瀝青瑪蹄脂碎石混合料抗油蝕性能試驗(yàn)研究

李 強(qiáng)， 馬 翔， 李 珂， 趙 康

(1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 江蘇 南京 210037; 2.機(jī)電產(chǎn)品包裝生物質(zhì)材料國家地方聯(lián)合工程研究中心, 江蘇 南京 210037)

石油瀝青是通過原油加工而來的高分子混合材料，化學(xué)組成復(fù)雜，一般易溶解于燃料油和其他輕油中.作為汽車等道路交通工具的主要燃料，汽油和柴油等燃料油滴漏在瀝青路面上，如果不及時(shí)進(jìn)行清理，會(huì)很快產(chǎn)生油蝕破壞.燃料油能夠溶解瀝青膠結(jié)料，導(dǎo)致集料與瀝青之間的黏附性嚴(yán)重降低甚至喪失，加之高速行駛的車輛會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的真空吸力，造成集料被不斷卷走，最終形成松散、剝落和坑槽等路面病害[1].由于具備良好的抗車轍和抗滑性能，骨架型瀝青瑪蹄脂碎石(stone mastic asphalt，SMA)混合料被廣泛地應(yīng)用于高等級(jí)瀝青路面表面層[2-3].鑒于燃料油主要通過侵蝕瀝青，從而引起瀝青與集料的黏附性能下降，與常規(guī)密級(jí)配瀝青混合料相比，SMA混合料中瀝青和礦粉用量大幅增加，更容易受到油蝕破壞的影響.另外，SMA混合料采用間斷級(jí)配形成粗集料骨架結(jié)構(gòu)，對(duì)瀝青與集料之間的黏附性能要求也更高，油蝕破壞對(duì)其影響也更為嚴(yán)重[4-5].因此，對(duì)SMA混合料的抗油蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)就顯得十分重要.

針對(duì)瀝青混合料抗油蝕性能的研究主要集中于試驗(yàn)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)和抗油蝕改性劑研發(fā)等方面.李善強(qiáng)等[5]采用基于質(zhì)量損失的油蝕度試驗(yàn)方法對(duì)不同類型瀝青進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)改性瀝青表現(xiàn)出較基質(zhì)瀝青更強(qiáng)的抗油蝕性能.通過浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)，査旭東等[6]發(fā)現(xiàn)油蝕后湖瀝青改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性下降20%左右.曹曉峰等[7]采用馬歇爾穩(wěn)定度和浸水飛散試驗(yàn)對(duì)油蝕路段的路面芯樣進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)油蝕瀝青路面的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性均下降了30%左右.Chaturabong等[8]提出了一種乳化瀝青黏層和碎石封層相結(jié)合的表面處治技術(shù)，可以在1.5h之內(nèi)修復(fù)被油蝕的瀝青路面.本文采用室內(nèi)性能試驗(yàn)對(duì)不同類型SMA混合料的抗油蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究瀝青類型、抗油蝕劑摻量和浸油時(shí)間對(duì)其力學(xué)性能和路用性能的影響，并通過掃描電子顯微鏡(SEM)和傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(FTIR)儀對(duì)瀝青混合料的油蝕機(jī)理進(jìn)行分析探討.

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料和配合比設(shè)計(jì)

分別采用70#普通瀝青和SBS改性瀝青進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，其技術(shù)性能指標(biāo)見表1.集料采用玄武巖粗、細(xì)集料和石灰?guī)r礦粉，選取SMA-13級(jí)配，集料的技術(shù)性能和級(jí)配均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求.在SMA混合料中分別摻加混合料質(zhì)量0.3%的木質(zhì)素纖維和瀝青質(zhì)量0.4%的抗剝落劑，通過馬歇爾設(shè)計(jì)法，確定普通瀝青混合料(用70#表示)和SBS改性瀝青混合料(用SBS modified表示)的最佳油石比(質(zhì)量比)分別為6.0%和6.1%，目標(biāo)空隙率均為(3.5± 0.5)%.通過在普通瀝青混合料干拌過程中摻加直投式抗油蝕劑的方式，設(shè)計(jì)了3種抗油蝕SMA混合料，改性劑摻量分別為混合料質(zhì)量的0.2%、0.4%和0.6%，分別用70#-0.2、70#-0.4和70#-0.6表示.抗油蝕劑為黑色粉末，粒徑為0～ 1200μm，在常溫下可以長時(shí)間儲(chǔ)存.

