反應(yīng)型RET-SBS復(fù)合改性瀝青及其混合料動態(tài)性能研究

張澤豐

(湖南路橋建設(shè)集團有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410004)

近10 a來，我國的道路運輸發(fā)展迅速，大部分道路已采用瀝青路面的結(jié)構(gòu)形式，但是隨著交通量不斷增長，超載超限現(xiàn)象頻繁發(fā)生，致使一些路面出現(xiàn)裂縫、車轍甚至過早破壞[1]。由于我國的路面設(shè)計遵循“強基薄面”的思路，瀝青面層厚度有限，且透水性等新型功能性需求的提出，迫切需要開發(fā)出新的改性瀝青材料，以實現(xiàn)具有較高動態(tài)強度和耐久性的路面結(jié)構(gòu)[2]。同時，一般的瀝青改性技術(shù)，諸如SBS、SBR等聚合物復(fù)配方案，多采用機械方法將瀝青與改性劑簡單混合共融，無法與瀝青組分形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，不僅成本較高且不利于儲存，拌合料相容性差易發(fā)生離析，影響成品材料的運輸和施工[3-4]。

為此，一些研究者嘗試通過化學(xué)改性的方式，利用相應(yīng)的有機活性物質(zhì)與瀝青或其他改性劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在瀝青材料內(nèi)部形成相互交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高改性瀝青的穩(wěn)定性和力學(xué)強度[5-6]。趙富強[7]等利用多種SBS改性與硫磺反應(yīng)共混，并進一步探究了復(fù)配改性后瀝青的高溫性能和相容性。常睿[8-9]等分析了反應(yīng)型三元共聚物(RET)對瀝青的改性機理，并通過室內(nèi)試驗對其流變性能和混合料高低溫性能進行評價，結(jié)果表明，采用反應(yīng)型改性技術(shù)與物理改性相比性能均穩(wěn)步提升。盧勇[10]等認為將反應(yīng)型添加劑與SBS混溶，能夠顯著提高膠結(jié)料的動力粘度和抗車轍能力，且隨著摻量的增加，改善效果越好。陳娟[11]等通過多種室內(nèi)試驗結(jié)果，開展了級配設(shè)計并確定了RET改性的瀝青混合料的最佳施工溫度。董夏鑫[12]等表征了反應(yīng)型橡膠對膠結(jié)料的微觀反應(yīng)和組分變化，并評價其改性的材料性能特點。徐鷗明[13]等提出對改性互混的反應(yīng)時間和溫度進行優(yōu)化，完善橡膠瀝青的加工工藝。

通過上述研究和結(jié)論的分析，為本研究的改性瀝青制備和室內(nèi)試驗的開展提供了有益的方案參考。本文主要探究了RET改性劑的摻量和制備方法，并通過動態(tài)剪切流變試驗(DSR)和基本性能試驗系統(tǒng)(SPT)對瀝青及其混合料的動態(tài)力學(xué)性能開展試驗研究，并將優(yōu)化結(jié)果在實際工程得到應(yīng)用。本文的結(jié)論和方法，對于反應(yīng)型RET-SBS復(fù)合改性方案的推廣和工程應(yīng)用具有一定的參考價值。

1 瀝青材料制備

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青來自于中海油生產(chǎn)的泰州70#重交瀝青，試驗測定其基本性能和主要化學(xué)組成如表1所示。為了達到改性的目的，首先選用茂名石化生產(chǎn)的SBS聚合物，嵌段比為30/70，性能指標如表2所示；按照前文所述，引入美國杜邦公司的產(chǎn)品RET三元共聚物作為本研究的反應(yīng)型改性劑，具體參數(shù)見表3，相關(guān)應(yīng)用表明，這種材料能夠提高膠結(jié)料的粘附性和抗疲勞能力，分散性好并能與瀝青相應(yīng)的組分發(fā)生化學(xué)(磷酸酯化、環(huán)接和接枝等)交聯(lián)，進一步與SBS顆粒形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，減少SBS改性劑的用量，并改善SBS與瀝青的相容性。

表1 基質(zhì)瀝青的基本性能與化學(xué)組成Table 1 The basic properties and chemical composition of matrix asphalt基本物理性能組成百分比/%軟化點/℃針入度(25 ℃)/ 0.1 mm延度(5 cm/min, 15 ℃)/cm粘度(60 ℃)/(Pa·s)芳香分膠質(zhì)瀝青質(zhì)飽和分47.669.5>15026754.321.712.111.9

表2 SBS聚合物技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of SBS polymer結(jié)構(gòu)拉伸強度/MPa伸長率/%密度/ g·cm-3 灰分量/%線型21.66200.93<0.5

