硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料高溫性能研究

曹凱 ，徐文遠(yuǎn) ，陳丹 ，馮慧敏

0 前言

近年來，隨著“一帶一路”等方針政策的推進(jìn)，我國的道路交通事業(yè)無論在規(guī)模還是在質(zhì)量上都在飛速發(fā)展[1]。但是路面在使用過程中仍然存在嚴(yán)重的車轍、推移、泛油、擁包、鼓包、裂縫、老化等病害問題[2]。因此，研究綜合性能優(yōu)良的改性瀝青及其混合料，延長路面的使用周期，成了解決這些問題的一個(gè)重要方法。SBS改性瀝青因其具有優(yōu)良的綜合性能而廣泛應(yīng)用于公路建設(shè)中，研究復(fù)合改性瀝青混合料以滿足大流量、重荷載、穩(wěn)定、耐久、高強(qiáng)度的路用性能要求已勢在必行。研究發(fā)現(xiàn)，無機(jī)改性材料硅粉具有儲量豐富、成本低廉、比表面積大、導(dǎo)熱系數(shù)小，熱穩(wěn)定性和吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能有效改善瀝青混合料的高溫、低溫、疲勞和水穩(wěn)定性等性能[3-5]。張旭[6]通過紅外光譜，X射線衍射圖譜、差熱和熱重等試驗(yàn)分析了硅藻土的礦物成分和結(jié)構(gòu)，深入研究了硅藻土的改性機(jī)理。譚憶秋等[7]對硅藻土改性瀝青進(jìn)行差示熱掃描分析后發(fā)現(xiàn)，硅藻土能改善瀝青及其混合料的低溫性能。陳團(tuán)結(jié)等[8]通過熱傳導(dǎo)性能試驗(yàn)和凍土地區(qū)公路溫度場有限元分析表明，硅藻土改性瀝青混合料阻熱性能良好，有利于保持凍土地基的穩(wěn)定性。

本文立足硅粉作為瀝青改性劑的優(yōu)良特性及其儲量豐富、工藝簡單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，研究制備硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青材料，通過車轍試驗(yàn)分析了油石比、短期老化、碾壓次數(shù)、水、溫度和荷載對其混合料高溫性能的影響。

1 硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青的制備方案

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青：盤錦AH-90＃，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1；SBS：4601型，廣東惠州李長榮橡膠有限公司生產(chǎn)，其技術(shù)性能指標(biāo)見表2；硅粉：遼寧鞍山鞍美國貿(mào)實(shí)業(yè)開發(fā)有限公司生產(chǎn)，其技術(shù)性能指標(biāo)見表3；穩(wěn)定劑：采用上海肖晃納米科技有限公司生產(chǎn)的硫粉，其技術(shù)指標(biāo)見表4。

表1 基質(zhì)瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

表2 SBS的主要技術(shù)指標(biāo)

表3 硅粉的主要技術(shù)指標(biāo)

表4 硫粉的技術(shù)指標(biāo)

1.2 硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青的制備工藝

采用FLUKOAF25型改性瀝青高速剪切攪拌乳化機(jī)，將基質(zhì)瀝青加熱至熔融狀態(tài)后，分別加入基質(zhì)瀝青質(zhì)量4%和7%的SBS和烘干硅粉，于170～190℃、5000 r/min下在高速剪切攪拌機(jī)中攪拌60 min；然后加入基質(zhì)瀝青質(zhì)量1%的穩(wěn)定劑（硫粉），繼續(xù)攪拌30 min，制得成品硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青。

1.3 硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)

復(fù)合改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)選擇AC-16型級配，結(jié)果見表5。

表5 礦料級配

根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)方法確定AC16-1，AC16-2，AC16-3的最佳油石比分別為5.4%、5.2%、5.3%。

1.4 試驗(yàn)方法

通過車轍試驗(yàn)和浸水車轍試驗(yàn)研究油石比、短期老化、碾壓次數(shù)、水、溫度和荷載對混合料高溫性能的影響。車轍試驗(yàn)按照J(rèn)TGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T 0719—2011“瀝青混合料車轍試驗(yàn)”進(jìn)行。浸水車轍試驗(yàn)是將成型好的車轍試件放入60℃恒溫水槽中浸水6 h后，再進(jìn)行車轍試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 油石比對混合料高溫性能的影響

