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                                    不同摻量SBS改性瀝青的粘附與愈合性能研究
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                                    不同摻量SBS改性瀝青的粘附與愈合性能研究
                                    2022年04月11日    閱讀量:9886    新聞來源:《新型建筑材料》  |  投稿

                                    摘 要

                                    道路瀝青的抗水損害性能及耐久性與其粘附及愈合性能息息相關。采用BBS實驗對不同摻量SBS改性瀝青的粘附性能和愈合性能進行評價。分析了粘附強度、愈合系數與瀝青模量、黏度間的關系,建立起粘附強度與SMA瀝青混合料水穩定性的關系瀝青網sinoasphalt.com。實驗結果表明,SBS能明顯改善基質瀝青的粘附強度,粘附強度隨SBS摻量的提高而提高,但其粘附愈合性能則隨著SBS摻量的提高而減小。瀝青粘附強度與復數模量及135℃旋轉黏度均呈正相關關系,粘附愈合系數與二者呈負相關關系。SBS改性瀝青的粘附強度與由其制備的SMA-13瀝青混合料的水穩定性指標具有明顯正相關關系,采用BBS實驗可以準確地對瀝青混合料的水穩定性進行預測與評價。


                                    關鍵詞 SBS改性瀝青 | 粘附性 | 愈合性 | 水穩定性


                                    隨著道路服役時間的延長,瀝青路面的耐久性開始受到越來越多的關注。瀝青道路的耐久性體現在抗車轍、抗水損害與抗疲勞開裂等方面。研究表明[1-2],由于車輛荷載的反復作用和氧氣、雨水等氣候變化的共同作用,路面產生的動水會在瀝青面層的孔隙中不斷對混合料進行沖刷與剝離,造成瀝青路面發生局部的松散、脫落、坑槽等病害,進而引發瀝青路面的耐久性破壞。而松散、水損病害發生的內在原因是瀝青與集料之間粘結性能不足[3]。但瀝青與集料間的粘結并不是一次性的,在合適的溫度與壓力下,處于相互脫離狀態的瀝青-集料會產生愈合行為,使得粘結力得到一定程度的恢復。目前普遍認為,瀝青自愈合行為的產生是基于表面能理論[3]和界面潤濕與擴散理論[4-5]。瀝青-集料界面或者是瀝青本身產生的微裂縫處的瀝青,在裂縫界面的分子間范德華力與氫鍵形成的化學吸附作用力的驅動下,為降低表面能,瀝青分子會逐漸自發擴散,產生對集料界面的浸潤與吸附,從而彌合瀝青間的微裂縫及瀝青-集料界面的間隙?;跒r青的自愈合現象,從宏觀角度看,路面微裂縫在夏季高溫期間,一般會有減少的現象。綜上,準確評估瀝青集料的粘結性能與愈合性能,對于提高瀝青路面的使用性能,改善道路的疲勞開裂狀況,延長其使用壽命具有重要意義。


                                    國內外學者嘗試用很多試驗方法對瀝青集料界面的粘結與愈合進行評價[6-7],其中,BBS(BinderBondStrength)試驗是一種較為簡單、直觀地評價瀝青集料界面粘結性能的測試方法,已被列入AASHTOTP-91中。BBS試驗是通過測量拔頭與集料石板之間的粘結強度來反映二者之間的粘結效果,國外已有較多研究[8-10]。國內利用此試驗進行的研究相對較少,周璐等[11]采用BBS試驗對多種聚合物改性瀝青的粘附性能進行評價,結果表明,SBS、PE和橡膠等改性劑均會顯著提高瀝青與集料的粘附性能。其中,SBS對瀝青粘附性能的提升最明顯。


                                    由于目前國內的改性瀝青市場上SBS改性瀝青占據很大份額,國內大部分高等級道路選用SBS改性瀝青進行鋪筑。本文將基于BBS試驗,對不同摻量的SBS改性瀝青的粘結性能與愈合性能進行評價。并建立SBS改性瀝青的粘結、愈合性能與其模量、黏度等流變指標之間的關系。最后,通過瀝青混合料的凍融劈裂試驗,驗證利用BBS試驗來評價瀝青混合料水穩定性的合理性。


                                    試驗


                                    試驗材料


                                    (1)基質瀝青和SBS改性劑


                                    基質瀝青:中海油70#基質瀝青;SBS:4402線型SBS改性劑,岳陽巴陵石化生產?;|瀝青和不同摻量SBS改性瀝青的基本技術性能見表1。

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                                    (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:0~3mm;玄武巖集料:5~10mm和10~150mm。礦粉:石灰巖礦粉。天然集料和礦粉的基本物理性能及級配組成見表2。

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                                    (3)纖維


                                    纖維能夠提高瀝青與礦粉的粘附性,大大提高瀝青混合料的黏度,起到增強瀝青混合料、防止泛油的作用。實驗采用深圳市恒悅達建筑材料有限公司所生產的絮狀聚酯纖維,其物理性能指標如表3所示。

