段振洲

(中地海外中揚(yáng)建設(shè)有限公司 長沙市 410015)

0 引言

隨著道路交通量的加大及車輛重載超載頻發(fā)，原有的道路路面不斷出現(xiàn)車轍、水損害等病害，這樣對于路面的使用質(zhì)量和耐久性提出了更高的挑戰(zhàn)[1]。瀝青或?yàn)r青混合料具有良好的性能是保證瀝青路面長久耐用的前提，為了提高瀝青及混合料的使用質(zhì)量，通常是向?yàn)r青中加入一些高分子聚合物改性劑或者是在混合料中加入添加劑，以獲得良好的性能質(zhì)量[2]。瀝青改性技術(shù)源于上世紀(jì)的歐美國家，到目前已經(jīng)發(fā)展了很多種改性瀝青，但是能夠普遍應(yīng)用于路面建設(shè)的改性瀝青種類較少。常用的瀝青改性劑可分為人工合成和天然改性劑，如人工復(fù)合而成的抗車轍劑、增強(qiáng)劑，以及苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)、丁苯橡膠(SBR)和聚乙烯(PE)等聚合物改性劑均屬于人工合成類改性劑，而天然改性劑主要有巖瀝青和湖瀝青等[3-4]。

結(jié)合某市政道路項(xiàng)目，對市政道路的路面材料選擇展開研究?？紤]該路段會有重載車輛通行需求，且根據(jù)當(dāng)?shù)叵募緶囟雀?、冬季溫度低的氣候特點(diǎn)，路面需具備良好的高低溫性能，路面瀝青材料應(yīng)選擇高粘彈成分，并具有抗壓變形好和彈性恢復(fù)性好的改性瀝青材料[5]。選取了SBS、PE和湖瀝青等三種瀝青改性劑，對三種不同改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行對比分析，最終得到一種能夠用于上面層的改性瀝青，同時(shí)為周邊其他新建道路路面材料的選擇提供參考。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料性能

基質(zhì)瀝青采用秦皇島70#A級道路石油瀝青，其技術(shù)性能見表1。SBS改性劑采用巴陵石化公司生產(chǎn)的YH-791型改性劑，其為白色線型粒柱狀，嵌段比S/B為30/70，其用量為4%。PE改性劑具有很好的柔韌性，制備的改性瀝青具有高溫性能強(qiáng)、耐久性好的特點(diǎn)，選擇烏魯木齊某公司生產(chǎn)的PE改性劑，外觀為黑色柱形顆粒，密度為0.908g/cm3，在110℃時(shí)呈熔融狀態(tài)，其摻量為8%。湖瀝青產(chǎn)自南美洲東北部的特立尼達(dá)島，其本身是一種天然瀝青，其成分約含有55%的瀝青、35%的礦物質(zhì)及10%的有機(jī)物及其它成分。與普通瀝青相比，其組成成分中瀝青質(zhì)的含量很高，為普通瀝青的10倍，蠟含量很低。研究表明，湖瀝青與基質(zhì)瀝青的最佳摻配比例為30∶70，因此采用30%的湖瀝青進(jìn)行研究[6]。

表1 70#A級石油瀝青技術(shù)指標(biāo)

粗集料采用玄武巖碎石，集料規(guī)格分別為10～15mm、5～10mm、3～5mm，細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂，填料采用石灰?guī)r礦粉，各檔集料的技術(shù)指標(biāo)見表2～表4。

表2 玄武巖粗集料技術(shù)性質(zhì)

表3 石灰?guī)r細(xì)集料物理力學(xué)性能

表4 石灰?guī)r礦粉物理力學(xué)性能

1.2 改性瀝青性能

對三種改性瀝青進(jìn)行25℃針入度、軟化點(diǎn)和135℃粘度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5所示。

表5 改性瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

從表5可知，單看針入度指標(biāo)，湖瀝青改性瀝青的針入度最小，PE改性瀝青次之，說明湖瀝青的感溫性能最好，粘度較大；從軟化點(diǎn)和135℃粘度上看，PE改性瀝青與湖瀝青改性瀝青的軟化點(diǎn)大小相當(dāng)，但后者135℃粘度較大，SBS改性瀝青均為最小，說明PE改性瀝青與湖瀝青改性瀝青具有較好的高溫性能?？梢钥闯霾煌母男詣涓男詸C(jī)理及瀝青性能也會差異較大，其中SBS是一種聚乙烯類熱塑性彈性體，與瀝青能夠很好地融合在一起，并形成空間鉸鏈結(jié)構(gòu)，改善瀝青的高溫及耐久性；聚乙烯PE加入瀝青后會產(chǎn)生溶脹反應(yīng)并形成網(wǎng)絡(luò)空間形態(tài)，增加了瀝青的粘度和延展性，對于高溫抗車轍性具有很大的改善作用[7-8]；而湖瀝青加入基質(zhì)瀝青后會增加瀝青膜的厚度，降低瀝青的老化速度，改善瀝青的抗氧化和抗變形能力。瀝青性能的好壞最終還是反映在瀝青混合料的路用性能方面，為進(jìn)一步探討三種不同改性瀝青性能的優(yōu)劣，將繼續(xù)開展混合料路用性能的研究。

