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不同老化方式下SBS瀝青及其多孔混合料水穩定性研究
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不同老化方式下SBS瀝青及其多孔混合料水穩定性研究
2022年05月09日    閱讀量:17776    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

摘要:采用拉拔試驗和表面能試驗對不同老化作用的70號基質瀝青(70PEN)和不同摻量SBS改性瀝青(SBSMA)的黏附性能進行研究;采用不同老化作用下的70PEN和SBSMA制備OGFC-13瀝青混合料,并對其水穩定性進行研究。在鋪設試驗路段,對OGFC-13瀝青混合料的工程性能和水穩定性進行驗證。試驗結果表明,隨著SBS改性劑摻量的增加,SBSMA的黏附強度逐漸增大、表面能極性分量逐漸增大,水穩定性能逐漸提高瀝青網sinoasphalt.com。長期氣候老化作用和熱老化作用下均會導致70PEN和SBSMA的水穩定性降低,且長期氣候老化作用的影響普遍高于長期熱老化作用。此外,老化作用會導致 OGFC-13 瀝青混合料的水穩定性能降低,當采用高摻量SBSMA(SBS≥7.5%wt)作為瀝青膠結料時,OGFC-13瀝青混合料的水穩定性能較好。試驗路段的試驗結果,也證實其具有較好的工程性能。

 

關鍵詞:SBS 改性瀝青;黏附性能;表面能;水穩定性 

本文在前人研究的基礎上,基于拉拔試驗和表面能試驗,研究70號基質瀝青(70PEN)和不同摻量SBS改性瀝青(SBSMA)在不同老化作用下的黏附性能變化;基于凍融劈裂強度試驗,對不同70PEN 和SBSMA制備的OGFC-13瀝青混合料的水穩定性進行研究。最后結合實際工程對試驗路段進行驗收,準確評價SBS改性瀝青及多孔瀝青混合料在老化過程中的黏附性能和水穩定性能的變化規律及機理。這對于多孔瀝青混合料水穩定性能和耐久性能的評估具有重要的意義。

 

1?試驗材料與試驗方法

1.1?試驗原材料

1.1.1?基質瀝青及 SBS 改性劑  

試驗用中海油70PEN,基本性能指標 :針入度(25℃)為 71.2(0.1mm);軟化點為 48.6℃;延度(15℃)>100cm。試驗用 SBS改性劑為4402線型SBS改性劑。SBS改性瀝青中的摻量分別為基質瀝青質量的4.5%、7.5% 和 9%。制備的SBS改性瀝青的代號分別為4.5SBSMA、7.5SBSMA和9SBSMA。制備工藝步驟如下。 

1)70PEN在180℃下加熱至流動態,將規定質量的SBS改性劑加入到基質瀝青中,以300r/min的速率攪拌30min 使SBS改性劑充分溶脹。 

2)采用高速剪切機,以4000 r/min的剪切速率在180℃下對混合液體進行40min的高速剪切作用。

 3)將混合液體在180℃下攪拌發育30min,攪拌速率為400 r/min,攪拌發育完成后即得到制備好的SBS改性瀝青。 

1.1.2? 天然集料及礦粉  

試驗采用1檔石灰巖集料和2檔玄武巖集料。石灰巖集料的粒級為0~3mm,玄武巖集料的粒級為5~10 mm 和10~15mm。試驗用礦粉為石灰巖礦粉。天然集料和石灰巖礦粉的基本物理性質見表1,級配組成見表2。

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1.2?試驗方法 

1.2.1?室內加速老化試驗 

根據JTG E20—2011《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》(下文簡稱“規程”),采用瀝青薄膜加熱試驗(TFOT)對70PEN和SBSMA進行短期老化作用;采用壓力容器老化試驗(PAV)對70PEN 和 SBSMA 進行長期熱氧老化作用。此外,采用全氣候老化試驗箱對70PEN和SBSMA進行長期氣候老化試驗,模擬光、熱、水等復雜環境對瀝青的氣候老化作用。全氣候老化試驗的老化條件為:0.89W/m2 的紫外線輻射強度、60℃溫度和60%濕度,全氣候老化試驗時間為6d。 

1.2.2?拉拔試驗 

根據 ASSHTO TP—91 規范中試驗方法 [1],采用拉拔試驗對 70PEN 和 SBSMA 的黏附性能進行研究(見圖1)。

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拉拔試驗的加載速率為0.7MPa/s,瀝青膜的厚度控制為0.2mm。試件的成型及試驗步驟如下。 

