加到瀝青中后,瀝青的吸附能力明顯增強(qiáng),瀝青的表面自由能也明顯增大,BWH551型抗剝落劑對(duì)提升SBS改性瀝青的黏附性更有利。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,道路上的各種問(wèn)題日漸突出,特別是公路上的超載、超限問(wèn)題日益加劇,同時(shí)瀝青路面不可避免地出現(xiàn)了因材料原因造成的路面早期損害,降低了道路的使用壽命,同時(shí)增加了路面后期養(yǎng)護(hù)和維護(hù)的費(fèi)用,這無(wú)形中加大了工程運(yùn)營(yíng)成本。如何開(kāi)發(fā)能夠同時(shí)兼顧“耐久”“環(huán)保”和“經(jīng)濟(jì)”的道路材料已成為當(dāng)前公路建設(shè)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

本文使用的各種改性劑價(jià)格及一公里高速公路改性劑使用量及費(fèi)用如表5所示。通過(guò)表5的數(shù)據(jù)可知,一公里六車道高速公路所需BWH551和LY型抗剝落劑費(fèi)用分別為0.48萬(wàn)元和0.8萬(wàn)元,從經(jīng)濟(jì)的角度首選應(yīng)為BWH551型抗剝落劑。同時(shí),綜合復(fù)合改性瀝青的高低溫性能和黏附性,BWH551型抗剝落劑是最佳的選擇。

表5 改性劑單價(jià)及費(fèi)用

4 結(jié)論

本研究制備了BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青和LY/SBS復(fù)合改性瀝青,對(duì)復(fù)合改性瀝青的常規(guī)物理性能、高低溫流變特性和黏附性進(jìn)行了分析,主要結(jié)論如下:

1)隨著抗剝落劑含量的增加復(fù)合改性瀝青的針入度逐漸增加,軟化點(diǎn)先增大后減小,BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青的延度隨抗剝落劑摻量的增加先增加后降低,而LY/SBS復(fù)合改性瀝青的延度隨抗剝落劑的加入逐漸增大。

2)隨著B(niǎo)WH551型抗剝落劑摻量的增大,BWH551/SBS復(fù)合改性瀝青的高低溫性呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì),當(dāng)LY型抗剝落劑摻量小于0.4%時(shí),其對(duì)SBS改性瀝青的高溫性能有積極作用,且隨著LY型抗剝落劑摻量的增大,復(fù)合改性瀝青的低溫性能持續(xù)增強(qiáng),推薦BWH551和LY型抗剝落劑摻量分別為0.2%和0.4%。

3)BWH551和LY型抗剝落劑摻加到瀝青中后,瀝青的吸附能力及抗水損害能力明顯增強(qiáng),BWH551型表面活性抗剝落劑對(duì)SBS改性瀝青抗水損害能力的提升幅度明顯高于LY型抗剝落劑。