溶劑型冷補(bǔ)瀝青及混合料的性能評價(jià)

耿立濤, 王麗艷, 姜成嶺, 張 哲, 韓方顏

(1.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250101; 2.齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司, 山東 濟(jì)南 250101; 3.青島科凱達(dá)橡塑有限公司, 山東 青島 266109; 4.德州市公路事業(yè)發(fā)展中心, 山東 德州 253006)

坑槽是瀝青路面的常見病害之一,對路面結(jié)構(gòu)、使用壽命及行車安全均有顯著影響,具有“即現(xiàn)、即修”的客觀需求[1-2].坑槽修補(bǔ)是瀝青路面日常養(yǎng)護(hù)工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容,傳統(tǒng)采用熱拌瀝青混合料修補(bǔ)技術(shù),其優(yōu)勢在于材料性能穩(wěn)定、施工工藝成熟.然而,熱拌瀝青混合料往往配合道路工程建設(shè)項(xiàng)目集中量產(chǎn),且受季節(jié)限制,路面坑槽則具有產(chǎn)生時(shí)間不一、出現(xiàn)位置分散和單位材料需求量小等特點(diǎn),兩者在供需用量和時(shí)間上均存在矛盾,導(dǎo)致路面坑槽無法及時(shí)得到修補(bǔ),對路面服務(wù)質(zhì)量及使用壽命造成影響[3].

國內(nèi)外道路工作者在坑槽修補(bǔ)材料方面進(jìn)行了長期而積極的探索.冷拌瀝青混合料用于坑槽修補(bǔ)具有使用便捷、修復(fù)及時(shí)和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢,避免了傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料坑槽修補(bǔ)不及時(shí)、余料浪費(fèi)等缺陷,從而得到廣泛認(rèn)可[4-6].目前,關(guān)于坑槽冷補(bǔ)瀝青混合料的研究集中在冷補(bǔ)瀝青添加劑的研發(fā)、冷補(bǔ)瀝青稀釋劑的優(yōu)選、冷補(bǔ)瀝青混合料的優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能評價(jià)等方面[7-9].從目前國內(nèi)外關(guān)于冷補(bǔ)瀝青混合料的研究成果看,美國、加拿大、日本等國家的研究水平較高、應(yīng)用效果較好,但進(jìn)口商品化冷補(bǔ)瀝青混合料(或添加劑)高昂的價(jià)格成為制約國內(nèi)應(yīng)用的主要因素[10-11];國內(nèi)主要采用石油樹脂、萜烯樹脂、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)和聚酰胺等基礎(chǔ)材料研制冷補(bǔ)瀝青添加劑[12-13],此類材料的附著力、抗氧化性和熱穩(wěn)定性相對較好,但由于其熔點(diǎn)較低、低溫脆性大、低溫及水環(huán)境下與石料的黏附性不理想,一些地區(qū)秋冬季節(jié)用冷補(bǔ)瀝青混合料進(jìn)行坑槽修補(bǔ)后,春融季節(jié)即發(fā)生松散、脫落等病害[14-18].

針對國內(nèi)冷補(bǔ)瀝青添加劑黏附性差的技術(shù)局限,優(yōu)選乙烯基類硅氧烷、不飽和脂肪酸和醇類潤濕劑等基礎(chǔ)材料，合成了一種冷補(bǔ)瀝青添加劑,并以柴油為稀釋劑對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性,設(shè)計(jì)制備了溶劑型冷補(bǔ)瀝青(SCPA),根據(jù)黏度和黏附性測試結(jié)果優(yōu)選了SCPA配方,借助傅里葉變換紅外光譜(FTIR)和差示掃描量熱法(DSC),分析了冷補(bǔ)瀝青添加劑對瀝青的改性作用,進(jìn)而完成了溶劑型冷補(bǔ)瀝青混合料(SCPAM)的設(shè)計(jì)與性能評價(jià),驗(yàn)證了冷補(bǔ)瀝青添加劑對SCPAM性能的改善效果.

