瀝青路面灌縫密封膠材料的組成與技術(shù)性能

吳建鋒

(甘肅省天水公路局，甘肅 天水 741000)

0 引 言

針對瀝青路面裂縫問題，目前國內(nèi)外通常采用路面開槽再用密封膠封閉路面裂縫的方法，防止水分滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而達到減緩路面病害出現(xiàn)、延長路面使用壽命的效果[1-4]。在國外，Yetkin Yildirimm等[5]對2種不同裂縫修補材料的修補效果進行了長期的跟蹤觀測，其膠結(jié)料分別為橡膠改性瀝青和乳化瀝青，調(diào)查結(jié)果表明：幾種乳化瀝青冷補材料3年后的平均失效率為99.5%，而熱補材料失效率為57.1%，表明熱補材料性能遠遠優(yōu)于冷補材料。近年來，盡管國內(nèi)密封膠來源廣泛，但使用效果不盡理想，高溫下易流淌，特別是低溫性能普遍較差，一到冬季即與裂縫界面撕裂，失去了防水的效果[6-9]?？梢?，密封膠的低溫性能已經(jīng)成為制約瀝青路面灌縫養(yǎng)護技術(shù)發(fā)展的一個關(guān)鍵因素；因此，研制高低溫性能優(yōu)異的密封膠，對于瀝青路面養(yǎng)護及使用性能的提升具有重要意義。

本文采用90#基質(zhì)瀝青，并以星型SBS、60目橡膠粉、增塑劑、礦粉等作為改性劑，進行正交試驗設(shè)計，分析密封膠各組分摻量對其性能的影響，通過三大指標測試初步得出密封膠組分摻量較優(yōu)的3組，制備3種高性能灌縫密封膠，采用基本性能試驗、拉伸試驗和低溫彎曲流變試驗對灌縫密封膠路用性能進行評價。鑒于美國CRAFCO密封膠良好的使用性能，本文將自主研制的密封膠與其進行比較，進而推薦性能優(yōu)異的自制瀝青路面灌縫密封膠材料組成。

1 瀝青路面灌縫密封膠的組成設(shè)計

1.1 原材料

原材料包括：90#基質(zhì)瀝青、星型SBS、60目橡膠粉、增塑劑、礦粉、美國CRAFCO密封膠。

1.2 密封膠制備方法

首先將基質(zhì)瀝青加熱，于150 ℃～160 ℃時向其中加入SBS，溶脹20～30 min；再將上述瀝青加熱，溫度保持在170 ℃～180 ℃，高速剪切30～40 min，之后自然冷卻到150 ℃；加入穩(wěn)定劑硫磺再剪切10 min之后保持恒溫，待其反應30 min；邊攪拌邊加入橡膠粉，高速剪切反應1 h；最后在低速攪拌下分別加入增塑劑、礦粉，攪拌至均勻無塊狀、無絮凝成團物，即可制得瀝青路面用灌縫密封膠。

1.3 正交試驗設(shè)計

為了確定改性劑的最佳配比，首先確定各改性劑摻量的波動范圍：SBS為3%～6%，橡膠粉為10%～25%，增塑劑為1%～2.5%，礦粉為1%～9%。之后選擇SBS摻量、橡膠粉摻量、增塑劑摻量、礦粉摻量4個因素，每種因素進行4個水平設(shè)計，選用L16(44)正交試驗表，如表1所示。

表1中16種密封膠材料的制備嚴格按照上文確定的密封膠制備工藝進行，其改性時間與工藝均相同。制備完成后測試其軟化點、5 ℃延度、25 ℃針入度等常規(guī)指標，初步驗證得出較優(yōu)的3組密封膠材料組成，并分別編號為A、B、C。