表1 瀝青技術(shù)性能指標(biāo)Table 1 Technical performance index of asphalt

1.2 浸油處理

采用室內(nèi)浸油處理方式來模擬瀝青路面的油蝕過程.對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，浸油容器采用四棱臺(tái)半透明塑料容器，底面邊長118mm，高102mm，頂面邊長132mm.將試件放入容器內(nèi)后，加入500mL 0#柴油.浸油處理后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)浸油時(shí)間短于1d時(shí)，試件油蝕不明顯；當(dāng)浸油時(shí)間超過7d后，試件明顯變得松散，集料顆粒脫落嚴(yán)重，難以進(jìn)行力學(xué)性能測試.因此，最終確定0(未浸油)、1、4、7d這4個(gè)浸油時(shí)間.對(duì)于車轍試驗(yàn)所用的大尺寸試件，由于無法整體浸泡，所以先在試件上覆蓋毛巾，而后將柴油傾倒在毛巾上進(jìn)行間接浸油處理，并且定期添加柴油保證其充分油蝕[9].

1.3 試驗(yàn)方法

分別測試浸油前后SMA混合料的濁度、馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度、車轍、半圓彎曲和凍融劈裂性能，以評(píng)價(jià)油蝕破壞對(duì)其路用性能的影響以及抗油蝕劑的改善效果.

由于水中含有懸浮和膠體狀態(tài)的微粒，使得原來無色透明的水產(chǎn)生渾濁現(xiàn)象的程度叫做濁度，通常適用于水質(zhì)測定[10].借鑒濁度概念，通過改進(jìn)的濁度試驗(yàn)測量浸泡瀝青混合料試件后柴油的濁度，可以準(zhǔn)確地反映油蝕后瀝青和部分集料的損失情況，從而達(dá)到評(píng)價(jià)混合料抗油蝕性能的目的.濁度試驗(yàn)屬于無損檢測，具有測試時(shí)間短、準(zhǔn)確性高、成本低和操作容易等優(yōu)點(diǎn).在濁度試驗(yàn)中，將達(dá)到設(shè)定浸油時(shí)間的試件取出后，先用玻璃棒均勻攪拌浸泡過試件的柴油，再用膠頭滴管從容器中抽取1mL柴油滴入試樣瓶中，加入0#柴油稀釋至設(shè)定刻度處，最終通過濁度儀測得柴油濁度.

在路用性能試驗(yàn)中，混合料試件在達(dá)到設(shè)定浸油時(shí)間后被取出放入烘箱中，在試驗(yàn)溫度下保溫 3h，然后再進(jìn)行測試.除浸油處理外，馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度、車轍和凍融劈裂試驗(yàn)方法同JTG E20—2011《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》一致.劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)溫度為15℃，加載速率為50mm/min.

由于可以對(duì)多種形式的瀝青混合料試件(如馬歇爾試件、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件、車轍板芯樣和路面現(xiàn)場芯樣等)進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果變異性也相對(duì)較小.因此，選擇采用半圓彎曲試驗(yàn)進(jìn)行瀝青混合料低溫抗裂性評(píng)價(jià).將標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件沿直徑切割成2個(gè)相同的半圓試件用于測試，2個(gè)圓棒支點(diǎn)的距離為80mm，如圖1所示.為了與JTG F40—2004采用的小梁彎曲試驗(yàn)條件相統(tǒng)一，半圓彎曲試驗(yàn)溫度為-10℃，加載速率為50mm/min.