1 冷補(bǔ)瀝青添加劑的合成

利用乙烯基類硅氧烷、不飽和脂肪酸、醇類潤濕劑等材料的協(xié)同效應(yīng)實(shí)現(xiàn)改善冷補(bǔ)瀝青的低溫黏性、耐候性、耐剝離性等目的,以偶氮類引發(fā)劑引發(fā)化學(xué)反應(yīng),以鏈終止劑母液控制化學(xué)反應(yīng)程度.具體合成工藝為：在10L高壓高磁力反應(yīng)釜中,按比例加入凝固點(diǎn)為-35℃的輕質(zhì)柴油、棕櫚油酸和烯丙基三乙基硅烷,將體系抽真空后,通氮?dú)庵脫Q3次;將混合物攪拌均勻,預(yù)熱反應(yīng)釜內(nèi)混合物,將其升溫至40℃;30min內(nèi)分3次將偶氮二異庚腈溶于丙酮中,將得到的丙酮溶液加入反應(yīng)釜中,繼續(xù)攪拌并將混合溶液升溫至120℃,在此溫度下以120r/min的速度勻速攪拌8h,熟化3h;向上述反應(yīng)體系中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的叔丁基對苯二酚的輕質(zhì)柴油溶液和丙三醇,以大于等于120r/min的速度勻速攪拌2h,攪拌均勻后降溫至40℃,得到冷補(bǔ)瀝青添加劑.其pH值為7.0,相對密度為0.85～0.90,外觀為棕黑色油狀液體.

2 SCPA的制備及性能表征

2.1 SCPA的制備

以70#道路石油瀝青為基質(zhì)瀝青,0#柴油為稀釋劑,加入合成的冷補(bǔ)瀝青添加劑制備SCPA.制備工藝為：將基質(zhì)瀝青加熱至135℃,按比例加入柴油,經(jīng)0.5～1.0h攪拌均勻后獲得母體瀝青(IA);控制母體瀝青的溫度在85～100℃之間,按比例加入冷補(bǔ)瀝青添加劑并持續(xù)攪拌4.0～6.0h,得到SCPA.

為優(yōu)化基質(zhì)瀝青、柴油及冷補(bǔ)瀝青添加劑的摻配比例,設(shè)計(jì)了多組配方進(jìn)行SCPA的制備,同時(shí)測試了其黏度和黏附性指標(biāo).黏度指標(biāo)根據(jù)JTG E20—2011《布洛克菲爾德黏度計(jì)方法》,以60℃旋轉(zhuǎn)黏度來表征.黏附性指標(biāo)根據(jù)JTG E20—2011《瀝青與粗集料的黏附性試驗(yàn)方法》進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后進(jìn)行測試：選擇S12規(guī)格的石灰?guī)r集料475g與25g SCPA拌和5min,稱取混合物50g煮沸2min后,隨機(jī)撿取100粒浸煮后的集料置于方格紙上,逐一檢查集料是否完全被瀝青裹覆,計(jì)算完全被瀝青裹覆的集料的數(shù)量n,以n/100×100%表征SCPA與集料的黏附性.表1為不同配方SCPA的黏度與黏附性測試結(jié)果.

黏度是表征SCPA施工和易性的重要指標(biāo),為使SCPA易于拌和并均勻裹覆石料,其60℃旋轉(zhuǎn)黏度通常要求在0.8～1.6Pa·s之間[19-20],高溫季節(jié)時(shí)側(cè)重于考慮材料的高溫性能,其黏度可適當(dāng)調(diào)高,低溫季節(jié)則相反.由表1可見：SCPA的黏度隨柴油與冷補(bǔ)瀝青添加劑總體比例的增加而降低;摻加冷補(bǔ)瀝青添加劑之前,母體瀝青的黏度隨柴油摻量(1)文中涉及的摻量、用量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).的增加而降低,冷補(bǔ)瀝青添加劑的加入對SCPA的黏度略有影響,但影響程度明顯低于柴油;引入冷補(bǔ)瀝青添加劑后,當(dāng)基質(zhì)瀝青和柴油的質(zhì)量比介于(73～77)∶(20～24)時(shí),SCPA的60℃旋轉(zhuǎn)黏度介于0.787～1.366Pa·s之間,滿足溶劑型冷補(bǔ)瀝青黏度的一般要求.

