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不同掺量SBS改性沥青的粘附与愈合性能研究
2022年04月11日    阅读量:38485     新闻来源:《新型建筑材料》    |  投稿

摘 要

道路沥青的抗水损害性能及耐久性与其粘附及愈合性能息息相关。采用BBS实验对不同掺量SBS改性沥青的粘附性能和愈合性能进行评价。分析了粘附强度、愈合系数与沥青模量、黏度间的关系,建立起粘附强度与SMA沥青混合料水稳定性的关系沥青网sinoasphalt.com。实验结果表明,SBS能明显改善基质沥青的粘附强度,粘附强度随SBS掺量的提高而提高,但其粘附愈合性能则随着SBS掺量的提高而减小。沥青粘附强度与复数模量及135℃旋转黏度均呈正相关关系,粘附愈合系数与二者呈负相关关系。SBS改性沥青的粘附强度与由其制备的SMA-13沥青混合料的水稳定性指标具有明显正相关关系,采用BBS实验可以准确地对沥青混合料的水稳定性进行预测与评价。


关键词 SBS改性沥青 | 粘附性 | 愈合性 | 水稳定性


随着道路服役时间的延长,沥青路面的耐久性开始受到越来越多的关注。沥青道路的耐久性体现在抗车辙、抗水损害与抗疲劳开裂等方面。研究表明[1-2],由于车辆荷载的反复作用和氧气、雨水等气候变化的共同作用,路面产生的动水会在沥青面层的孔隙中不断对混合料进行冲刷与剥离,造成沥青路面发生局部的松散、脱落、坑槽等病害,进而引发沥青路面的耐久性破坏。而松散、水损病害发生的内在原因是沥青与集料之间粘结性能不足[3]。但沥青与集料间的粘结并不是一次性的,在合适的温度与压力下,处于相互脱离状态的沥青-集料会产生愈合行为,使得粘结力得到一定程度的恢复。目前普遍认为,沥青自愈合行为的产生是基于表面能理论[3]和界面润湿与扩散理论[4-5]。沥青-集料界面或者是沥青本身产生的微裂缝处的沥青,在裂缝界面的分子间范德华力与氢键形成的化学吸附作用力的驱动下,为降低表面能,沥青分子会逐渐自发扩散,产生对集料界面的浸润与吸附,从而弥合沥青间的微裂缝及沥青-集料界面的间隙。基于沥青的自愈合现象,从宏观角度看,路面微裂缝在夏季高温期间,一般会有减少的现象。综上,准确评估沥青集料的粘结性能与愈合性能,对于提高沥青路面的使用性能,改善道路的疲劳开裂状况,延长其使用寿命具有重要意义。


国内外学者尝试用很多试验方法对沥青集料界面的粘结与愈合进行评价[6-7],其中,BBS(BinderBondStrength)试验是一种较为简单、直观地评价沥青集料界面粘结性能的测试方法,已被列入AASHTOTP-91中。BBS试验是通过测量拔头与集料石板之间的粘结强度来反映二者之间的粘结效果,国外已有较多研究[8-10]。国内利用此试验进行的研究相对较少,周璐等[11]采用BBS试验对多种聚合物改性沥青的粘附性能进行评价,结果表明,SBS、PE和橡胶等改性剂均会显著提高沥青与集料的粘附性能。其中,SBS对沥青粘附性能的提升最明显。


由于目前国内的改性沥青市场上SBS改性沥青占据很大份额,国内大部分高等级道路选用SBS改性沥青进行铺筑。本文将基于BBS试验,对不同掺量的SBS改性沥青的粘结性能与愈合性能进行评价。并建立SBS改性沥青的粘结、愈合性能与其模量、黏度等流变指标之间的关系。最后,通过沥青混合料的冻融劈裂试验,验证利用BBS试验来评价沥青混合料水稳定性的合理性。


