不同改性劑對瀝青混合料的路用性能影響研究

陳 智 周永浪

(1.長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，長沙 410000；2.中地海外中揚建設(shè)工程有限公司，長沙 410000)

1 引言

國內(nèi)外市政道路路面施工經(jīng)驗表明， 熱帶地區(qū)市政道路面層瀝青混凝土需具備高強(qiáng)、高韌特性，高品質(zhì)的改性瀝青材料作為關(guān)鍵因素，需重點考慮。本研究圍繞某市政道路工程項目， 對熱帶地區(qū)市政道路瀝青混凝土進(jìn)行研究。 由于該市政道路常年處于高溫氣候區(qū)域，地面溫度最高可達(dá)到60℃，因此，改性瀝青材料需適應(yīng)不同服役環(huán)境， 需具備較好的路面高溫抗車轍能力和集料的裹附性[1-2]。 然而，在每年的6-8 月雨水季節(jié)，大量路表雨水的灌入和沖刷會對瀝青路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水損傷影響，瀝青路面材料的使用需具備較好的水穩(wěn)定性， 即在雨水沖刷作用下，瀝青混凝土不發(fā)生開裂、松散問題[3]。 與此同時，車輛超載嚴(yán)重，車輛起步、制動和轉(zhuǎn)彎，都會對地表產(chǎn)生較大的摩擦阻力，易會對路面產(chǎn)生開裂問題，為確保道面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的不劣化， 需采用黏度性較好的高性能瀝青混凝土[4-5]。 相關(guān)研究表明：熱帶地區(qū)市政道路瀝青混合料需具備高粘彈性組分， 既要有較好的抵抗受壓變形的能力，又要具備較好的彈性恢復(fù)效果[6-7]。 本文在比選PE 改性瀝青、橡膠改性瀝青和SBS 改性瀝青的基礎(chǔ)上，分別制備了不同類型的瀝青混合料進(jìn)行路用性能測試， 探究高品質(zhì)、高性能的瀝青路面材料。

2 改性瀝青材料特性研究

為全面提升瀝青路面質(zhì)量和服役水平， 需對瀝青材料進(jìn)行嚴(yán)格把控， 研究對3 種不同類型的改性瀝青材料進(jìn)行性能試驗研究，主要包括針入度、軟化點、黏度等測試指標(biāo)。 相關(guān)測試結(jié)果見表1。

表1 3 種改性瀝青性能技術(shù)指標(biāo)

由表1 可以看出，3 種改性瀝青的性能技術(shù)狀況存在一定差異特性，其中SBS 改性瀝青的針入度、軟化點和黏度值均最小。 相較于SBS 改性瀝青，PE 改性瀝青和橡膠改性瀝青的針入度分別提升7.52%和15.79%， 軟化點分別提升3.85%和7.69%， 黏度分別提升15.24%和54.29%。由于3 種改性瀝青使用的改性劑不同，其改性機(jī)理和形成的技術(shù)性能也均不同。 SBS 改性瀝青采用的改性劑為SBS(苯乙烯類熱塑性彈性體)，與瀝青的融合會形成內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)鉸鏈，形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可促進(jìn)瀝青材料的高溫性能和耐久性； 將廢舊橡膠材料經(jīng)特殊工藝加工得到不同目數(shù)的橡膠粉材料， 橡膠粉材料與瀝青融合過程中吸收瀝青種樹脂， 烴類組分， 橡膠粉不斷濕潤膨脹，使得材料在物理和化學(xué)共同作用下黏度增大，提升整體材料的抵抗彈性變形作用。 PE 的有效組分為聚乙烯，具有強(qiáng)度高、耐久性好等特點，聚乙烯以低于0.03 mm 的細(xì)度分散在瀝青中， 經(jīng)一定試件的融合養(yǎng)生，PE 會不斷溶脹形成空間立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 可提升瀝青材料的延展性和黏度， 制備的瀝青混合料可抵抗高溫環(huán)境下車轍作用影響。從改性瀝青性能測試角度來看，橡膠瀝青的黏度更大，其內(nèi)部的橡膠粘彈組分是關(guān)鍵因素，但對于瀝青混合料性能的影響仍需進(jìn)一步探究分析。