表1 不同配方SCPA的黏度與黏附性測試結(jié)果Table 1 Brookfield viscosity and coating percentage of SCPA binders

黏附性是評價(jià)冷補(bǔ)瀝青混合料水穩(wěn)定性的重要指標(biāo),而溶劑型冷補(bǔ)瀝青與礦料的黏附性優(yōu)劣與冷補(bǔ)瀝青混合料的水穩(wěn)定性直接相關(guān)[12-13],目前國內(nèi)常見冷補(bǔ)瀝青混合料使用性能不理想的主要原因在于黏附性不佳.由表1的黏附性測試結(jié)果可見：母體瀝青與集料之間并無黏附性,其裹附率均為0%;加入冷補(bǔ)瀝青添加劑后,SCPA與集料的黏附性得到明顯提高;冷補(bǔ)瀝青添加劑摻量為3%以上時(shí),SCPA的裹附率均可達(dá)到100%.綜合考慮SCPA的技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性,本文后續(xù)研究選用m(瀝青)∶m(柴油)∶m(冷補(bǔ)瀝青添加劑)=75∶22∶3的配比制備SCPA.

2.2 SCPA的紅外光譜分析

冷補(bǔ)瀝青混合料通常采用石灰?guī)r作為集料進(jìn)行拌和,考慮到難于直接檢測冷補(bǔ)瀝青裹覆在石料上后能否發(fā)生化學(xué)反應(yīng),因此采用在冷補(bǔ)瀝青中添加石灰?guī)r質(zhì)礦粉的方式來觀察裹覆集料后冷補(bǔ)瀝青分子組成的變化.利用FTIR分別測試了母體瀝青、礦粉摻量為30%的母體瀝青(IAMP)及溶劑型冷補(bǔ)瀝青(SCPAMP)主要官能團(tuán)吸收峰的變化.摻礦粉前后母體瀝青與SCPA的紅外光譜如圖1所示.

由圖1可見：添加礦粉前后的母體瀝青并未產(chǎn)生新的吸收峰,說明母體瀝青與礦粉之間并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng);SCPA與母體瀝青的基本特征峰相同,3275、1650cm-1處出現(xiàn)的2個(gè)新吸收峰為冷補(bǔ)瀝青添加劑中可水解烷氧基及碳基的收縮振動(dòng);添加礦粉后的SCPA分別在1825、2525cm-1處形成了新的吸收峰,為羰基與硫氫基的伸縮振動(dòng),是冷補(bǔ)瀝青添加劑中烷氧基、不飽和脂肪酸等基團(tuán)與碳酸鹽發(fā)生了羰基化反應(yīng),表明SCPA與石料表面物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),從而提高兩相界面的黏附性.需要指出的是,冷補(bǔ)瀝青添加劑中硅烷分子中的硅醇鍵也可以相互締合形成表面膜附著于石料表面,有助于提升SCPA與石料的黏附性,從而可增強(qiáng)SCPAM的路用性能.

圖1 摻礦粉前后母體瀝青與SCPA的紅外光譜Fig.1 FITR spectra of SCPA and index asphalt before and after mixing mineral powder

2.3 SCPA的熱穩(wěn)定性分析

為進(jìn)一步研究冷補(bǔ)瀝青添加劑對SCPA溫度敏感性的影響,利用DSC測量了同一溫度變化范圍內(nèi)的母體瀝青和SCPA所需熱量補(bǔ)償?shù)牟顒e[21],分析其熱穩(wěn)定性.用PerkinElmer DSC進(jìn)行測試,升溫速率為5℃/min,升溫范圍為-30～50℃.母體瀝青與SCPA的升溫DSC曲線如圖2所示.由圖2可見：與母體瀝青相比,SCPA的DSC曲線更加平緩,表明冷補(bǔ)瀝青添加劑的引入使SCPA的熱穩(wěn)定性有所提高.