表3 RET反應(yīng)型改性劑技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of RET reactive modifier外觀熔融指數(shù)/ g·(10 min)-1 密度/ g·cm-3 熔點/℃熔融溫度/℃黃褐色、顆粒狀40.9472<280

試驗用瀝青混合料重構(gòu)成骨架的集料來自于株洲產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r碎石，各項性能指標滿足規(guī)范要求，見表4。

表4 集料的物理性質(zhì)Table 4 The physical properties of aggregates類型表觀密度/(g·cm-3)壓碎值/%洛杉磯磨耗值/%針片狀含量/%含泥量/%砂當量/%粗集料2.7416.819.36.5——細集料2.67———1.076規(guī)范—≤26≤28≤12≤3.0≥60

1.2 改性方案與制備流程

一般認為，當SBS的摻量較低(小于3%)時，采用化學(xué)反應(yīng)型復(fù)配方案能達到實際效用與經(jīng)濟性的最優(yōu)，同時結(jié)合前期應(yīng)用經(jīng)驗，RET材料的摻入也一般不超過2.0%?；诖耍尤霃?fù)配的SBS材料的質(zhì)量比為2.5%，而RET材料的含量選用1.0%、1.5%和2.0%這3組試驗值。試驗對照組則采用摻入量為4.5%的SBS改性瀝青。

反應(yīng)型SBS復(fù)合改性瀝青的制備流程為：待70#基質(zhì)瀝青加熱至155 ℃～165 ℃后，首先加入RET改性劑，低速攪拌(溫度不變)保證材料分散均勻，溶脹約30 min；隨后，將稱好的SBS材料緩慢倒入，繼續(xù)攪拌30 min左右待混合材料溶脹均勻；然后，將混合穩(wěn)定后改性瀝青的溫度提升至170 ℃～180 ℃，切換至高速剪切(4 000 r/min)模式且攪拌時間不小于50 min，期間溫度不宜過高；最后，設(shè)置恒溫烘箱溫度為155 ℃～165 ℃，將攪拌好的改性瀝青放置烘箱并發(fā)育約2 h備用。

2 試驗方法概述

對于改性瀝青的常規(guī)物理性能，已有較多的文獻開展并描述了摻入改性劑后對瀝青軟化點、針和延度等性能的提升作用，并降低了瀝青標號，且其性能指標均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求，因此在本文不予贅述。

本研究主要就瀝青及其混合料的動力特性展開試驗分析，選取了動態(tài)剪切流變試驗(DSR)測定不同溫度條件下改性瀝青的粘彈性，以及通過動態(tài)模量試驗計算得到不同溫度和頻率下的瀝青混合料動力性能的變化規(guī)律。試驗所采用的混合料級配為SMA-13級配，見表5，最佳油石比為6.0%，拌合溫度為165 ℃～170 ℃。

表5 SMA-13級配通過百分比Table 5 Grading passing percentage of SMA-13不同粒徑(mm)的通過百分比/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075100976325211816141211

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 動態(tài)剪切流變試驗

對上述4種改性瀝青以及基質(zhì)瀝青開展DSR試驗，受篇幅限制，本文僅列出原樣瀝青試驗結(jié)果，按照PG分級要求，分別采用58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃、82 ℃共5種測試溫度，如圖1所示，為不同溫度下的抗車轍因子G*/sinδ和相位角δ變化規(guī)律。

本文所指的新生代農(nóng)民主要是指出生于20世紀80年代與90年代，年齡在16歲以上，在異地以非農(nóng)就業(yè)為主的農(nóng)業(yè)戶籍人口。

(a) 抗車轍因子

從圖1中的結(jié)果可以看出，隨著溫度升高，不論是基質(zhì)瀝青還是改性瀝青，兩種測試指標均呈單調(diào)變化，其中，G*/sinδ因子逐漸減小，相位角δ不斷增加，這是由于高溫條件下，材料逐漸由彈性轉(zhuǎn)換為粘性狀態(tài)；比較RET復(fù)合改性和SBS改性試樣，在相同溫度條件下，抗車轍因子大小排列順序為2.0%RET摻量+2.5%SBS摻量、1.5%RET摻量+2.5%SBS摻量、4.5%SBS摻量、1.0%RET摻量+2.5%SBS摻量，說明復(fù)合改性改性能夠明顯的改善瀝青的高溫性能，當RET的摻量大于1.5%時較單一SBS改性的效果要好；由于改性瀝青形成了網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，粘性成分減小，從而改性瀝青的相位角小于基質(zhì)瀝青；此外圖中改性瀝青的G*/sinδ因子均大于1.0 kPa，而當溫度大于64 ℃時基質(zhì)瀝青已不滿足要求，因此，說明改性后的瀝青高溫性能較基質(zhì)瀝青更佳。