試驗(yàn)采用級配AC16的硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料，以0.2%為間隔，在相應(yīng)的最佳油石比±0.6%范圍內(nèi)進(jìn)行車轍試驗(yàn)，測試不同瀝青用量條件下硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度，結(jié)果如圖1所示。

圖1 油石比對復(fù)合改性瀝青混合料動穩(wěn)定度的影響

從圖1可以看出，馬歇爾試驗(yàn)確定的最佳油石比較車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度最大時(shí)所對應(yīng)的油石比大，其中AC16-1約大0.2個(gè)百分點(diǎn)、AC16-2約大0.3個(gè)百分點(diǎn)、AC16-3約大0.4個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)瀝青混合料所含瀝青較少時(shí)，石料的表面不能完全被瀝青所裹附或即便瀝能完全裹附石料，但瀝青膜厚度不足，會使混合料的顆粒之間難以有效粘結(jié)成一個(gè)整體，容易在行車荷載的反復(fù)作用下產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而導(dǎo)致瀝青混合料的結(jié)構(gòu)承載力和高溫抗車轍能力下降。但當(dāng)混合料中瀝青含量過多時(shí)，多余的瀝青會在混合料顆粒之間起到潤滑劑的作用，使得混合料在高溫時(shí)更容易產(chǎn)生塑性流動，也會使得混合料的動穩(wěn)定度降低。

2.2 老化對混合料高溫性能的影響

瀝青混合料在拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓過程中始終處于高溫狀態(tài)，必定會存在一定程度的老化。試驗(yàn)對AC16-2級配的SBS改性瀝青混合料和硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

表6 改性瀝青混合料老化前后的動穩(wěn)定度

從表6可以看出，硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的抗車轍能力較強(qiáng)，較SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度提高了30%左右。老化后的硅粉/SBS改性瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度與新拌瀝青混合料相比均有較大提高，表明瀝青混合料經(jīng)過一定程度的老化后其抵抗高溫剪切變形的能力有所增強(qiáng)。這主要是因?yàn)楦男詾r青老化后黏度增大，高溫下的塑性流動變形減小，車轍變形減少。這也解釋了為什么在道路建設(shè)初期很容易產(chǎn)生車轍原因。

2.3 試件碾壓次數(shù)對混合料高溫性能的影響

JTGE20—2011規(guī)定，車轍試件成型時(shí)需將試件碾壓到馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)密實(shí)度（100±1）%為止。試件正式壓實(shí)前，應(yīng)經(jīng)試壓，測定密度后，確定試件的碾壓次數(shù)。對普通瀝青混合料，一般12個(gè)往返左右可達(dá)到要求。

試驗(yàn)將對AC16-2級配硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料分別碾壓12、14、15、16、18次成型車轍試件。其相對應(yīng)的車轍試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 碾壓次數(shù)對動穩(wěn)定度的影響

從表7可以看出，隨著碾壓次數(shù)的增加，動穩(wěn)定度先增大后減小，碾壓次數(shù)為15次時(shí)達(dá)到最大。這是因?yàn)殡S著碾壓次數(shù)的升高，車轍試件存在著一個(gè)壓密的過程，在這過程中混合料之間空隙減小，顆粒與顆粒之間相互擠緊，更加穩(wěn)固。當(dāng)橡膠輪對其施加作用時(shí)，更加穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)使得其抵抗剪切變形的能力增強(qiáng)，動穩(wěn)定度增大。但碾壓次數(shù)過高時(shí)會將石料特別是粗骨料壓碎，使得壓碎面和其他顆粒之間粘聚力減小，反而會降低其高溫性能。而且壓實(shí)次數(shù)多了也會使空隙率變得太小，容易產(chǎn)生泛油等病害。因此，在室內(nèi)成型車轍試件時(shí)要控制好壓實(shí)次數(shù)。

