溶剂型冷补沥青及混合料的性能评价

耿立涛, 王丽艳, 姜成岭, 张 哲, 韩方颜

(1.山东建筑大学 交通工程学院, 山东 济南 250101; 2.齐鲁交通发展集团有限公司, 山东 济南 250101; 3.青岛科凯达橡塑有限公司, 山东 青岛 266109; 4.德州市公路事业发展中心, 山东 德州 253006)

坑槽是沥青路面的常见病害之一,对路面结构、使用寿命及行车安全均有显著影响,具有“即现、即修”的客观需求[1-2].坑槽修补是沥青路面日常养护工作中的一项重要内容,传统采用热拌沥青混合料修补技术,其优势在于材料性能稳定、施工工艺成熟.然而,热拌沥青混合料往往配合道路工程建设项目集中量产,且受季节限制,路面坑槽则具有产生时间不一、出现位置分散和单位材料需求量小等特点,两者在供需用量和时间上均存在矛盾,导致路面坑槽无法及时得到修补,对路面服务质量及使用寿命造成影响[3].

国内外道路工作者在坑槽修补材料方面进行了长期而积极的探索.冷拌沥青混合料用于坑槽修补具有使用便捷、修复及时和节能环保等优势,避免了传统热拌沥青混合料坑槽修补不及时、余料浪费等缺陷,从而得到广泛认可[4-6].目前,关于坑槽冷补沥青混合料的研究集中在冷补沥青添加剂的研发、冷补沥青稀释剂的优选、冷补沥青混合料的优化设计与性能评价等方面[7-9].从目前国内外关于冷补沥青混合料的研究成果看,美国、加拿大、日本等国家的研究水平较高、应用效果较好,但进口商品化冷补沥青混合料(或添加剂)高昂的价格成为制约国内应用的主要因素[10-11];国内主要采用石油树脂、萜烯树脂、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)和聚酰胺等基础材料研制冷补沥青添加剂[12-13],此类材料的附着力、抗氧化性和热稳定性相对较好,但由于其熔点较低、低温脆性大、低温及水环境下与石料的黏附性不理想,一些地区秋冬季节用冷补沥青混合料进行坑槽修补后,春融季节即发生松散、脱落等病害[14-18].

针对国内冷补沥青添加剂黏附性差的技术局限,优选乙烯基类硅氧烷、不饱和脂肪酸和醇类润湿剂等基础材料，合成了一种冷补沥青添加剂,并以柴油为稀释剂对基质沥青进行改性,设计制备了溶剂型冷补沥青(SCPA),根据黏度和黏附性测试结果优选了SCPA配方,借助傅里叶变换红外光谱(FTIR)和差示扫描量热法(DSC),分析了冷补沥青添加剂对沥青的改性作用,进而完成了溶剂型冷补沥青混合料(SCPAM)的设计与性能评价,验证了冷补沥青添加剂对SCPAM性能的改善效果.

1 冷补沥青添加剂的合成

利用乙烯基类硅氧烷、不饱和脂肪酸、醇类润湿剂等材料的协同效应实现改善冷补沥青的低温黏性、耐候性、耐剥离性等目的,以偶氮类引发剂引发化学反应,以链终止剂母液控制化学反应程度.具体合成工艺为：在10L高压高磁力反应釜中,按比例加入凝固点为-35℃的轻质柴油、棕榈油酸和烯丙基三乙基硅烷,将体系抽真空后,通氮气置换3次;将混合物搅拌均匀,预热反应釜内混合物,将其升温至40℃;30min内分3次将偶氮二异庚腈溶于丙酮中,将得到的丙酮溶液加入反应釜中,继续搅拌并将混合溶液升温至120℃,在此温度下以120r/min的速度匀速搅拌8h,熟化3h;向上述反应体系中加入质量分数为5%的叔丁基对苯二酚的轻质柴油溶液和丙三醇,以大于等于120r/min的速度匀速搅拌2h,搅拌均匀后降温至40℃,得到冷补沥青添加剂.其pH值为7.0,相对密度为0.85～0.90,外观为棕黑色油状液体.

