透水沥青路面复合改性沥青性能研究

韩克坚

（青海省育才公路勘察设计有限公司,青海 西宁 810000）

透水沥青路面得到越来越多的关注,当雨水深入结构内后能够进一步向下渗透至土基中,起到补充地下水的作用。但当前透水沥青路面在实际工程中的应用仍存在一定的技术难点,尽管我国在改性沥青方面的研究已经取得了一定的成果,产出了多种不同类型、性能的沥青材料,但整体来看其品质参差不齐,所以以透水沥青路面为研究对象,探究改性沥青的最优配比,并评价其基本性质指标就显得尤为必要[1]。

1 沥青试件的制备

沥青材料是透水路面性能的主要因素,为了更为全面地了解改性沥青的性能,并将其与基质沥青、SBS改性沥青以及橡胶沥青展开比对。在沥青试件的制备中,保持三种不同改性沥青采用的石油沥青、改性剂均完全一致,排除由于无关组分材料所带来的指标变异,以此来便于比对不同沥青试件的性能。采用动力粘度及抗老化性能更好的改性沥青能够有效改善沥青路面的耐久性,减少水损害带来的松散掉粒问题,并在长期交通荷载、环境作用下保持原有的功能性。

1.1 PA1、PA2 改性沥青的制备

基于已有的制备工艺及配比设计,改良研制出PA1、PA2 改性沥青,改性剂能够在沥青内发生均匀分散且形成性质稳定、可靠的交联结构。实践表明,PA1、PA2 改性沥青具有较高的动力粘性,且在高温稳定、低温抗裂方面的表现也比较好。基于上述工艺要求制备试件。

（1） 沥青各组分的配比

根据最佳配比设计,选择其中任意两种组分配比来制备试件。

（2） 制备工艺

①加热基质沥青,使其达到140 ℃后备用。

②加热基质沥青至180 ℃并掺加SBS、增粘剂,借助高速剪切机将材料剪切至没有明显颗粒感的状态。

③掺加增溶剂,并搅拌使其发育4 h 形成稳定体系。

1.2 橡胶沥青的制备

采用废胶粉来生产橡胶沥青是一类比较经济、环保的制备方式,废胶粉大多是由废旧轮胎通过机械粉碎来生成的。胶粉颗粒能够吸收沥青内的轻质组分,进而显著降低沥青流动性,以此形成粘性更强的稳定体系[2]。在本研究中,选用常规方式通过废胶粉来制备橡胶沥青,并将其与PA1、PA2 改性沥青进行比对。橡胶沥青的配比及制备过程如下：

（1） 沥青各组分的配比

基质沥青掺量：82%；废胶粉掺量：18%；稳定剂掺量：0.15%。

（2） 制备工艺

①加热基质沥青,使其达到185 ℃～190 ℃后备用。

②按照18%的质量分数掺加橡胶粉,借助高速剪切机将材料剪切20 min。

③掺加稳定剂,并在180 ℃的条件下搅拌使其发育2 h 形成稳定体系。

1.3 SBS 改性沥青的制备

在对SBS 改性沥青四项主要组分的分析中,发现能够形成较为稳定的体系,且在制备过程中掺加适量的芳经油能够促进聚合物粒子的溶胀[3]。此外,芳香油还可以强化沥青分子间的作用力胶质。本研究结合国内外已有的研究成果制备SBS 高粘度改性沥青,并将其与PA1、PA2 改性沥青进行比对。SBS 改性沥青的配比及制备过程如下：

（1） 加热基质沥青,使其达到80 ℃～185 ℃后备用,并掺加芳经油通过低速搅拌的方式使其达到均匀状态。

（2） 按照6%的质量分数掺加SBS,借助高速剪切机将材料剪切至没有明显颗粒感的状态。

（3） 掺加稳定剂,并搅拌使其发育4 h 形成稳定体系。

2 沥青常规性能对比

2.1 针入度、延度、软化点

基于我国现行沥青试验规范分别对基质沥青、SBS 改性沥青以及橡胶沥青及PA1、PA2 改性沥青进行性能测试,其中主要包括了针入度、延度及软化点等主要指标,试验结果如表1、图1 所示。

表1 沥青的针入度、延度、软化点指标

图1 沥青的针入度、延度、软化点指标

根据图1 可以看出,各类改性沥青的高低温性能较基质沥青均有所提升,其中橡胶沥青性能的改善程度较其他改性沥青较低。SBS 改性沥青的各项指标与PA1、PA2 改性沥青较为接近,根据这三种不同改性沥青的组分角度进行分析,SBS 使得改性沥青的稠度、弹性增加,且显著提升各组分间的粘附性,进而改善改性沥青的高低温性能。PA1、PA2 改性沥青在各项指标上的表现均优于SBS 改性沥青,这主要是由于增粘剂、增溶剂对于沥青的高低温定性能具有一定的改良效果。增粘剂为一类具有良好弹性的大分子,在高温下质地相较基质沥青比较硬,可以通过小变形吸收大量的应力,而在低温下质地相较基质沥青比较软,当受到较少应力作用时所发生的变形比较大[4]。增溶剂具有较大的硬度,对沥青在高温条件下的性能具有显著贡献,能够有效提升沥青软化点,进而使得PA1、PA2 改性沥青的高低温性能得到改善。