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                                    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SMA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SMA-13瀝青混合料。SMA-13瀝青混合料中,聚酯纖維摻量為混合料總質量的0.3%;SBS改性瀝青摻量分別為基質瀝青質量的2.0%、3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%。然后,以4%目標空隙率確定SMA-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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                                    試驗方法


                                    (1) 基本性能


                                    根據JTGE20-2011《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》,測試基質瀝青和不同摻量SBS改性瀝青的25℃針入度、軟化點和5℃延度。


                                    (2) BBS試驗


                                    按照ASSHTOTP-91,采用BBS試驗對SBS改性瀝青的粘附性能和粘附愈合性能進行研究。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SBS改性瀝青在170℃下加熱至液態。


                                    2)將約1g的SBS改性瀝青滴到玄武巖石板上,然后立即將拔頭放在瀝青上,并施加以恒定荷載,使多余瀝青從溢流孔中流出,保證瀝青膜的厚度為0.2mm。


                                    3)將成型好的試件在25℃下靜置1h,然后放入40℃水中進行水浴養護(水浴的目的為令試件發生粘附破壞)。水浴養護結束后放入恒溫恒濕箱(25℃、相對濕度30%)中靜置1h,取出后立即進行BBS試驗,得到瀝青的初始粘結強度。


                                    4)為了研究SBS改性瀝青的粘結愈合性能,對浸水72h的試件進行第1次拉拔破壞后,立即將拔頭放回至原位置(不施加外力),將試件在25℃水浴條件下養護24h,以模擬瀝青-集料粘結愈合的過程。水浴養護后,將試件在25℃恒溫恒濕箱中靜置1h,然后再次進行BBS試驗,得到瀝青的恢復粘結強度。將恢復粘結強度與初始粘結強度之比定義為瀝青的粘附愈合系數H(IHealingIndex)。


                                    (3)DSR試驗


                                    對不同摻量SBS改性瀝青的復數模量進行測試,然后分析SBS改性瀝青的復數模量對其粘結性能及愈合性能的影響。DSR試驗溫度為25℃,頻率為10Hz,應變水平為3%。


                                    (4)凍融循環(TSR)試驗


                                    根據JTGE20-2011中T0729-2000對SMA-13瀝青混合料的凍融劈裂強度比進行測試,并對SBS改性瀝青的粘結性能與對應SMA-13瀝青混合料水穩定性的相關性進行了分析。


                                    試驗結果與討論


                                    SBS摻量對改性瀝青性能的影響


                                    (1)SBS摻量對改性瀝青粘附性能的影響


                                    浸水時間分別選取24、48、72、96h。浸水時間對基質瀝青和不同SBS摻量改性瀝青粘附強度的影響見圖1。

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                                    由圖1可見:


                                    1)未浸水時(浸水養護時間為0),瀝青的粘附強度隨著SBS摻量的增加而提高。摻2.0%、3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%SBS改性瀝青的粘附強度相對于基質瀝青分別提高了44.0%、62.6%、134.1%、170.3%、209.9%和254.9%。說明在干燥條件下,SBS對瀝青的粘附強度有明顯的提升作用,且摻量越高,粘附強度提升效果越好。這是因為,當基質瀝青中摻入SBS后,SBS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增大。這會促使瀝青中極性組分與集料表面的吸附效果更好,進而提高了瀝青的粘附性能。


                                    2)隨著浸水養護時間的延長,基質瀝青與不同摻量SBS改性瀝青的粘附強度均呈現一定程度的降低。在浸水的最初48h內,瀝青的粘附強度下降較快,浸水48h時,基質瀝青與2.0%、3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%SBS改性瀝青的粘附強度較未浸水時分別降低了53.8%、53.4%、52.7%、47.9%、48.0%、42.6%和31.6%。從趨勢上看,SBS的加入,延緩或者降低了水對瀝青粘附性能的不利作用,且SBS摻量越高,效果越明顯。這說明,SBS能夠有效改善瀝青的抗水損害性能。


                                    3)隨著浸水時間的進一步延長,基質瀝青和SBS改性瀝青的粘附強度下降幅度減小。當浸水時間超過72h時,瀝青的粘附強度基本不變。這說明,水對于瀝青-集料界面粘附性能的影響主要發生在0~72h內。當浸水時間超過72h時,水對SBS改性瀝青-集料界面粘附性能的影響明顯減弱。


                                    (2)SBS摻量對改性瀝青愈合性能的影響


                                    為了研究SBS改性瀝青的粘結愈合性能,對浸水72h的試件進行第1次拉拔破壞后,立即將拔頭按照原位放回,并將試件放入25℃水浴箱中進行水浴愈合養護24h。然后取出,在25℃干燥條件下靜置1h后再次進行拉拔試驗,從而得到粘附愈合系數。將基質瀝青與不同摻量SBS改性瀝青的粘附愈合系數試驗結果見圖2。