试验


试验材料


(1)基质沥青和SBS改性剂


基质沥青:中海油70#基质沥青;SBS:4402线型SBS改性剂,岳阳巴陵石化生产。基质沥青和不同掺量SBS改性沥青的基本技术性能见表1。

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(2)天然集料及矿粉


试验采用1档石灰岩集料和2档玄武岩集料。石灰岩集料:0~3mm;玄武岩集料:5~10mm和10~150mm。矿粉:石灰岩矿粉。天然集料和矿粉的基本物理性能及级配组成见表2。

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(3)纤维


纤维能够提高沥青与矿粉的粘附性,大大提高沥青混合料的黏度,起到增强沥青混合料、防止泛油的作用。实验采用深圳市恒悦达建筑材料有限公司所生产的絮状聚酯纤维,其物理性能指标如表3所示。

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沥青混合料配合比设计


根据JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中SMA沥青混合料配合比设计方法,以石灰岩集料、玄武岩集料和石灰岩矿粉配制SMA-13沥青混合料。SMA-13沥青混合料中,聚酯纤维掺量为混合料总质量的0.3%;SBS改性沥青掺量分别为基质沥青质量的2.0%、3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%。然后,以4%目标空隙率确定SMA-13沥青混合料的最佳油石比,配合比设计结果见表4。

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试验方法


(1) 基本性能


根据JTGE20-2011《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》,测试基质沥青和不同掺量SBS改性沥青的25℃针入度、软化点和5℃延度。


(2) BBS试验


按照ASSHTOTP-91,采用BBS试验对SBS改性沥青的粘附性能和粘附愈合性能进行研究。加载速率为0.7MPa/s,沥青膜的厚度控制为0.2mm。试件的成型及试验步骤如下:


1)将玄武岩石板、拔头在170℃下加热1h待用,同时将SBS改性沥青在170℃下加热至液态。


2)将约1g的SBS改性沥青滴到玄武岩石板上,然后立即将拔头放在沥青上,并施加以恒定荷载,使多余沥青从溢流孔中流出,保证沥青膜的厚度为0.2mm。


3)将成型好的试件在25℃下静置1h,然后放入40℃水中进行水浴养护(水浴的目的为令试件发生粘附破坏)。水浴养护结束后放入恒温恒湿箱(25℃、相对湿度30%)中静置1h,取出后立即进行BBS试验,得到沥青的初始粘结强度。


4)为了研究SBS改性沥青的粘结愈合性能,对浸水72h的试件进行第1次拉拔破坏后,立即将拔头放回至原位置(不施加外力),将试件在25℃水浴条件下养护24h,以模拟沥青-集料粘结愈合的过程。水浴养护后,将试件在25℃恒温恒湿箱中静置1h,然后再次进行BBS试验,得到沥青的恢复粘结强度。将恢复粘结强度与初始粘结强度之比定义为沥青的粘附愈合系数H(IHealingIndex)。


(3)DSR试验


对不同掺量SBS改性沥青的复数模量进行测试,然后分析SBS改性沥青的复数模量对其粘结性能及愈合性能的影响。DSR试验温度为25℃,频率为10Hz,应变水平为3%。


(4)冻融循环(TSR)试验


根据JTGE20-2011中T0729-2000对SMA-13沥青混合料的冻融劈裂强度比进行测试,并对SBS改性沥青的粘结性能与对应SMA-13沥青混合料水稳定性的相关性进行了分析。


试验结果与讨论


SBS掺量对改性沥青性能的影响


(1)SBS掺量对改性沥青粘附性能的影响


浸水时间分别选取24、48、72、96h。浸水时间对基质沥青和不同SBS掺量改性沥青粘附强度的影响见图1。

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由图1可见:


1)未浸水时(浸水养护时间为0),沥青的粘附强度随着SBS掺量的增加而提高。掺2.0%、3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%SBS改性沥青的粘附强度相对于基质沥青分别提高了44.0%、62.6%、134.1%、170.3%、209.9%和254.9%。说明在干燥条件下,SBS对沥青的粘附强度有明显的提升作用,且掺量越高,粘附强度提升效果越好。这是因为,当基质沥青中掺入SBS后,SBS会吸收部分沥青轻质组分产生溶胀,导致沥青中芳香分、饱和分等非极性轻质组分的含量减小,而沥青质、胶质等极性组分的含量增大。这会促使沥青中极性组分与集料表面的吸附效果更好,进而提高了沥青的粘附性能。