2.2 不同沥青粘度试验

基于我国现行沥青试验规范分别对基质沥青、SBS 改性沥青以及橡胶沥青及PA1、PA2 改性沥青进行性能测试,其中主要包括了60 ℃下的动力粘度试验及175 ℃下的布氏黏度试验。基于朗伯比尔定律,通过紫外分光来测算沥青、集料间的粘附性,且借助剥落率来评价沥青、集料之间抵抗外部水作用的性能,试验结果如表2、图2 所示。

表2 粘度试验结果

图2 粘度试验结果

（1） 沥青常规粘度指标测试

根据图2 中的数据可以发现,各改性沥青的性能较基质沥青均具有显著的改善效果,沥青粘性发生了明显的提升。沥青、胶粉在混合时主要为物理共混,且同时伴随产生物理溶胀、溶解,但此两者之间并未出现化学反应。通过试验结果可以看出,当胶粉的颗粒粒径、粗糙程度越大时,其与沥青之间的相容度也就越低。由于橡胶沥青在制备时掺加了较多的胶粉,所以沥青由此所出现的改性效果显著,粘度发生显著提升。在SBS 改性沥青及PA1、PA2 改性沥青的配比设计中,SBS 的掺量比较高,因此在长期高温环境下SBS、基质沥青之间就会产生充分反应,并由此构成交联体系,表现出良好的粘性。PA1、PA2 改性沥青内的增粘剂、增溶剂在溶胀后也将产生粘弹性胶粒,强化沥青分子间的附着力,改善沥青粘度。

（2） 沥青与石料粘附性试验

透水沥青路面需要保证材料内的大空隙,便于雨水深入混合料内。受到潮湿环境的长期侵蚀作用,水分子很容易侵入沥青、集料的粘结界面,受到水压力的作用集料很容易出现剥落,因此水的影响较为显著。水分子极性较沥青更大,所以水分子更为活泼,当水与混合料直接接触时沥青就容易被水所替代,进而难以有效对石料形成裹附。因此,改善集料、沥青间的粘附性能能够有效防止这一水损害的发生[5]。

通过朗伯比尔定律来测定集料、沥青间的粘附性,并以剥落率作为表征指标。剥落率越高,则代表沥青的粘附性越差；相反地,剥落率越低,则代表沥青的粘附性越好,试验结果如图2 所示。根据试验结果可以发现,沥青、集料之间的粘附性排序为：PAl＞PA2＞SBS 改性沥青＞橡胶沥青＞基质沥青。各改性沥青所测得的粘附性均高于基质沥青,特别是PA1、PA2 改性沥青的剥落率水平很低,这也就说明其沥青、集料间粘附性比较好,在潮湿环境下能够表现出较好的稳定性,可以抵抗水分子的“置换”作用。

2.3 不同沥青离析试验

首先通过0.3 mm 筛对改性沥青进行过筛处理,并将其加热至具有较好的流动性,在竖立盛样管内注入50 g 试样。所用的盛样管尺寸一般可选择25 mm直径、140 mm 长的铝管,在浇注结束后即可将盛样管竖立置于温度为163 ℃±5 ℃的烘箱内,并在无外部扰动的条件下静置48 h。随后,将盛样管以竖立的方式置于冰箱中冷却4 h。当沥青试样完全固化后即可取出盛样管,并将试样切分成三部分,分别对上下段试样的软化点进行测定,选取上下段试样的软化点之差来评价材料的离析情况。若其软化点之差越大,则表明离析现象越显著,也即沥青储存的稳定性越低,由此即可得到试验结果如图3 所示。

图3 沥青离析试验结果

根据图3 可以发现,橡胶沥青的上下段试样软化点之差最大,为4.1 ℃,也即橡胶沥青储存的稳定性最低,在实际工程中需要采取相应措施；SBS 改性沥青的上下段试样软化点之差较小,为0.2 ℃,也即SBS改性剂、基质沥青之间具有较好的相容性,能够形成稳定的体系。PA1、PA2 改性沥青的上下段试样软化点之差均低于1.0 ℃,特别是PA1 改性沥青几乎可视为不出现离析,主要是由于增溶剂、增粘剂联合作用使得沥青形成了反应充分的交联体系,满足远距离运输的要求。但PA2 改性沥青的上下段试样软化点之差相对PA1 改性沥青较大,主要是由于其增溶剂掺量较高,在长时间高温储存时会向下沉降使得底部软化点升高,上部软化点下降,但从其整体来看仍满足工程应用的要求。

3 结论

本研究以透水沥青路面作为研究导向,分别对基质沥青、SBS 改性沥青、橡胶沥青及PA1、PA2 改性沥青的性能进行比对。研究发现PAl、PA2 改性沥青在高低温性能上的表现由于基质沥青及其他改性沥青,且基质沥青、改性剂之间的相容性较好,可以构成稳定的交联体系。同时PAl、PA2 改性沥青与石料之间具有良好的粘附性,有助于改善抗冲击能力。