1.3 混合料配合比設(shè)計(jì)

采用AC-13C作為三種改性瀝青混合料的礦料級配，其合成級配見表6。以預(yù)估油石比對三種改性瀝青混合料分別進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，確定了SBS改性瀝青、PE改性瀝青、湖瀝青改性瀝青三種瀝青混合料的最佳油石比分別為5.0%、5.2%、5.3%。馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表7所示。

表6 礦料級配設(shè)計(jì)表

表7 三種改性瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 瀝青混合料性能對比分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青路面常常出現(xiàn)車轍和擁包等剪切破壞的原因在于其高溫穩(wěn)定性不足，因此，瀝青混合料必須具有較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性，才能保證路面具有較高的強(qiáng)度和抵抗車輛荷載變形的能力。采用可模擬車輪行走并產(chǎn)生變形的車轍試驗(yàn)來對比評價(jià)三種不同改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，室內(nèi)成型長與寬均為300mm、高50mm的車轍板，試驗(yàn)溫度選擇60℃，試驗(yàn)結(jié)果見表8所示。

表8 車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表8結(jié)果看出，60℃溫度條件下三種改性瀝青混合料對應(yīng)的車轍深度大小為湖瀝青改性瀝青

2.2 低溫性能

瀝青混合料會隨著溫度的降低發(fā)生一定的收縮變形，因此，瀝青混合料需要具備良好的低溫性能以抵抗因低溫應(yīng)力而產(chǎn)生的縮裂。國內(nèi)對于瀝青混合料低溫性能的評價(jià)方法較多，評價(jià)指標(biāo)也各異，目前主要采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)對制備的瀝青混合料棱柱體試件(250mm×35mm×30mm)進(jìn)行加載，并通過試驗(yàn)得到的最大荷載和跨中撓度換算為抗拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變和勁度模量等指標(biāo)，從而評價(jià)瀝青混合料在低溫-10℃條件下的低溫性能，其結(jié)果見表9所示。

表9 低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從抗拉強(qiáng)度指標(biāo)看，PE改性瀝青混合料強(qiáng)度最大，SBS改性瀝青次之，湖瀝青改性瀝青最小，說明PE改性瀝青與礦料的粘結(jié)力更強(qiáng)；三種瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變大小為PE改性瀝青>SBS改性瀝青>湖瀝青改性瀝青，其中PE改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變相對SBS改性瀝青提高8.1%，說明PE改性瀝青混合料在低溫條件下具有更好的低溫抗變形和應(yīng)力松弛能力；從彎曲勁度模量可看出PE改性瀝青與SBS改性瀝青的混合料勁度模量大小相當(dāng)，湖瀝青改性瀝青最大。由此看出PE改性瀝青的低溫性能最佳，湖瀝青改性瀝青的低溫性能最差，可能存在兩種原因：一是由于湖瀝青改性瀝青粘度較大，流動性低，低溫時(shí)變得脆硬，導(dǎo)致湖瀝青改性瀝青與礦料的粘結(jié)力降低，這與低溫時(shí)湖瀝青改性瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度較小相吻合；二是由于湖瀝青中含有較高的瀝青質(zhì)成分，會使瀝青的膠體結(jié)構(gòu)類型發(fā)生變化，可能會由溶膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿?凝膠型，最終導(dǎo)致在低溫加載時(shí)容易出現(xiàn)試件脆裂情況。

2.3 水穩(wěn)定性

瀝青混合料水穩(wěn)定性不足主要表現(xiàn)在混合料在浸水環(huán)境下產(chǎn)生的損傷，以及在低溫凍融環(huán)境中產(chǎn)生的損傷，在雨季來臨時(shí)雨水會通過路面裂縫滲透到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在行車荷載反復(fù)作用下，礦料表面的瀝青會逐漸剝離，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，承載能力下降。良好的水穩(wěn)定性能夠保證瀝青路面的整體穩(wěn)定性，因此，道路路面必須具有較強(qiáng)的抗水損害能力。采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)表征改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

從表10結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，SBS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比值均最小，與SBS改性瀝青混合料相比，湖瀝青改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比分別提高了3.4%、4.1%，PE改性瀝青混合料分別提高了3.6%和4.9%。可以看出三種改性瀝青混合料中PE改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性最佳，湖瀝青改性瀝青次之，SBS改性瀝青最差。

3 結(jié)論

以某市政道路項(xiàng)目為依托，對比探討了三種不同改性瀝青混合料的各項(xiàng)性能，可以得出以下結(jié)論：

(1)通過室內(nèi)車轍試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，湖瀝青改性瀝青的高溫穩(wěn)定性最佳，PE改性瀝青稍弱，SBS改性瀝青最差。

(2)通過浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明，相對于SBS改性瀝青，PE改性瀝青混合料具有更好的水穩(wěn)定性，湖瀝青次之。

(3)通過低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對SBS改性瀝青和湖瀝青，PE改性瀝青混合料在低溫抗變形和應(yīng)力松弛能力方面具有絕對的優(yōu)勢。

(4)綜合對比分析各方面性能，最終確定將PE改性瀝青應(yīng)用于該市政道路路面建設(shè)。