圖2 母體瀝青與SCPA升溫DSC曲線Fig.2 Heating DSC curve of index asphalt and SCPA

3 SCPAM設(shè)計(jì)與性能評價(jià)

3.1 SCPAM設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)外尚無成熟的SCPAM設(shè)計(jì)與評價(jià)方法[22].本文綜合考慮SCPAM的施工和易性、成本控制和使用性能需求等因素進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)：(1)礦料級配選擇骨架級配,一方面，由于在坑槽修補(bǔ)初期,采用骨架級配可為SCPAM提供足夠的抗剪強(qiáng)度,承受車輛荷載而不發(fā)生損壞;另一方面,由于SCPAM采用常溫拌和工藝,骨架級配中粗集料含量高、比表面積小,有利于冷補(bǔ)瀝青對石料的均勻裹覆;(2)選擇與常規(guī)熱拌瀝青混合料相近的瀝青用量,以利于節(jié)省材料成本;(3)選擇與瀝青黏附性相對更好的石灰?guī)r質(zhì)石料作為集料,設(shè)計(jì)了3種骨架型礦料級配,其公稱最大粒徑為9.5mm.SCPAM級配見表2.

表2 SCPAM的級配Table 2 Aggregate gradation of SCPAM

采用表2的3種級配礦料,分別與優(yōu)選配方的SCPA進(jìn)行拌和試驗(yàn),瀝青用量為4.7%.不同級配SCPAM的外觀見圖3,SCPAM拌和試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

圖3 不同級配的SCPAM外觀Fig.3 Apparence of SCPAM

表3 SCPAM拌和試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Result of mixing test of SCPAM

由圖3及表3可見：當(dāng)混合料中細(xì)料含量較多時(shí)(級配A),SCPA呈點(diǎn)狀分布于集料表面,無法實(shí)現(xiàn)對集料的均勻裹覆.由此可見,SCPAM需要采用比熱拌瀝青混合料更粗的級配.減少2.36mm粒徑以下的礦料摻配比例,從而可以在不增加瀝青含量的條件下提高瀝青的裹覆效果以及增加集料表面的瀝青膜厚度,同時(shí)粗集料摻配比例的提高也有利于其在SCPAM中形成骨架,保證在路面坑槽修補(bǔ)初期的材料強(qiáng)度.綜上,選擇級配C作為優(yōu)選級配.

另外,瀝青含量分別選擇相對經(jīng)濟(jì)的4.7%和相對適中的5.0%來制備SCPAM,以此檢驗(yàn)溶劑型冷補(bǔ)瀝青添加劑對混合料性能的改善效果.由于稀釋劑的存在,可以充分保證SCPAM的低溫柔性,而骨架級配則為SCPAM的高溫穩(wěn)定性提供了有效保證,故本文僅對SCPAM的水穩(wěn)定性、黏聚性及強(qiáng)度特性進(jìn)行研究.

3.2 SCPAM的黏附性測試

采用2.1節(jié)的測試方法測試了冷補(bǔ)瀝青添加劑加入前后SCPAM的黏附性,同時(shí)測試了某商品化冷補(bǔ)瀝青混合料(改性劑主體成分為SBS改性劑,使用壽命為數(shù)周,且僅能用于坑槽應(yīng)急修補(bǔ))的黏附性,測試結(jié)果見表4,其中SCPAM-4.7、SCPAM-4.7-A分別為冷補(bǔ)瀝青添加劑加入前后的冷補(bǔ)瀝青混合料,且其瀝青含量為4.7%,其他類推.

表4 添加劑加入前后SCPAM的黏附性測試結(jié)果Table 4 Test results of adhesion of SCPAM before and after cold patching asphalt additive addition

由表4可見：冷補(bǔ)瀝青添加劑對于提高冷補(bǔ)瀝青與集料黏附性的效果顯著,不含冷補(bǔ)瀝青添加劑的冷補(bǔ)瀝青混合料經(jīng)浸煮2min后,集料表面的瀝青全部脫落;摻加添加劑后,即使浸煮時(shí)間延長數(shù)倍,2種SCPAM的裹附率仍可達(dá)到95%以上,且瀝青含量的提高有利于進(jìn)一步改善SCPAM的水穩(wěn)定性;商品化冷補(bǔ)瀝青混合料經(jīng)浸煮2min后,其裹附率降為為93%,且隨著浸煮時(shí)間的延長迅速衰減,表明其耐水性不足,這也與該冷補(bǔ)瀝青混合料在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果一致.