2.4 水對混合料高溫性能的影響

瀝青路面在使用過程中一直會有水的存在。降雨、地表水，甚至空氣中的水分都會使瀝青混合料的性能受到不同程度的影響。硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料用作道路面層，在使用過程中一直會受到水的影響，所以有必要對其在水作用下的高溫性能進(jìn)行研究。

對瀝青混合料在水作用下的高溫性能進(jìn)行研究我國主要采用浸水車轍試驗(yàn)，主要通過將試件放在60℃空氣中保溫6～12 h，再放入60℃的恒溫水槽中進(jìn)行浸水車轍試驗(yàn)或者先將試件放入60℃恒溫水槽中飽水6 h后，再進(jìn)行不浸水車轍試驗(yàn)[9]。本次試驗(yàn)采用的是第2種方法。硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的浸水車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 改性瀝青混合料在浸水和未浸水條件下的動穩(wěn)定度

從圖2可以看出，浸水后3種級配類型的瀝青混合料車轍試件的動穩(wěn)定度均大幅下降。這是因?yàn)樗M(jìn)入車轍試件的空隙中會使瀝青與石料之間的粘聚力和瀝青混合料顆粒與顆粒之間的粘聚力下降，從而易使瀝青從集料表面剝落，混合料難以形成一個(gè)整體，降低混合料的高溫性能。而AC16-1的動穩(wěn)定度降幅最小可能是因?yàn)樵摷壟湫纬傻幕旌狭峡障遁^小，水相對較難進(jìn)入混合料內(nèi)部，從而對其產(chǎn)生一定的保護(hù)作用。

2.5 外界因素對混合料高溫性能的影響

2.5.1 溫度

瀝青路面瀝青混合料作為一種典型的粘彈性材料，其性能對溫度的變化均極為敏感。分別以50、60、70℃為試驗(yàn)溫度對硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，當(dāng)溫度由50℃升至70℃時(shí)，3種級配混合料的動穩(wěn)定度均大幅下降。溫度較高時(shí)瀝青變軟，在行車荷載的作用下更容易產(chǎn)生塑性流動，從而產(chǎn)生更嚴(yán)重的車轍。這也解釋了為什么有的新建道路在夏天特別是夏天極端高溫天氣不久就產(chǎn)生嚴(yán)重的車轍的原因。

圖3 溫度對改性瀝青混合料動穩(wěn)定度的影響

2.5.2 荷載

我國路面在使用過程中，超重現(xiàn)象屢見不鮮。而且，隨著運(yùn)輸任務(wù)的加重，車輛重載化的趨勢越來越明顯。試驗(yàn)分別采用0.7 MPa和1.0 MPa作為試驗(yàn)荷載進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果見表8。

表8 不同荷載下硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度

從表8可以看出，當(dāng)車轍試驗(yàn)的荷載從0.7 MPa增加到1.0 MPa后，動穩(wěn)定度均大幅下降。這也說明在荷載增大時(shí)，瀝青混合料抵抗永久性變形的能力會下降。而AC16-2和AC16-3型級配降幅較小，這可能是因?yàn)檫@2種級配類型中粗骨料較多，形成的骨架能夠抵擋更高的荷載作用。因此，對于重載車輛較多的道路推薦采用粗集料較多一點(diǎn)的級配。

3 結(jié)語

（1）對于硅粉/SBS復(fù)合改性瀝青混合料（AC16），馬歇爾試驗(yàn)確定的最佳油石比較車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度最大時(shí)對應(yīng)的油石比約大0.3個(gè)百分點(diǎn)。

（2）老化后硅粉/SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度較老化前增大。隨著碾壓次數(shù)的增多，改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度先提高后降低，碾壓次數(shù)為15次時(shí)達(dá)到最大。

（3）水的存在會使改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度大幅下降，當(dāng)混合料中細(xì)集料較多時(shí)能使車轍試件空隙率變小，動穩(wěn)定度的降幅減小。

（4）溫度升高，改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度減??；隨著荷載的增大，動穩(wěn)定度大幅下降，粗集料含量較多時(shí)下降幅度較小。