2 SCPA的制备及性能表征

2.1 SCPA的制备

以70#道路石油沥青为基质沥青,0#柴油为稀释剂,加入合成的冷补沥青添加剂制备SCPA.制备工艺为：将基质沥青加热至135℃,按比例加入柴油,经0.5～1.0h搅拌均匀后获得母体沥青(IA);控制母体沥青的温度在85～100℃之间,按比例加入冷补沥青添加剂并持续搅拌4.0～6.0h,得到SCPA.

为优化基质沥青、柴油及冷补沥青添加剂的掺配比例,设计了多组配方进行SCPA的制备,同时测试了其黏度和黏附性指标.黏度指标根据JTG E20—2011《布洛克菲尔德黏度计方法》,以60℃旋转黏度来表征.黏附性指标根据JTG E20—2011《沥青与粗集料的黏附性试验方法》进行适当调整后进行测试：选择S12规格的石灰岩集料475g与25g SCPA拌和5min,称取混合物50g煮沸2min后,随机捡取100粒浸煮后的集料置于方格纸上,逐一检查集料是否完全被沥青裹覆,计算完全被沥青裹覆的集料的数量n,以n/100×100%表征SCPA与集料的黏附性.表1为不同配方SCPA的黏度与黏附性测试结果.

黏度是表征SCPA施工和易性的重要指标,为使SCPA易于拌和并均匀裹覆石料,其60℃旋转黏度通常要求在0.8～1.6Pa·s之间[19-20],高温季节时侧重于考虑材料的高温性能,其黏度可适当调高,低温季节则相反.由表1可见：SCPA的黏度随柴油与冷补沥青添加剂总体比例的增加而降低;掺加冷补沥青添加剂之前,母体沥青的黏度随柴油掺量(1)文中涉及的掺量、用量等均为质量分数.的增加而降低,冷补沥青添加剂的加入对SCPA的黏度略有影响,但影响程度明显低于柴油;引入冷补沥青添加剂后,当基质沥青和柴油的质量比介于(73～77)∶(20～24)时,SCPA的60℃旋转黏度介于0.787～1.366Pa·s之间,满足溶剂型冷补沥青黏度的一般要求.

表1 不同配方SCPA的黏度与黏附性测试结果Table 1 Brookfield viscosity and coating percentage of SCPA binders

黏附性是评价冷补沥青混合料水稳定性的重要指标,而溶剂型冷补沥青与矿料的黏附性优劣与冷补沥青混合料的水稳定性直接相关[12-13],目前国内常见冷补沥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的黏附性测试结果可见：母体沥青与集料之间并无黏附性,其裹附率均为0%;加入冷补沥青添加剂后,SCPA与集料的黏附性得到明显提高;冷补沥青添加剂掺量为3%以上时,SCPA的裹附率均可达到100%.综合考虑SCPA的技术性与经济性,本文后续研究选用m(沥青)∶m(柴油)∶m(冷补沥青添加剂)=75∶22∶3的配比制备SCPA.

2.2 SCPA的红外光谱分析

冷补沥青混合料通常采用石灰岩作为集料进行拌和,考虑到难于直接检测冷补沥青裹覆在石料上后能否发生化学反应,因此采用在冷补沥青中添加石灰岩质矿粉的方式来观察裹覆集料后冷补沥青分子组成的变化.利用FTIR分别测试了母体沥青、矿粉掺量为30%的母体沥青(IAMP)及溶剂型冷补沥青(SCPAMP)主要官能团吸收峰的变化.掺矿粉前后母体沥青与SCPA的红外光谱如图1所示.