3 改性瀝青混合料性能研究

3.1 配合比設(shè)計

根據(jù)研究需要， 需對改性瀝青混合料的路用性能尤其是高溫性能和水穩(wěn)定性進(jìn)行研究。在此之前，需根據(jù)路面設(shè)計結(jié)構(gòu)與材料說明進(jìn)行配合比設(shè)計。 研究選用的改性瀝青即上述3 種改性瀝青， 粗細(xì)集料均為項目附近的花崗巖石料，填料為普通石灰石礦粉。蒙杜市政道路的面層均采用5 cm 厚0/14 級配改性瀝青混凝土， 其目標(biāo)配合比如圖1 所示，油石比及馬歇爾物理指標(biāo)見表2。

圖1 AC-13 配合比設(shè)計

表2 3 種不同改性瀝青混合料馬歇爾試驗測試結(jié)果

對3 種不同改性瀝青混合料的穩(wěn)定度與流值進(jìn)行繪圖分析，如圖2 所示。

圖2 改性瀝青混合料穩(wěn)定度與流值

由以上圖表可知， 瀝青路面選用0/14 密實型級配，主要考慮了瀝青混合料在嵌擠作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料更加密實，可在一定程度上抵抗重車在起步、制動和轉(zhuǎn)彎時對路表的沖擊作用。 從3 種不同改性瀝青的最佳油石比和馬歇爾試驗物理指標(biāo)來看，SBS 改性瀝青的油石比為4.9，PE 改性瀝青和橡膠改性瀝青的油石比為5.0 和5.2。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是改性瀝青與集料的粘附性有關(guān)，橡膠改性瀝青中的橡膠粉熔融在瀝青中，黏度較大，流動性較差，不利于與集料的均勻裹附。從穩(wěn)定度和流值測試結(jié)果來看，PE 改性瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值結(jié)果最小，處于比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，不易發(fā)生受復(fù)雜多變的服役環(huán)境的影響而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

3.2 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料在高溫環(huán)境下， 容易使內(nèi)部瀝青油脂組分發(fā)生變形和遷移，使得內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，造成路面車轍、麻面、泛油等病害現(xiàn)象。 為保障瀝青路面不產(chǎn)生車轍變形等病害，需全面提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。研究常采用車轍試驗中動穩(wěn)定度指標(biāo)來探究混合料高溫性能技術(shù)狀況，考慮到服役環(huán)境溫度較高，研究采用60℃和70℃兩個溫度水平來研究改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度，相關(guān)測試結(jié)果見圖3～4。

圖3 改性瀝青混合料抗車轍變形

圖4 改性瀝青混合料動穩(wěn)定度

由圖3～4 可知， 對于兩種不同溫度環(huán)境下的車轍試驗結(jié)果而言，PE 改性瀝青混合料的車轍變形深度最小，60℃和70℃時分別達(dá)到1.52 mm 和3.07 mm。 而橡膠改性瀝青混合料的車轍深度是三者中最大的，60℃和70℃時分別達(dá)到2.24 mm 和4.42 mm。 其主要原因是橡膠瀝青混合料中橡膠粉具有較好的粘彈性，在高溫環(huán)境下易產(chǎn)生彈性變形，造成混合料在外部持續(xù)作用下產(chǎn)生車轍， 盡管橡膠改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性達(dá)到路面設(shè)計規(guī)范要求， 但在高溫環(huán)境地區(qū)應(yīng)謹(jǐn)慎使用。 從動穩(wěn)定數(shù)值結(jié)果來看，PE 改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度結(jié)果最大，60℃和70℃時分別達(dá)到3845 次/mm和2418 次/mm。 3 種改性瀝青混合料在70℃時的動穩(wěn)定數(shù)值較60℃時分別下降了37.11%、49.48%和45.11%，說明PE改性瀝青對于高溫環(huán)境下溫度敏感性較低， 不易受溫度變化產(chǎn)生直接性能劣化影響。