為了進一步說明溫度T對材料性能的影響規(guī)律，采用式(1)和式(2)分別對兩個試驗摻量進行線性回歸分析，擬合參數(shù)與相關(guān)性結(jié)果見表6。從下面公式可以看出，參數(shù)a與c為擬合曲線的斜率，其絕對值大小在一定程度上反映了材料對溫度的敏感程度。從表6中可以看出，隨著RET的摻入增加，兩者擬合曲線的斜率均減小，說明RET復(fù)配能夠進一步改善SBS改性瀝青的溫敏性，當RET的質(zhì)量比大于1.5%時，材料的改良效果已經(jīng)超過了4.5%SBS摻量改性瀝青；同時，從a和c的變化幅度可知，瀝青材料的相位角對溫度比較敏感，可以作為改性劑對瀝青溫敏性的指標，易于區(qū)別和評價其變化規(guī)律。

ln(G*/sinδ)=alnT+b

(1)

δ=clnT+d

(2)

表6 溫度與DSR試驗結(jié)果的相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of temperature and DSR test results試驗材料抗車轍因子擬合結(jié)果相位角擬合結(jié)果abR2cdR2基質(zhì)瀝青-7.16630.2360.99616.12613.7870.9861.0%RET摻量+2.5%SBS摻量-5.85925.9040.99121.334-21.0950.9891.5%RET摻量+2.5%SBS摻量-5.42024.7130.99716.601-9.4330.9762.0%RET摻量+2.5%SBS摻量-5.22423.9860.99813.961-3.1030.9644.5%SBS摻量-5.51324.9980.99618.590-19.3330.977

3.2 動態(tài)模量試驗

動態(tài)模量E*是瀝青路面設(shè)計的重要設(shè)計參數(shù)之一，通過SPT試驗系統(tǒng)測定4種溫度(5 ℃、20℃、35 ℃、50 ℃)和5種頻率(0.1、0.5、1、5、10 Hz)條件下SMA-13試件的動態(tài)模量，試件尺寸為100 mm×150 mm，本研究的5種瀝青混合料試驗結(jié)果如圖2所示。

從圖2的測試結(jié)果可以得出如下結(jié)論：① 從整體上看，隨著試驗溫度越低、荷載頻率越大，混合料的動態(tài)模量E*逐漸增大，說明測試試樣在上述試驗條件下，始終保持明顯的粘彈性特征，并能通過時-溫等效置換原理進行解釋其變化規(guī)律；② 在低溫(5 ℃)環(huán)境下，經(jīng)過RET改性瀝青的E*值介于基質(zhì)瀝青和4.5%SBS摻量單一改性瀝青的結(jié)果之間，隨著RET加入量的增加，其模量值逐漸接近SBS單一改性瀝青，這表明RET反應(yīng)形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)空間可以抵抗部分低溫應(yīng)力對材料的損害，改善其低溫的脆硬性，進一步提升其低溫穩(wěn)定性；③ 在常溫(20 ℃)環(huán)境下，不同頻率下的RET復(fù)合改性瀝青的E*值均大于SBS單一改性瀝青，其中2.0%RET摻量+2.5%SBS摻量的結(jié)果較4.5%SBS摻量瀝青混合料的平均模量增加了37.8%；④ 在中高溫(35 ℃、50 ℃)環(huán)境下，改性瀝青的性能明顯大于基質(zhì)瀝青，其模量值按從大到小排序有2.0%RET摻量+2.5%SBS摻量、1.5%RET摻量+2.5%SBS摻量、4.5%SBS摻量、1.0%RET摻量+2.5%SBS摻量，因此，可以確定當RET的質(zhì)量比大于1.5%時，混合料的高溫性能將超過單一的SBS改性瀝青，其模量同頻率相比，增加了3.3%～30.5%，這一結(jié)論與DSR的高溫性能評價結(jié)果是一致的。

圖2 動態(tài)回彈模量測試結(jié)果

從上述試驗結(jié)果可知，對于瀝青混合料而言，其粘彈性特征十分顯著，為了便于量化評價各改性方案所得的混合料動態(tài)力學(xué)性能，本文采用動態(tài)模量的主曲線擬合公式及其參數(shù)進行比較分析。首先，由Sigmodial模型可以對主曲線結(jié)果進行描述，如式(3)所示；結(jié)合時-溫等效原理，縮減頻率fr可以由加載頻率f和溫度位移因子α(T)確定，如式(4)所示。聯(lián)立式(3)、式(4)，并根據(jù)已有的動態(tài)模量試驗結(jié)果，采用線性規(guī)劃求解，得到預(yù)估參數(shù)見表7。從擬合公式的形式可知，參數(shù)a的大小可反映了混合料的力學(xué)強度，從表7可看出，2.0%RET摻量+2.5%SBS摻量和1.5%RET摻量+2.5%SBS摻量兩種改性方案要明顯高于單一SBS和基質(zhì)瀝青，而4.5%SBS摻量僅與1.0%RET摻量+2.5%SBS摻量的改進方案接近，因此，擬合結(jié)果也進一步說明了在低劑量SBS改性瀝青中復(fù)配質(zhì)量比為1.5%以上的RET能獲得較佳的瀝青混合料動力性能。