由图1可见：添加矿粉前后的母体沥青并未产生新的吸收峰,说明母体沥青与矿粉之间并未发生化学反应;SCPA与母体沥青的基本特征峰相同,3275、1650cm-1处出现的2个新吸收峰为冷补沥青添加剂中可水解烷氧基及碳基的收缩振动;添加矿粉后的SCPA分别在1825、2525cm-1处形成了新的吸收峰,为羰基与硫氢基的伸缩振动,是冷补沥青添加剂中烷氧基、不饱和脂肪酸等基团与碳酸盐发生了羰基化反应,表明SCPA与石料表面物质发生了化学反应,从而提高两相界面的黏附性.需要指出的是,冷补沥青添加剂中硅烷分子中的硅醇键也可以相互缔合形成表面膜附着于石料表面,有助于提升SCPA与石料的黏附性,从而可增强SCPAM的路用性能.

图1 掺矿粉前后母体沥青与SCPA的红外光谱Fig.1 FITR spectra of SCPA and index asphalt before and after mixing mineral powder

2.3 SCPA的热稳定性分析

为进一步研究冷补沥青添加剂对SCPA温度敏感性的影响,利用DSC测量了同一温度变化范围内的母体沥青和SCPA所需热量补偿的差别[21],分析其热稳定性.用PerkinElmer DSC进行测试,升温速率为5℃/min,升温范围为-30～50℃.母体沥青与SCPA的升温DSC曲线如图2所示.由图2可见：与母体沥青相比,SCPA的DSC曲线更加平缓,表明冷补沥青添加剂的引入使SCPA的热稳定性有所提高.

图2 母体沥青与SCPA升温DSC曲线Fig.2 Heating DSC curve of index asphalt and SCPA

3 SCPAM设计与性能评价

3.1 SCPAM设计

目前国内外尚无成熟的SCPAM设计与评价方法[22].本文综合考虑SCPAM的施工和易性、成本控制和使用性能需求等因素进行混合料设计：(1)矿料级配选择骨架级配,一方面，由于在坑槽修补初期,采用骨架级配可为SCPAM提供足够的抗剪强度,承受车辆荷载而不发生损坏;另一方面,由于SCPAM采用常温拌和工艺,骨架级配中粗集料含量高、比表面积小,有利于冷补沥青对石料的均匀裹覆;(2)选择与常规热拌沥青混合料相近的沥青用量,以利于节省材料成本;(3)选择与沥青黏附性相对更好的石灰岩质石料作为集料,设计了3种骨架型矿料级配,其公称最大粒径为9.5mm.SCPAM级配见表2.

表2 SCPAM的级配Table 2 Aggregate gradation of SCPAM

采用表2的3种级配矿料,分别与优选配方的SCPA进行拌和试验,沥青用量为4.7%.不同级配SCPAM的外观见图3,SCPAM拌和试验结果如表3所示.

图3 不同级配的SCPAM外观Fig.3 Apparence of SCPAM

表3 SCPAM拌和试验结果Table 3 Result of mixing test of SCPAM

由图3及表3可见：当混合料中细料含量较多时(级配A),SCPA呈点状分布于集料表面,无法实现对集料的均匀裹覆.由此可见,SCPAM需要采用比热拌沥青混合料更粗的级配.减少2.36mm粒径以下的矿料掺配比例,从而可以在不增加沥青含量的条件下提高沥青的裹覆效果以及增加集料表面的沥青膜厚度,同时粗集料掺配比例的提高也有利于其在SCPAM中形成骨架,保证在路面坑槽修补初期的材料强度.综上,选择级配C作为优选级配.

另外,沥青含量分别选择相对经济的4.7%和相对适中的5.0%来制备SCPAM,以此检验溶剂型冷补沥青添加剂对混合料性能的改善效果.由于稀释剂的存在,可以充分保证SCPAM的低温柔性,而骨架级配则为SCPAM的高温稳定性提供了有效保证,故本文仅对SCPAM的水稳定性、黏聚性及强度特性进行研究.

3.2 SCPAM的黏附性测试

采用2.1节的测试方法测试了冷补沥青添加剂加入前后SCPAM的黏附性,同时测试了某商品化冷补沥青混合料(改性剂主体成分为SBS改性剂,使用寿命为数周,且仅能用于坑槽应急修补)的黏附性,测试结果见表4,其中SCPAM-4.7、SCPAM-4.7-A分别为冷补沥青添加剂加入前后的冷补沥青混合料,且其沥青含量为4.7%,其他类推.