圖1 半圓彎曲試驗(yàn)示意圖Fig.1 Diagram of semi-circular bending test(size:mm)

2 結(jié)果與分析

2.1 濁度

以瀝青混合料試件單位質(zhì)量產(chǎn)生的柴油濁度值Tum作為濁度試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo).Tum值越大，瀝青混合料抗油蝕性能越差，結(jié)果如圖2所示.由圖2可見：隨著浸油時(shí)間的增加，浸泡過不同瀝青混合料試件的柴油溶液濁度均明顯增大，瀝青混合料抗油蝕性能逐漸下降；與浸油1d后相比，70#瀝青混合料浸油4d和7d后的Tum值分別提高了15.9%和61.2%；SBS改性瀝青混合料的Tum值增長率略低，也分別達(dá)到了13.5%和49.1%；浸油4d后，70#-0.2、70#-0.4和70#-0.6的Tum值比70#瀝青混合料分別減小了2.4%、12.0%和13.5%；浸油7d后更為明顯，減小幅度更是分別達(dá)到17.0%、26.1%和30.0%.因此，70#瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的Tum值無顯著差異.摻加抗油蝕劑可以明顯提高瀝青混合料的抗油蝕性能，其提高幅度隨著改性劑摻量的增加而增大，但是當(dāng)摻量超過0.4%時(shí)，其提高效果就不明顯了.

圖2 浸油時(shí)間對(duì)柴油濁度的影響Fig.2 Effect of corrosion time on turbidity of diesel oil

2.2 力學(xué)性能

分別采用油蝕殘留穩(wěn)定度比ORms(浸油后與浸油前穩(wěn)定度MS之比)和油蝕殘留強(qiáng)度比ORss(浸油后與浸油前劈裂強(qiáng)度SS之比)作為馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果如圖3所示.由圖3可見：浸油時(shí)間、瀝青類型和改性劑摻量都對(duì)浸油后SMA混合料的力學(xué)性能有顯著的影響；各種瀝青混合料的ORms和ORss值均隨著浸油時(shí)間的增加而不斷減小，浸油7d后，70#和70#-0.2瀝青混合料的MS值已低于JTG F40—2004要求(普通瀝青SMA≥5.5kN、改性瀝青SMA≥ 6kN).在浸油前或浸油時(shí)間較短時(shí)，SBS改性瀝青混合料的力學(xué)性能均明顯優(yōu)于其他瀝青混合料，但是其優(yōu)勢隨著浸油時(shí)間增加而不斷削弱；浸油 7d 后，其MS和SS值均已低于改性劑摻量較高的70#-0.4和70#-0.6，其MS值也已達(dá)不到JTG F40—2004要求，說明在長時(shí)間油蝕情況下SBS聚合物對(duì)瀝青的良好改性作用會(huì)逐漸失效.改性劑摻量較高的抗油蝕瀝青混合料油蝕后的殘留力學(xué)性能總是優(yōu)于其他混合料，在浸油時(shí)間達(dá)到7d后尤為明顯，其ORms和ORss值比其他混合料分別提高了26.2%～33.0%和13.8%～25.9%.同樣地，當(dāng)改性劑摻量大于0.4%時(shí)，其進(jìn)一步改善的效果就不明顯了.