3.3 SCPAM的黏聚性測試

由于細(xì)集料少、SCPA黏度低等因素,SCPAM中粗集料的有效結(jié)合狀態(tài)對其使用過程中的抗松散效果影響顯著.稀釋劑開始揮發(fā)前(存儲(chǔ)期內(nèi)或使用初期),無約束條件下的SCPAM呈松散狀態(tài),為獲得可進(jìn)行強(qiáng)度測試且具有代表性的試件,使用加速老化后的SCPAM進(jìn)行黏聚性測試.根據(jù)本文所用冷補(bǔ)瀝青本身的理化性質(zhì),對文獻(xiàn)[23]所述加速老化方法加以改進(jìn)：將SCPAM均勻攤鋪在托盤中,厚度在3～5cm,將其置于預(yù)熱110℃的烘箱中,持續(xù)養(yǎng)護(hù)12h.養(yǎng)護(hù)并成型后的SCPAM采用美國安大略省提出的滾動(dòng)篩法[24]測試混合料的質(zhì)量損失率，以此來表征SCPAM的黏聚性：將1100g SCPAM裝入馬歇爾試模,雙面各擊實(shí)5次,-10℃下放置2～3h,試件高度為(63±2)mm,脫模后放在直徑為305mm,篩孔直徑19mm的方孔標(biāo)準(zhǔn)篩內(nèi),蓋上篩蓋,將篩直立并令試件沿篩框以1次/s的速率滾動(dòng)20次后計(jì)算質(zhì)量損失率.根據(jù)文獻(xiàn)[25],質(zhì)量損失率應(yīng)小于40%.SCPAM黏聚性測試結(jié)果如表5所示.

表5 SCPAM黏聚性測試結(jié)果Table 5 Test results of cohesiveness of SCPAM

由表5可見：母體瀝青中未摻加冷補(bǔ)瀝青添加劑時(shí),以其拌制的SCPAM幾乎不存在黏聚性,提高瀝青含量對該狀態(tài)幾乎無改善;加入冷補(bǔ)瀝青添加劑后,SCPAM中集料與瀝青則可保持有效的黏結(jié)狀態(tài),其黏聚性得以保證,且提高瀝青含量,混合料的黏聚性增大.

3.4 SCPAM拉伸強(qiáng)度測試

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》,用瀝青混合料劈裂試驗(yàn)法間接測試了SCPAM的拉伸強(qiáng)度,測試溫度為20℃,加載速率為50mm/min.表6為SCPAM的拉伸強(qiáng)度.

表6 SCPAM的拉伸強(qiáng)度Table 6 Tensile strength of SCPAM

由表6可見：SCPAM的拉伸強(qiáng)度因溶劑型冷補(bǔ)瀝青添加劑的加入明顯提高,達(dá)到了空白樣拉伸強(qiáng)度的2倍,原因在于冷補(bǔ)瀝青添加劑中的成分有助于增加瀝青與集料的界面黏附性,從而提高SCPAM的拉伸強(qiáng)度;提高瀝青用量未對SCPAM的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響.

綜合黏附性測試、黏聚性測試及拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果,SCPAM的建議瀝青用量為4.7%～5.0%.

4 結(jié)論

(1)冷補(bǔ)瀝青添加劑的加入對于提高SCPA與集料的黏附性、改善SCPA的溫度穩(wěn)定性、增強(qiáng)SCPAM的黏聚性以及提高SCPAM的拉伸強(qiáng)度有明顯效果.

(2)選擇較粗的礦料級配對于提升SCPAM中集料與瀝青的拌和均勻性、提高瀝青對集料的裹覆效果更為有利,也有助于保證路面坑槽修補(bǔ)初期的SCPAM拉伸強(qiáng)度.

(3)建議的SCPA配方為：m(基質(zhì)瀝青)∶m(柴油)∶m(冷補(bǔ)瀝青添加劑)=(73～77)∶(20～24)∶3;SCPAM的建議瀝青用量為4.7%～5.0%.