表4 添加剂加入前后SCPAM的黏附性测试结果Table 4 Test results of adhesion of SCPAM before and after cold patching asphalt additive addition

由表4可见：冷补沥青添加剂对于提高冷补沥青与集料黏附性的效果显著,不含冷补沥青添加剂的冷补沥青混合料经浸煮2min后,集料表面的沥青全部脱落;掺加添加剂后,即使浸煮时间延长数倍,2种SCPAM的裹附率仍可达到95%以上,且沥青含量的提高有利于进一步改善SCPAM的水稳定性;商品化冷补沥青混合料经浸煮2min后,其裹附率降为为93%,且随着浸煮时间的延长迅速衰减,表明其耐水性不足,这也与该冷补沥青混合料在实际工程中的应用效果一致.

3.3 SCPAM的黏聚性测试

由于细集料少、SCPA黏度低等因素,SCPAM中粗集料的有效结合状态对其使用过程中的抗松散效果影响显著.稀释剂开始挥发前(存储期内或使用初期),无约束条件下的SCPAM呈松散状态,为获得可进行强度测试且具有代表性的试件,使用加速老化后的SCPAM进行黏聚性测试.根据本文所用冷补沥青本身的理化性质,对文献[23]所述加速老化方法加以改进：将SCPAM均匀摊铺在托盘中,厚度在3～5cm,将其置于预热110℃的烘箱中,持续养护12h.养护并成型后的SCPAM采用美国安大略省提出的滚动筛法[24]测试混合料的质量损失率，以此来表征SCPAM的黏聚性：将1100g SCPAM装入马歇尔试模,双面各击实5次,-10℃下放置2～3h,试件高度为(63±2)mm,脱模后放在直径为305mm,筛孔直径19mm的方孔标准筛内,盖上筛盖,将筛直立并令试件沿筛框以1次/s的速率滚动20次后计算质量损失率.根据文献[25],质量损失率应小于40%.SCPAM黏聚性测试结果如表5所示.

表5 SCPAM黏聚性测试结果Table 5 Test results of cohesiveness of SCPAM

由表5可见：母体沥青中未掺加冷补沥青添加剂时,以其拌制的SCPAM几乎不存在黏聚性,提高沥青含量对该状态几乎无改善;加入冷补沥青添加剂后,SCPAM中集料与沥青则可保持有效的黏结状态,其黏聚性得以保证,且提高沥青含量,混合料的黏聚性增大.

3.4 SCPAM拉伸强度测试

根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》,用沥青混合料劈裂试验法间接测试了SCPAM的拉伸强度,测试温度为20℃,加载速率为50mm/min.表6为SCPAM的拉伸强度.

表6 SCPAM的拉伸强度Table 6 Tensile strength of SCPAM

由表6可见：SCPAM的拉伸强度因溶剂型冷补沥青添加剂的加入明显提高,达到了空白样拉伸强度的2倍,原因在于冷补沥青添加剂中的成分有助于增加沥青与集料的界面黏附性,从而提高SCPAM的拉伸强度;提高沥青用量未对SCPAM的拉伸强度产生明显影响.

综合黏附性测试、黏聚性测试及拉伸强度测试结果,SCPAM的建议沥青用量为4.7%～5.0%.

4 结论

(1)冷补沥青添加剂的加入对于提高SCPA与集料的黏附性、改善SCPA的温度稳定性、增强SCPAM的黏聚性以及提高SCPAM的拉伸强度有明显效果.

(2)选择较粗的矿料级配对于提升SCPAM中集料与沥青的拌和均匀性、提高沥青对集料的裹覆效果更为有利,也有助于保证路面坑槽修补初期的SCPAM拉伸强度.

(3)建议的SCPA配方为：m(基质沥青)∶m(柴油)∶m(冷补沥青添加剂)=(73～77)∶(20～24)∶3;SCPAM的建议沥青用量为4.7%～5.0%.