圖3 瀝青混合料浸油前后性能的變化Fig.3 Variation of performance of asphalt mixtures before and after oil corrosion

2.3 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)動(dòng)穩(wěn)定度(DS)和車轍深度(RD)的結(jié)果見表2.由表2可見：盡管在浸油前所有瀝青混合料的DS值均滿足JTG F40—2004對(duì)夏炎熱冬冷(1-3)區(qū)的技術(shù)要求(普通瀝青SMA ≥1500次/mm、改性瀝青SMA≥3000次/mm)，但是隨著油蝕程度的加深，70#和SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不斷下降；浸油7d后，兩者的DS值分別減小了68.6%和46.7%，且均低于JTG F40—2004要求.由于采用的抗油蝕劑在高溫下兼具實(shí)現(xiàn)瀝青混合料膠結(jié)、加筋和機(jī)械嵌擠的功能，因此即使在浸油前抗油蝕瀝青混合料也具有最優(yōu)的抗車轍性能，長時(shí)間浸油后其仍能保持足夠的性能.尤其是當(dāng)抗油蝕劑摻量達(dá)到0.4%和0.6%時(shí)，其浸油7d后的DS值僅比浸油前分別減小了24.3%和22.9%，且均滿足JTG F40—2004對(duì)改性瀝青SMA混合料的要求.

表2 浸油前后車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Wheel tracking test results before and after oil corrosion

2.4 低溫抗裂性

半圓彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)抗拉強(qiáng)度(σf)、破壞應(yīng)變(εf)、回彈模量(Mr)和應(yīng)變能密度(Es，斷裂時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)應(yīng)面積)的結(jié)果見表3.由表3可見：浸油前后SBS改性瀝青混合料均表現(xiàn)出比其他混合料更好的低溫抗裂性；在浸油前普通瀝青和抗油蝕瀝青混合料的各項(xiàng)指標(biāo)均無明顯差異，說明即使在不發(fā)生油蝕破壞的情況下，摻加抗油蝕劑也不會(huì)降低瀝青混合料的低溫性能；而隨著浸油時(shí)間的增加，不同混合料的各種低溫性能指標(biāo)均有所下降，抗油蝕劑也逐漸發(fā)揮作用.例如，與浸油前相比，浸油7d后普通瀝青和SBS改性瀝青混合料的Es值分別減小了30.6%和29.4%，而抗油蝕瀝青混合料Es值的降幅只有15.1%～20.0%.對(duì)比車轍和半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果可以看出，油蝕破壞對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響要明顯弱于對(duì)其高溫性能的影響，這主要是因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)瀝青膠結(jié)料內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如其在高溫時(shí)活躍，瀝青膠體結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定.

表3 浸油前后半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Semi-circular bending test results before and after oil corrosion

2.5 水穩(wěn)定性

采用凍融殘留強(qiáng)度比WRss(凍融后與凍融前劈裂強(qiáng)度之比)作為凍融劈裂試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果如圖4所示.由圖4可見：在浸油前WRss值從大到小依次為SBS改性瀝青混合料、抗油蝕瀝青混合料和普通瀝青混合料，但是不同混合料之間并沒有顯著差異；隨著浸油時(shí)間的增加，各種混合料水穩(wěn)定性逐漸出現(xiàn)不同程度的下降，且降幅不斷增大；浸油4d后，普通瀝青和SBS改性瀝青混合料的WRss值均已降低到JTG F40—2004要求以下(普通瀝青SMA≥75%、改性瀝青SMA≥80%)；浸油7d后2種混合料的WRss值比浸油前分別減小了24.2%和19.9%.因?yàn)橛臀g主要破壞瀝青與集料界面間的黏附能力，所以摻加抗油蝕劑可以顯著改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性，且隨著其摻量的增加，改善效果愈趨明顯.當(dāng)普通瀝青混合料中摻加0.4%及以上的抗油蝕劑時(shí)，即使浸油7d后，其WRss值也僅比浸油前減小了6.8%～8.0%，仍能滿足JTG F40—2004對(duì)改性瀝青SMA混合料的要求.結(jié)合劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，考慮到在發(fā)生油蝕破壞后，抗油蝕瀝青混合料的凍融前劈裂強(qiáng)度已大于其他混合料.因此，在柴油和水耦合作用下，通過摻加抗油蝕劑來保持SMA混合料力學(xué)性能有著更為顯著的效果.