1)將玄武巖石板、拔頭在170℃下加熱1h待用,同時將瀝青在170℃下加熱至液態待用。 

2)將液態瀝青滴到玄武巖石板上,立即用拔頭粘結,擠出多余瀝青,保證瀝青膜厚度為0.2 mm。 

3)將成型的試件在室溫下靜置1h至室溫,將部分試件在常溫下繼續靜置24h后進行拉拔試驗,得到70PEN和SBSMA在干燥條件下的黏附強度 ASdry。同時,將其余部分試件放入60℃水中浸泡24h。再放入恒溫恒濕箱(25℃、60% 相對濕度)下靜置1h,進行拉拔試驗,得到70PEN和SBSMA 在浸水條件下的黏附強度ASwet。 

4)基于拉拔試驗,根據式(1),計算70PEN和SBSMA在不同老化條件下的水穩定系數PWS。

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式中:PWS為拉拔試驗水穩定系數,% ;ASwet為浸水條件下拉拔強度,MPa;ASdry為干燥條件下拉拔強度,MPa。 

 

1.2.3?表面能試驗 

通過測試已知表面能參數液體與待測固體間的接觸角,根據表面能試驗得到待測固體的表面能參數。本次試驗采用接觸角法測試70PEN、SBSMA和玄武巖基板的表面能分量。3種測試液體分別選用蒸餾水、甘油和甲酰胺。其對應的表面能參數見表3,測試過程見圖2。

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根據表面物理化學,表面能主要由色散分量和極性分量組成,見式(2)。

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固體和液體間的色散力近似于固液表面能色散分量的幾何平均。因此,固液界面表面能可按式(3)進行計算。

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Young 方程表明表面能與固液界面接觸角間的關系,見式(4)。

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根據式(3)和式(4),得到表面能分量與固液界面接觸角的關系,見式(5)。

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式中 :θ 為固液界面接觸角,(°)。 

根據測定 3 種已知表面能參數液體(蒸餾水、甘油和甲酰胺)與待測固體間的接觸角,可按式(5)計算待測固體表面能極性分量和表面能色散分量。在已知瀝青和玄武巖基板表面能分量的基礎上,可按式(6)~ 式(8)分別計算瀝青-集料界面的黏附功、剝落功和水穩定系數。

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1.2.4?瀝青混合料配合比設計 

根據JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》中OGFC瀝青混合料配合比設計方法,以石灰巖集料、玄武巖集料和石灰巖礦粉配制OGFC-13瀝青混合料。OGFC-13瀝青混合料的瀝青分別選用未老化和老化后的 70PEN 和 SBSMA。以 20%目標空隙率確定OGFC-13瀝青混合料的最佳油石比,配合比設計結果見表 4。

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1.2.5?凍融劈裂強度試驗 

根據“規程”中“T0729—2000”試驗方法對OGFC-13瀝青混合料在凍融作用下的劈裂強度測試,并計算凍融劈裂強度比 TSR。

 

2?試驗結果與討論

2.1?拉拔試驗結果 

 70PEN和SBSMA的黏附強度試驗結果見圖3。 

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由圖3可見,4種瀝青的黏附強度由大到小排序為9SBSMA>7.5SBSMA>4.5SBSMA>70PEN。SBS改性劑摻量的增加會提高SBS改性瀝青與集料間的黏附性能。當在基質瀝青中摻加SBS改性劑后,SBS改性劑會吸收部分瀝青輕質組分產生溶脹,導致瀝青中芳香分、飽和分等非極性輕質組分的含量減小,而瀝青質、膠質等極性組分的含量提高。此外,70PEN和SBSMA在干燥條件下的黏附強度普遍大于其在浸水條件下的黏附強度。隨著老化作用的進行,70PEN和SBSMA在干燥條件下的黏附強度呈現先增大后減小的變化趨勢;70PEN和SBSMA在潮濕條件下的黏附強度呈持續減小的變化趨勢。這表明,短期老化作用會略微提高干燥條件下瀝青與集料間的黏附性能,而長期老化作用會顯著降低瀝青與集料間的黏附性能。對比瀝青在長期熱老化和長期氣候老化后的黏附強度,可發現,4種瀝青在長期熱老化和長期氣候老化后的黏附強度差距并不明顯,其在長期氣候老化后的黏附強度略小于長期熱老化后的黏附強度。

 

根據干燥和浸水條件下的黏附強度結果,得到4種瀝青在不同老化階段下的水穩定系數,同時可發現,SBSMA的水穩定系數高于70PEN的水穩定系數,且隨著SBS改性劑摻量的增加,SBSMA的水穩定系數進一步增加。這表明,提高SBS改性劑的摻量會相應提高其水穩定性能。此外,隨著氣候老化,4種瀝青的水穩定系數逐漸減小。老化作用會降低70PEN和SBSMA的水穩定性能。對70PEN而言,長期氣候老化作用對其水穩定性的影響明顯高于長期熱老化作用。對于 SBSMA 而言,長期氣候老化作用和長期熱老化作用對其水穩定性的影響并不明顯。

