透水瀝青路面復(fù)合改性瀝青性能研究

韓克堅

（青海省育才公路勘察設(shè)計有限公司,青海 西寧 810000）

透水瀝青路面得到越來越多的關(guān)注,當(dāng)雨水深入結(jié)構(gòu)內(nèi)后能夠進(jìn)一步向下滲透至土基中,起到補(bǔ)充地下水的作用。但當(dāng)前透水瀝青路面在實(shí)際工程中的應(yīng)用仍存在一定的技術(shù)難點(diǎn),盡管我國在改性瀝青方面的研究已經(jīng)取得了一定的成果,產(chǎn)出了多種不同類型、性能的瀝青材料,但整體來看其品質(zhì)參差不齊,所以以透水瀝青路面為研究對象,探究改性瀝青的最優(yōu)配比,并評價其基本性質(zhì)指標(biāo)就顯得尤為必要[1]。

1 瀝青試件的制備

瀝青材料是透水路面性能的主要因素,為了更為全面地了解改性瀝青的性能,并將其與基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青以及橡膠瀝青展開比對。在瀝青試件的制備中,保持三種不同改性瀝青采用的石油瀝青、改性劑均完全一致,排除由于無關(guān)組分材料所帶來的指標(biāo)變異,以此來便于比對不同瀝青試件的性能。采用動力粘度及抗老化性能更好的改性瀝青能夠有效改善瀝青路面的耐久性,減少水損害帶來的松散掉粒問題,并在長期交通荷載、環(huán)境作用下保持原有的功能性。

1.1 PA1、PA2 改性瀝青的制備

基于已有的制備工藝及配比設(shè)計,改良研制出PA1、PA2 改性瀝青,改性劑能夠在瀝青內(nèi)發(fā)生均勻分散且形成性質(zhì)穩(wěn)定、可靠的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。實(shí)踐表明,PA1、PA2 改性瀝青具有較高的動力粘性,且在高溫穩(wěn)定、低溫抗裂方面的表現(xiàn)也比較好。基于上述工藝要求制備試件。

（1） 瀝青各組分的配比

根據(jù)最佳配比設(shè)計,選擇其中任意兩種組分配比來制備試件。

（2） 制備工藝

①加熱基質(zhì)瀝青,使其達(dá)到140 ℃后備用。

②加熱基質(zhì)瀝青至180 ℃并摻加SBS、增粘劑,借助高速剪切機(jī)將材料剪切至沒有明顯顆粒感的狀態(tài)。

③摻加增溶劑,并攪拌使其發(fā)育4 h 形成穩(wěn)定體系。

1.2 橡膠瀝青的制備

采用廢膠粉來生產(chǎn)橡膠瀝青是一類比較經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的制備方式,廢膠粉大多是由廢舊輪胎通過機(jī)械粉碎來生成的。膠粉顆粒能夠吸收瀝青內(nèi)的輕質(zhì)組分,進(jìn)而顯著降低瀝青流動性,以此形成粘性更強(qiáng)的穩(wěn)定體系[2]。在本研究中,選用常規(guī)方式通過廢膠粉來制備橡膠瀝青,并將其與PA1、PA2 改性瀝青進(jìn)行比對。橡膠瀝青的配比及制備過程如下：

（1） 瀝青各組分的配比

基質(zhì)瀝青摻量：82%；廢膠粉摻量：18%；穩(wěn)定劑摻量：0.15%。

（2） 制備工藝

①加熱基質(zhì)瀝青,使其達(dá)到185 ℃～190 ℃后備用。

②按照18%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)摻加橡膠粉,借助高速剪切機(jī)將材料剪切20 min。

③摻加穩(wěn)定劑,并在180 ℃的條件下攪拌使其發(fā)育2 h 形成穩(wěn)定體系。

1.3 SBS 改性瀝青的制備

在對SBS 改性瀝青四項(xiàng)主要組分的分析中,發(fā)現(xiàn)能夠形成較為穩(wěn)定的體系,且在制備過程中摻加適量的芳經(jīng)油能夠促進(jìn)聚合物粒子的溶脹[3]。此外,芳香油還可以強(qiáng)化瀝青分子間的作用力膠質(zhì)。本研究結(jié)合國內(nèi)外已有的研究成果制備SBS 高粘度改性瀝青,并將其與PA1、PA2 改性瀝青進(jìn)行比對。SBS 改性瀝青的配比及制備過程如下：