(1)16號密封膠(編號為A)：SBS摻量為6%，膠粉摻量為25%，增塑劑摻量為1%，礦粉摻量為6%。其軟化點最佳。

(2)11號密封膠(編號為B)：SBS摻量為5%，橡膠粉摻量為20%，增塑劑摻量為1%，礦粉摻量為3%。其5 ℃延度最佳。

(3)9號密封膠(編號為C)：SBS摻量為5%，橡膠粉摻量為10%，增塑劑摻量為2%，礦粉摻量為9%。其25 ℃針入度最小，稠度最大。

表1 正交試驗設(shè)計表

隨后將3組自制密封膠與瀝青路面修補材料CRAFCO密封膠進行比較，分別從高低溫性能及力學性能方面對灌縫密封膠路用性能進行評價，進而推薦綜合性能優(yōu)異的密封膠最佳材料組成。

2 密封膠技術(shù)性能

2.1 高溫性能

2.1.1 軟化點

采用環(huán)球法測試其軟化點，通常軟化點越高，密封膠的高溫抗軟化性能越好。分別對4種密封膠材料的原樣和老化試樣進行測試。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 軟化點試驗結(jié)果

老化后，密封膠的軟化點均升高，但自主研制的密封膠軟化點增幅略低于國外CRAFCO密封膠。

2.1.2 流動度

流動度的大小在一定程度上可以反映修補材料在高溫情況下的工作狀態(tài)，流動度越小則耐高溫性能越好。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 流動度試驗結(jié)果

4種密封膠的高溫軟化點和高溫流動度均滿足相關(guān)規(guī)范中的技術(shù)要求[10]。

2.2 拉伸力學性能

國際上通常以ASTM密封膠系列標準的黏結(jié)試驗評價瀝青路面密封膠的低溫性能。中國交通行業(yè)標準《路面加熱型密封膠》(JT/T 740—2015)中的低溫拉伸試驗也引自該試驗。

為了模擬路面裂縫在車輛荷載下的受力情況，本研究采用自制裂縫寬度為12 mm的拉伸小梁，利用萬能拉伸試驗機對4種裂縫修補材料進行拉伸測試。試驗溫度選取0 ℃、20 ℃、50 ℃，綜合考慮浸水及老化條件，分別模擬低溫、室溫和高溫條件下裂縫修補材料的抗拉伸能力。試驗結(jié)果如表4、5所示。

表4 4種灌縫密封膠未老化的拉拔試驗結(jié)果

從表1、2中的數(shù)據(jù)可看出，隨著溫度的升高，4種灌縫密封膠拉伸強度均逐漸降低，由于高溫導致灌縫密封膠材料逐漸變軟，瀝青材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)更易滑動、易拉伸，進而導致拉拔強度隨溫度的升高逐漸降低。對比4種灌縫密封膠材料發(fā)現(xiàn)，密封膠A在3個溫度下的拉拔強度都很低，因此不宜作為路面修補材料使用，在接下來的BBR試驗中也不再考慮密封膠A。

表5 4種灌縫密封膠老化后的拉拔試驗結(jié)果

表4中其余3種密封膠的拉拔強度都較高，相差不大，說明其拉伸性能基本相同。進一步觀察浸水、老化后的拉拔強度，發(fā)現(xiàn)其抗拉強度與原樣相比都有大幅度的下降，表明水損害、老化對裂縫修補材料的黏結(jié)性具有一定影響。由于灌縫密封膠材料在長期使用過程中難免會老化，因此需做好路面排水工作，防止水損害造成密封膠失效。

2.3 低溫抗裂性能

低溫抗裂性能對填縫料在寒冷環(huán)境中是否能保持對裂縫的填封作用有至關(guān)重要的影響[11]。美國SHRP計劃為評價瀝青結(jié)合料低溫下抗裂性能，開發(fā)出低溫彎曲流變設(shè)備(BBR)，采用低溫彎曲蠕變勁度模量s和蠕變速率m評價瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性。

為了更深入地研究密封膠老化過程中低溫抗裂性能的劣變趨勢，對密封膠原樣以及薄膜烘箱老化、壓力老化殘留物進行BBR試驗，選擇-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃四個溫度，試驗結(jié)果如表6、7所示。