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                                    由圖2可以看出,隨著SBS摻量的增加,SBS改性瀝青的粘附愈合系數總體呈顯著減小的趨勢。當SBS的摻量由0增加到9.0%時,SBS改性瀝青的粘附愈合系數由0.64下降到0.16。這說明,SBS的摻入明顯降低了瀝青的粘附愈合性能,且摻量越高,瀝青的粘附愈合性能越差。該試驗結果與文獻[8]的一致。這一現象產生的原因可能是,瀝青-集料界面的愈合行為主要依賴于瀝青與集料表面的潤濕、擴散過程。瀝青與集料表面的潤濕、擴散速率越快,瀝青與集料界面的愈合效果越好。隨著SBS摻量的增加,SBS會吸收瀝青中的輕組分產生溶脹,這同樣會使得瀝青中瀝青質、膠質等大分子的含量提高。瀝青中重質分子含量的提高不利于瀝青發生潤濕、擴散等行為,進而降低了瀝青的愈合能力。此外,SBS自身沒有愈合能力,它的存在也會影響瀝青與集料界面的擴散行為,進而會對SBS改性瀝青的愈合能力產生不利影響。


                                    (3)SBS摻量對改性瀝青復數模量和黏度的影響不同SBS摻量改性瀝青的25℃復數模量和135℃旋轉黏度如圖3所示。


                                    不同摻量SBS改性瀝青的粘附與愈合性能研究 瀝青網,sinoasphalt.com

                                    由圖3可以看出,SBS的摻入顯著提高了瀝青的復數模量與黏度,且隨著SBS摻量的增加而逐步提高。表明SBS的摻入能明顯改善道路基質瀝青的彈性與高溫黏度,從道路的耐久性與長期的抗水損害性能來看,SBS的摻入具有積極影響。


                                    SBS改性瀝青的流變性對其粘附性能和粘附愈合性能的影響


                                    (1)復數模量與其粘附性能和粘附愈合性能的關系


                                    將不同SBS摻量改性瀝青的25℃復數模量與經不同浸水時間的瀝青粘附強度及其粘附愈合系數進行相關性分析,結果如圖4所示。

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                                    由圖4可見:1)不同SBS摻量改性瀝青的粘附強度、粘附愈合系數與其復數模量呈明顯的相關性。隨著瀝青復數模量的增大,瀝青的粘附強度也逐漸提高,在不同浸水時間下,二者都有明顯的線性相關性。2)粘附愈合性能隨著復數模量的提高而逐漸下降。這同樣可以用SBS改性瀝青中化學組分的變化進行解釋。隨著SBS摻量的增加,SBS逐漸吸收輕質組分產生溶脹,使得瀝青中重質組分含量提高;同時SBS在瀝青中逐漸形成空間網狀相態結構,使改性瀝青的復數模量提高。因此,造成瀝青的流動性變差及瀝青中輕質組分擴散、潤濕集料的效果變差,從而降低瀝青的粘附愈合性能。


                                    (2)黏度與其粘附性能和粘附愈合性能的關系


                                    將不同SBS摻量改性瀝青的135℃旋轉黏度與經不同浸水時間的改性瀝青粘附強度和粘附愈合系數進行相關性分析,結果如圖5所示。

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                                    由圖5可見,隨著SBS改性瀝青黏度的增大,其粘附強度逐漸提高,粘附愈合系數逐漸減小,SBS改性瀝青的黏度與其粘附強度和粘附愈合系數具有較好的相關性。說明SBS改性瀝青的黏度會明顯影響其粘附性能及粘附愈合性能。同樣,SBS改性瀝青黏度會影響瀝青在集料表面的擴散、潤濕等行為,從而影響其粘附強度和粘附愈合性能。


                                    SBS改性瀝青的粘附性與瀝青混合料水穩定性的關系


                                    將不同SBS摻量改性瀝青的粘附強度與由其制備的SMA-13瀝青混合料的凍融劈裂強度比(TSR)進行相關性分析,結果見圖6。

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                                    由圖6可見,不同SBS摻量下,瀝青的粘附強度與由其制備的SMA-13瀝青混合料的凍融劈裂強度比具有較好的相關性,相關系數均達到0.8以上。隨著SBS改性瀝青粘附強度的提高,SMA-13瀝青混合料的水穩定性逐漸增強。這證明了可以通過BBS試驗來較為方便地評價SBS改性瀝青混合料的水穩定性。


                                    結論

                                    (1)未浸水條件下,SBS對瀝青的粘附強度有較為明顯的提升作用,且摻量越高,對粘附提升效果越好。隨著浸水時間的延長,基質瀝青與不同摻量SBS改性瀝青的粘附強度均下降,但SBS能減緩水對瀝青粘附性的不利作用。

                                    (2)隨著SBS摻量的增加,SBS改性瀝青的粘附愈合性能逐漸下降。

                                    (3)不同浸水養護時間下,SBS改性瀝青的粘附強度與其復數模量及135℃旋轉黏度呈較明顯的正相關;而其粘附愈合系數與其復數模量及135℃旋轉黏度呈負相關。

                                    (4)不同摻量SBS改性瀝青的粘附強度與由其制備的SMA-13瀝青混合料的凍融劈裂強度比具有較好的相關性(R^2>0.8),這表明可以通過BBS試驗能較為方便地評價SBS改性瀝青混合料的水穩定性。


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                                    標簽:綜合論文,施工案例,技術中心,改性瀝青
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