（1） 加熱基質(zhì)瀝青,使其達(dá)到80 ℃～185 ℃后備用,并摻加芳經(jīng)油通過低速攪拌的方式使其達(dá)到均勻狀態(tài)。

（2） 按照6%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)摻加SBS,借助高速剪切機(jī)將材料剪切至沒有明顯顆粒感的狀態(tài)。

（3） 摻加穩(wěn)定劑,并攪拌使其發(fā)育4 h 形成穩(wěn)定體系。

2 瀝青常規(guī)性能對比

2.1 針入度、延度、軟化點(diǎn)

基于我國現(xiàn)行瀝青試驗(yàn)規(guī)范分別對基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青以及橡膠瀝青及PA1、PA2 改性瀝青進(jìn)行性能測試,其中主要包括了針入度、延度及軟化點(diǎn)等主要指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果如表1、圖1 所示。

表1 瀝青的針入度、延度、軟化點(diǎn)指標(biāo)

圖1 瀝青的針入度、延度、軟化點(diǎn)指標(biāo)

根據(jù)圖1 可以看出,各類改性瀝青的高低溫性能較基質(zhì)瀝青均有所提升,其中橡膠瀝青性能的改善程度較其他改性瀝青較低。SBS 改性瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)與PA1、PA2 改性瀝青較為接近,根據(jù)這三種不同改性瀝青的組分角度進(jìn)行分析,SBS 使得改性瀝青的稠度、彈性增加,且顯著提升各組分間的粘附性,進(jìn)而改善改性瀝青的高低溫性能。PA1、PA2 改性瀝青在各項(xiàng)指標(biāo)上的表現(xiàn)均優(yōu)于SBS 改性瀝青,這主要是由于增粘劑、增溶劑對于瀝青的高低溫定性能具有一定的改良效果。增粘劑為一類具有良好彈性的大分子,在高溫下質(zhì)地相較基質(zhì)瀝青比較硬,可以通過小變形吸收大量的應(yīng)力,而在低溫下質(zhì)地相較基質(zhì)瀝青比較軟,當(dāng)受到較少應(yīng)力作用時所發(fā)生的變形比較大[4]。增溶劑具有較大的硬度,對瀝青在高溫條件下的性能具有顯著貢獻(xiàn),能夠有效提升瀝青軟化點(diǎn),進(jìn)而使得PA1、PA2 改性瀝青的高低溫性能得到改善。

2.2 不同瀝青粘度試驗(yàn)

基于我國現(xiàn)行瀝青試驗(yàn)規(guī)范分別對基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青以及橡膠瀝青及PA1、PA2 改性瀝青進(jìn)行性能測試,其中主要包括了60 ℃下的動力粘度試驗(yàn)及175 ℃下的布氏黏度試驗(yàn)。基于朗伯比爾定律,通過紫外分光來測算瀝青、集料間的粘附性,且借助剝落率來評價瀝青、集料之間抵抗外部水作用的性能,試驗(yàn)結(jié)果如表2、圖2 所示。

表2 粘度試驗(yàn)結(jié)果

圖2 粘度試驗(yàn)結(jié)果

（1） 瀝青常規(guī)粘度指標(biāo)測試

根據(jù)圖2 中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),各改性瀝青的性能較基質(zhì)瀝青均具有顯著的改善效果,瀝青粘性發(fā)生了明顯的提升。瀝青、膠粉在混合時主要為物理共混,且同時伴隨產(chǎn)生物理溶脹、溶解,但此兩者之間并未出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出,當(dāng)膠粉的顆粒粒徑、粗糙程度越大時,其與瀝青之間的相容度也就越低。由于橡膠瀝青在制備時摻加了較多的膠粉,所以瀝青由此所出現(xiàn)的改性效果顯著,粘度發(fā)生顯著提升。在SBS 改性瀝青及PA1、PA2 改性瀝青的配比設(shè)計中,SBS 的摻量比較高,因此在長期高溫環(huán)境下SBS、基質(zhì)瀝青之間就會產(chǎn)生充分反應(yīng),并由此構(gòu)成交聯(lián)體系,表現(xiàn)出良好的粘性。PA1、PA2 改性瀝青內(nèi)的增粘劑、增溶劑在溶脹后也將產(chǎn)生粘彈性膠粒,強(qiáng)化瀝青分子間的附著力,改善瀝青粘度。