由3種灌縫密封膠材料BBR試驗結(jié)果可知，溫度在-6 ℃時，所有灌縫密封膠試件均無數(shù)據(jù)，這是因為BBR設(shè)備檢測到試件超過變形的上限(5 mm)，默認灌縫密封膠試件已發(fā)生破壞而終止試驗。因此，在數(shù)據(jù)分析中選取-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃三個溫度下的BBR試驗數(shù)據(jù)進行對比分析。

(1)未老化情況。在-24 ℃溫度下，美國CRAF-CO密封膠(D)的蠕變勁度模量s值和蠕變速率m值分別是210.3和0.392，灌縫密封膠B的蠕變勁度模量s值和蠕變速率m值分別是208.4和0.343，灌縫密封膠C的蠕變勁度模量s值和蠕變速率m值分別是190.7和0.326，表明3種灌縫密封膠未老化時均具有良好的低溫抗裂性能。

表6 3種灌縫密封膠BBR試驗低溫彎曲蠕變勁度模量 MPa

表7 3種灌縫密封膠BBR試驗蠕變速率

(2)短期老化。與未老化情況相比，短期老化后3種灌縫密封膠的蠕變勁度模量s值和蠕變速率m值均有變化。因為短期老化過程中瀝青中的部分輕質(zhì)組分發(fā)生氧化，變?yōu)槟z質(zhì)、瀝青質(zhì)或揮發(fā)損失，造成重組分含量增加，使得瀝青的柔韌性及抵抗永久變形能力降低。

(3)長期老化。經(jīng)過長期老化后，3種灌縫密封膠材料的低溫抗裂性能均有大幅度下降，美國CRAFCO密封膠(D)和密封膠B在-24 ℃下的蠕變勁度模量(s)和蠕變速率值(m)均滿足s≤300 MPa和m≥0.3的技術(shù)要求。而密封膠C在-24 ℃下的蠕變速率值沒有達到規(guī)范要求。究其緣由，一方面，密封膠C中膠粉含量偏低，吸附輕組分有限，導致瀝青中輕組分揮發(fā)及輕組分向重組分轉(zhuǎn)移，瀝青稠度增大；另一方面，密封膠C中礦粉含量較高，也導致密封膠稠度增大，使其低溫抗裂性能下降。與密封膠C相比，密封膠B與美國CRAFCO密封膠(D)的低溫性能更加優(yōu)異。

2.4 瀝青路面灌縫密封膠材料組成推薦

通過對密封膠的高溫性能、拉伸性能及低溫抗裂性能進行測試分析發(fā)現(xiàn)，自主研制的密封膠B與美國CRAFCO密封膠(D)的各項指標最為接近，因此推薦密封膠材料組成如下：SBS摻量為 5%，橡膠粉摻量為20%，增塑劑摻量為1%，礦粉摻量為3%。

3 結(jié) 語

(1)通過正交試驗設(shè)計，優(yōu)化出3種密封膠材料配比，其高溫軟化點、流動度與美國CRAFCO密封膠較為接近。

(2)不同溫度下的浸水試驗表明，浸水后密封膠的拉伸強度均所有下降，尤其是經(jīng)過短期老化，浸水后的拉伸強度與原樣相比呈大幅降低趨勢，因此建議使用過程中盡量避免由水損害造成的裂縫修補材料失效。

(3)相同溫度下，密封膠在老化過程中，蠕變勁度模量逐漸增大，蠕變速率隨之減小，自主研制的密封膠B與美國CRAFCO密封膠的低溫性能表現(xiàn)均較為優(yōu)異，結(jié)合常規(guī)指標測試、拉伸試驗，推薦自主研制的密封膠配比為：SBS摻量為5%，橡膠粉摻量為20%，增塑劑摻量為1%，礦粉摻量為3%。