(3)

log(fr)=log[fα(T)]=log(f)+

(4)

其中，Max表示動態(tài)模量E*極大值所對應(yīng)的對數(shù)；fr表示縮減頻率；a、b、c表示曲線的擬合參數(shù)；T表示測試溫度；Tr為參考溫度；ΔEa表示激活能量；R表示通用氣體常數(shù)。

表7 動態(tài)模量主曲線的擬合結(jié)果Table 7 The fitting results of the main curve of dynamic modulus試驗材料abcR2基質(zhì)瀝青4.040 2-0.867 3-0.628 10.8891.0%RET摻量+2.5%SBS摻量4.128 9-0.927 3-0.612 40.8571.5%RET摻量+2.5%SBS摻量4.402 3-0.832 1-0.629 10.8652.0%RET摻量+2.5%SBS摻量4.501 4-0.734 2-0.612 20.8434.5%SBS摻量4.155 3-0.703 2-0.573 10.846

4 工程應(yīng)用

以某一新建高速公路項目為依托，雙向四車道設(shè)計，試驗段上面層采用本研究的SMA-13級配，摻入1.5%RET摻量+2.5%SBS摻量復(fù)合改性劑。混合料的拌合過程遵循相關(guān)技術(shù)標準，并嚴格控制現(xiàn)場的施工工藝?，F(xiàn)場抽樣，并制作試件進行高低溫性能檢測，所得結(jié)果見表8。從表中結(jié)果可以看出，材料的各項性能均滿足規(guī)范要求[14-16]，并表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫性能?；旌狭线\輸過程無明顯離析

表8 抽樣試件性能測試結(jié)果Table 8 Performance testing results of sample specimens項目動穩(wěn)定度/(次·mm-1)馬歇爾穩(wěn)定度/kN殘留穩(wěn)定度/%凍融劈裂強度比/%測試結(jié)果9 0317.2790.694.3技術(shù)要求>3 000 >5.5>80>80

現(xiàn)象。

試驗段鋪筑的抽檢結(jié)果顯示，混合料的平均壓實度為98.7%，構(gòu)造深度、抗滑摩擦系數(shù)等技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求。對通車后1 a運營期內(nèi)的試驗段使用情況進行調(diào)查觀測，氣溫變化在-3℃～42 ℃之間，交通量較大，貨運汽車較多，超載較為嚴重，但路面使用狀況良好，全路段無明顯裂縫。通過工程應(yīng)用表明，采用反應(yīng)型RET-SBS復(fù)合改性混合料后試驗路段質(zhì)量優(yōu)異、應(yīng)用效果較佳。

5 結(jié)語

本研究配置了不同劑量的反應(yīng)型RET-SBS復(fù)合改性瀝青，通過對開展DSR試驗和動態(tài)模量試驗，研究各改性方案瀝青的抗車轍因子G*/sinδ和相位角δ隨溫度的變化規(guī)律，以及SMA-13瀝青混合料的高低溫動態(tài)力學(xué)性能隨加載頻率的變化關(guān)系，主要得到以下結(jié)論：

a.改性后的瀝青高溫性能較基質(zhì)瀝青更佳，當RET的摻量大于1.5%時，復(fù)合改性瀝青的高溫穩(wěn)定性較單一SBS改性的效果要好，并與其溫度敏感性的規(guī)律一致。

b.隨著RET加入量的增加，復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能得到改善，其低溫條件下的動態(tài)模量值逐漸接近SBS單一改性瀝青，RET反應(yīng)形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)空間可以抵抗部分低溫應(yīng)力對材料的損害，改善其低溫的脆硬性。

c.復(fù)合改性瀝青的中高溫試驗結(jié)果表明，當RET的摻量大于1.5%時，混合料的高溫性能將超過單一的SBS改性瀝青，同頻率相比增加了3.3%～30.5%。

d.通過對動態(tài)模量的主曲線的擬合結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，在低劑量SBS改性瀝青中復(fù)配質(zhì)量比為1.5%以上的RET能獲得較佳的瀝青混合料動力性能。

e.工程應(yīng)用與試驗優(yōu)化所得結(jié)論保持一致，采用1.5%RET摻量+2.5%SBS摻量復(fù)合改性瀝青混合料鋪筑道路，實際路用性能優(yōu)良，可以進一步推廣使用。