3.3 水穩(wěn)定性

瀝青混合料的水穩(wěn)定性是指混合料在水損傷環(huán)境下材料的劣化影響，水損傷既包括了雨水的沖刷浸潤損傷，也包括了在低溫環(huán)境下凍融損傷。 考慮到6-8 月熱帶草原氣候環(huán)境下易產(chǎn)生大量持續(xù)性的雨季， 對瀝青道面抵抗水損傷的要求就更高。 研究對3 種不同改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行測試， 采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來表征混合料的水穩(wěn)定性能，測試結(jié)果見圖5～6。

圖5 改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度

圖6 改性瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比

由圖5～6 可知，3 種改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度分別為89.5%、87.6%、86.4%， 凍融劈裂強(qiáng)度比分別為87.3%、86.5%、83.2%。說明PE 改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能是最佳的，橡膠改性瀝青混合料次之，SBS 改性瀝青混合料最差。 其主要原因是PE 改性瀝青中的聚乙烯和瀝青的油脂成分能夠有效融合，形成不飽和狀態(tài)，使得瀝青的黏度增大，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。 在外部水損傷的環(huán)境下，改性瀝青和集料裹附性較好，能夠延緩內(nèi)部損傷、材料破碎。 而SBS 改性瀝青是SBS 改性劑在瀝青中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在長期的雨水浸潤和沖刷下，內(nèi)部水分子容易滲透到SBS 改性瀝青中，破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)的穩(wěn)定，在一定程度上會造成內(nèi)部混凝土的松散、剝落。

3.4 費用成本分析

從高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性試驗結(jié)果來看，PE 改性瀝青具有較好的性能優(yōu)勢，但考慮到實際生產(chǎn)路面鋪筑的成本，需進(jìn)一步對其費用組成進(jìn)行計算對比，3 種改性瀝青的費用組成如表3 所示。

由表3 分析可知， 對于不同改性劑應(yīng)用到基質(zhì)瀝青中制備改性瀝青，改性劑的摻量控制要求也是不一樣的。 其中，橡膠粉材料的摻量最多，達(dá)到15%。 改性劑成本因為制備工藝及原材料不同，也存在一定的價格差異。其中，SBS 改性劑的費用最高，達(dá)到15600 元/t。通過最終的計算分析，PE 改性瀝青的單位成本費用最低， 價格為3070 元/t， 橡膠改性瀝青分費用與其較為接近，達(dá)到3125 元/t。 而SBS 改性瀝青則達(dá)到3374 元/t，較PE 改性瀝青貴出304 元/t。 若同時考慮3 種不同瀝青混合料油石比，則PE 改性瀝青的單位成本是最低的。 綜合考慮改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及成本，認(rèn)為PE 改性瀝青具有絕對的優(yōu)勢， 可應(yīng)用于熱帶地區(qū)市政道路瀝青面層的鋪筑。

表3 不同改性瀝青費用組成分析

4 結(jié)語

本研究以某市政道路工程項目為背景， 對PE 改性瀝青、橡膠改性瀝青、SBS 改性瀝青的技術(shù)性能及其混合料高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為PE 改性瀝青混合料在高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性方面具有絕對優(yōu)勢，通過成本的綜合計算分析，PE 改性瀝青的成本為3070元/t。 研究認(rèn)為PE 改性瀝青混合料具有高強(qiáng)、高黏、高韌等特點，能夠適應(yīng)高溫環(huán)境下路面車轍、水損傷等病害問題，具有較廣的應(yīng)用前景。