 

2.2?表面能試驗結果 

70PEN和SBSMA在不同老化階段下的表面能參數見表5。根據表5數據,相應繪制不同表面能參數隨老化的變化曲線,見圖4。

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由圖4可見,70PEN和 SBSMA的表面能色散分量明顯高于極性分量。隨著老化作用,70PEN和SBSMA的表面能逐漸減小,表面能極性分量逐漸增加,說明老化作用會導致70PEN和SBSMA 中呈明顯極性的瀝青質含量增加,進而增加其表面能極性分量。

 

分析70PEN 和SBSMA的黏附功和剝落功試驗結果,SBSMA的黏附功普遍高于70PEN,隨著SBS改性劑摻量的增加,SBSMA的黏附功逐漸增大。說明SBS改性劑摻量的增加會提高SBSMA的黏附性能。

 

4種瀝青的水穩定系數由大到小排序為9SBSMA>7.5SBSMA >4.5SBSMA >70PEN。這表明SBS改性劑摻量的提高會增加瀝青的水穩定性。

 

2.3?凍融劈裂強度試驗結果 

4 種不同瀝青制備的 OGFC-13 瀝青混合料的凍融劈裂強度比(TSR)見圖 5。

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由圖5可見,由7.5SBSMA、9SBSMA 制備的OGFC-13瀝青混合料的凍融劈裂強度比能滿足規范的要求(TSR> 80%);而由70PEN 和4.5SBSMA制備的 OGFC-13瀝青混合料的凍融劈裂強度比無法滿足規范的要求(TSR> 80%)。隨著老化作用,由70PEN 和 SBSMA 制備的OGFC-13瀝青混合料的凍融劈裂強度比均逐漸減小。長期老化后,由70PEN 制備的OGFC-13瀝青混合料的凍融劈裂強度比很小,其水穩定性很差。由 SBSMA 制備的OGFC-13瀝青混合料的凍融劈裂強度比仍較高,隨著SBS改性劑摻量增加,OGFC-13瀝青混合料的凍融劈裂強度比逐漸增大。這同樣說明SBS改性劑的摻加可提高SBS改性瀝青和OGFC-13瀝青混合料的水穩定性。

 

2.4?SBS 改性瀝青及多孔瀝青混合料工程應用 

為驗證不同摻量 SBSMA 的多孔混合料老化后的水穩定性,鋪設1條長度0.4km 的多孔瀝青混合料試驗路段。每0.1km 為1個試驗路段。多孔瀝青混合料試驗路段方案如下:第一試驗段(0~0.1km)采用 70PEN,第二試驗段(0.1~0.2km)采用4.5SBSMA,第三試驗段(0.2~0.3km) 采用7.5SBSMA,第四試驗段(0.3~0.4km)采用9SBSMA。試驗路通車1a后,對該試驗路段進行檢測,檢測結果見表6。

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由表6可見,經過1a的環境老化作用和車輛荷載作用,基質瀝青路段車轍深度為7.2mm,SBSMA 路段均無車轍。SBSMA 表現出良好的工程性能。對不同路段混合料進行鉆芯取樣、進行凍融劈裂強度測試,PEN 路段在老化后的水穩定性不足,SBSMA 路段在老化后仍具有較好水穩定性。

 

3?結語 

1)70PEN 和SBSMA在干燥條件下的黏附強度高于浸水條件下的黏附強度。隨著SBS改性劑摻量的增加,SBSMA的黏附強度逐漸增加。老化作用會降低70PEN 和 SBSMA 的黏附性能。對于SBSMA,長期氣候老化和熱老化的影響不明顯;而對于70PEN,長期氣候老化的影響顯著。 

2)70PEN 和 SBSMA 的表面能色散分量明顯高于極性分量。隨著老化作用的進行,70PEN 和SBSMA 的表面能減小,而表面能極性分量增加。此外,70PEN 和 SBSMA 的水穩定系數隨著老化的作用而減小,表明老化作用會對瀝青水穩定性產生不利影響。 

3)當采用 70PEN 作為瀝青膠結料時,OGFC-13混合料的水穩定性很差;當采用 4.5 SBSMA 瀝青膠結料時,OGFC-13 混合料水穩定性較好。老化作用會降低OGFC-13混合料的水穩定性,且長期氣候老化對其水穩定性影響高于長期熱老化。 

4)實際工程路段表明,SBSMA 多孔混合料路段具有較好的工程性能和水穩定性,而基質瀝青路段的工程性能較差、水穩定性不足。


標簽:綜合論文,技術中心,瀝青混凝土
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