圖4 浸油前后凍融殘留強(qiáng)度比的變化Fig.4 Variation of freeze-thaw residual splitting strength ratio before and after oil corrosion

3 油蝕機(jī)理分析

在拌和好的松散瀝青混合料中選取若干顆粒徑為4.75～9.5mm的粗集料顆粒，將其干燥后放在銅薄片上，然后在混合料表面鍍上1層導(dǎo)電膜，使其附著導(dǎo)電材料，即進(jìn)行噴金處理，最終采用QUANTA200型SEM對(duì)浸油前后SMA混合料的表面結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖5所示.由圖5可見： (1)浸 油前普通瀝青混合料具有明顯的片狀褶皺結(jié)構(gòu)，紋理粗糙，瀝青膜沒有完全裹覆集料顆粒；SBS改性瀝青和抗油蝕瀝青混合料表面則較為平整，瀝青膜對(duì)集料顆粒的裹覆和填充較為充分.(2)浸油 7d 后，所有混合料都出現(xiàn)不同程度的油蝕破壞；普通瀝青和SBS改性瀝青混合料表面呈現(xiàn)出粗糙松散的團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，集料顆粒上的瀝青膜大面積剝離，大量未裹覆瀝青的細(xì)集料脫落，油蝕行為破壞了瀝青與集料界面間的黏附性，造成混合料級(jí)配和整體性的劣化；抗油蝕瀝青混合料表面為薄層狀平面結(jié)構(gòu)，細(xì)集料脫落較少，浸油后大部分瀝青膜還能保留在集料顆粒表面，因此還能維持較好的黏附性和整體性.

圖5 浸油前后瀝青混合料微觀形貌Fig.5 Microscopic morphology of asphalt mixtures before and after oil corrosion

圖6 浸油前后瀝青紅外吸收光譜Fig.6 FTIR spectra of asphalt binders before andafter oil corrosion

4 結(jié)論

(1)隨著浸油時(shí)間的延長，各種SMA混合料的抗油蝕性能出現(xiàn)不同程度的下降，且降幅呈增大趨勢，浸泡過瀝青混合料的柴油溶液濁度不斷增大，瀝青混合料的力學(xué)性能和路用性能均逐漸降低.

(2)浸油后70#瀝青混合料的力學(xué)性能和路用性能下降幅度最大.SBS改性瀝青在浸油時(shí)間較短時(shí)可以對(duì)混合料起到“油蝕保護(hù)”的作用，但是經(jīng)過長時(shí)間浸油后其作用逐漸失效.

(3)浸油前摻加抗油蝕劑的SMA混合料表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫性能、良好的水穩(wěn)定性和相當(dāng)?shù)牡蜏匦阅?，浸油后其抗油蝕性能優(yōu)勢逐漸發(fā)揮，長時(shí)間浸油后仍能保持足夠的力學(xué)和路用性能.抗油蝕性能的改善效果隨著改性劑摻量的增加而逐漸增大，當(dāng)摻量達(dá)到混合料質(zhì)量的0.4%時(shí)，浸油7d后其各項(xiàng)性能指標(biāo)均能達(dá)到規(guī)范對(duì)改性瀝青混合料的要求.綜合考慮成本和改善效果確定抗油蝕劑的最佳摻量為混合料質(zhì)量的0.4%.

(4)發(fā)生油蝕后，70#和SBS改性瀝青混合料表面呈現(xiàn)粗糙松散的團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，大量瀝青膜從集料顆粒上剝離，造成瀝青與集料間的黏附性明顯下降.抗油蝕瀝青混合料表面為薄層狀平面結(jié)構(gòu)，瀝青膜裹附完整，瀝青與集料間的黏附性及混合料的整體性均較好.柴油主要溶解了瀝青中的芳香族化合物，其中強(qiáng)極性成分的潛在損失嚴(yán)重影響了瀝青與集料的黏附作用，而加入抗油蝕劑可以對(duì)油蝕行為進(jìn)行有效地抑制.