（2） 瀝青與石料粘附性試驗(yàn)

透水瀝青路面需要保證材料內(nèi)的大空隙,便于雨水深入混合料內(nèi)。受到潮濕環(huán)境的長期侵蝕作用,水分子很容易侵入瀝青、集料的粘結(jié)界面,受到水壓力的作用集料很容易出現(xiàn)剝落,因此水的影響較為顯著。水分子極性較瀝青更大,所以水分子更為活潑,當(dāng)水與混合料直接接觸時瀝青就容易被水所替代,進(jìn)而難以有效對石料形成裹附。因此,改善集料、瀝青間的粘附性能能夠有效防止這一水損害的發(fā)生[5]。

通過朗伯比爾定律來測定集料、瀝青間的粘附性,并以剝落率作為表征指標(biāo)。剝落率越高,則代表瀝青的粘附性越差；相反地,剝落率越低,則代表瀝青的粘附性越好,試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),瀝青、集料之間的粘附性排序?yàn)椋篜Al＞PA2＞SBS 改性瀝青＞橡膠瀝青＞基質(zhì)瀝青。各改性瀝青所測得的粘附性均高于基質(zhì)瀝青,特別是PA1、PA2 改性瀝青的剝落率水平很低,這也就說明其瀝青、集料間粘附性比較好,在潮濕環(huán)境下能夠表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性,可以抵抗水分子的“置換”作用。

2.3 不同瀝青離析試驗(yàn)

首先通過0.3 mm 篩對改性瀝青進(jìn)行過篩處理,并將其加熱至具有較好的流動性,在豎立盛樣管內(nèi)注入50 g 試樣。所用的盛樣管尺寸一般可選擇25 mm直徑、140 mm 長的鋁管,在澆注結(jié)束后即可將盛樣管豎立置于溫度為163 ℃±5 ℃的烘箱內(nèi),并在無外部擾動的條件下靜置48 h。隨后,將盛樣管以豎立的方式置于冰箱中冷卻4 h。當(dāng)瀝青試樣完全固化后即可取出盛樣管,并將試樣切分成三部分,分別對上下段試樣的軟化點(diǎn)進(jìn)行測定,選取上下段試樣的軟化點(diǎn)之差來評價材料的離析情況。若其軟化點(diǎn)之差越大,則表明離析現(xiàn)象越顯著,也即瀝青儲存的穩(wěn)定性越低,由此即可得到試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 瀝青離析試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖3 可以發(fā)現(xiàn),橡膠瀝青的上下段試樣軟化點(diǎn)之差最大,為4.1 ℃,也即橡膠瀝青儲存的穩(wěn)定性最低,在實(shí)際工程中需要采取相應(yīng)措施；SBS 改性瀝青的上下段試樣軟化點(diǎn)之差較小,為0.2 ℃,也即SBS改性劑、基質(zhì)瀝青之間具有較好的相容性,能夠形成穩(wěn)定的體系。PA1、PA2 改性瀝青的上下段試樣軟化點(diǎn)之差均低于1.0 ℃,特別是PA1 改性瀝青幾乎可視為不出現(xiàn)離析,主要是由于增溶劑、增粘劑聯(lián)合作用使得瀝青形成了反應(yīng)充分的交聯(lián)體系,滿足遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)囊蟆５玃A2 改性瀝青的上下段試樣軟化點(diǎn)之差相對PA1 改性瀝青較大,主要是由于其增溶劑摻量較高,在長時間高溫儲存時會向下沉降使得底部軟化點(diǎn)升高,上部軟化點(diǎn)下降,但從其整體來看仍滿足工程應(yīng)用的要求。

3 結(jié)論

本研究以透水瀝青路面作為研究導(dǎo)向,分別對基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青、橡膠瀝青及PA1、PA2 改性瀝青的性能進(jìn)行比對。研究發(fā)現(xiàn)PAl、PA2 改性瀝青在高低溫性能上的表現(xiàn)由于基質(zhì)瀝青及其他改性瀝青,且基質(zhì)瀝青、改性劑之間的相容性較好,可以構(gòu)成穩(wěn)定的交聯(lián)體系。同時PAl、PA2 改性瀝青與石料之間具有良好的粘附性,有助于改善抗沖擊能力。