2)随着浸水养护时间的延长,基质沥青与不同掺量SBS改性沥青的粘附强度均呈现一定程度的降低。在浸水的最初48h内,沥青的粘附强度下降较快,浸水48h时,基质沥青与2.0%、3.0%、4.5%、6.0%、7.5%、9.0%SBS改性沥青的粘附强度较未浸水时分别降低了53.8%、53.4%、52.7%、47.9%、48.0%、42.6%和31.6%。从趋势上看,SBS的加入,延缓或者降低了水对沥青粘附性能的不利作用,且SBS掺量越高,效果越明显。这说明,SBS能够有效改善沥青的抗水损害性能。


3)随着浸水时间的进一步延长,基质沥青和SBS改性沥青的粘附强度下降幅度减小。当浸水时间超过72h时,沥青的粘附强度基本不变。这说明,水对于沥青-集料界面粘附性能的影响主要发生在0~72h内。当浸水时间超过72h时,水对SBS改性沥青-集料界面粘附性能的影响明显减弱。


(2)SBS掺量对改性沥青愈合性能的影响


为了研究SBS改性沥青的粘结愈合性能,对浸水72h的试件进行第1次拉拔破坏后,立即将拔头按照原位放回,并将试件放入25℃水浴箱中进行水浴愈合养护24h。然后取出,在25℃干燥条件下静置1h后再次进行拉拔试验,从而得到粘附愈合系数。将基质沥青与不同掺量SBS改性沥青的粘附愈合系数试验结果见图2。

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由图2可以看出,随着SBS掺量的增加,SBS改性沥青的粘附愈合系数总体呈显著减小的趋势。当SBS的掺量由0增加到9.0%时,SBS改性沥青的粘附愈合系数由0.64下降到0.16。这说明,SBS的掺入明显降低了沥青的粘附愈合性能,且掺量越高,沥青的粘附愈合性能越差。该试验结果与文献[8]的一致。这一现象产生的原因可能是,沥青-集料界面的愈合行为主要依赖于沥青与集料表面的润湿、扩散过程。沥青与集料表面的润湿、扩散速率越快,沥青与集料界面的愈合效果越好。随着SBS掺量的增加,SBS会吸收沥青中的轻组分产生溶胀,这同样会使得沥青中沥青质、胶质等大分子的含量提高。沥青中重质分子含量的提高不利于沥青发生润湿、扩散等行为,进而降低了沥青的愈合能力。此外,SBS自身没有愈合能力,它的存在也会影响沥青与集料界面的扩散行为,进而会对SBS改性沥青的愈合能力产生不利影响。


(3)SBS掺量对改性沥青复数模量和黏度的影响不同SBS掺量改性沥青的25℃复数模量和135℃旋转黏度如图3所示。


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由图3可以看出,SBS的掺入显著提高了沥青的复数模量与黏度,且随着SBS掺量的增加而逐步提高。表明SBS的掺入能明显改善道路基质沥青的弹性与高温黏度,从道路的耐久性与长期的抗水损害性能来看,SBS的掺入具有积极影响。


SBS改性沥青的流变性对其粘附性能和粘附愈合性能的影响


(1)复数模量与其粘附性能和粘附愈合性能的关系


将不同SBS掺量改性沥青的25℃复数模量与经不同浸水时间的沥青粘附强度及其粘附愈合系数进行相关性分析,结果如图4所示。

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由图4可见:1)不同SBS掺量改性沥青的粘附强度、粘附愈合系数与其复数模量呈明显的相关性。随着沥青复数模量的增大,沥青的粘附强度也逐渐提高,在不同浸水时间下,二者都有明显的线性相关性。2)粘附愈合性能随着复数模量的提高而逐渐下降。这同样可以用SBS改性沥青中化学组分的变化进行解释。随着SBS掺量的增加,SBS逐渐吸收轻质组分产生溶胀,使得沥青中重质组分含量提高;同时SBS在沥青中逐渐形成空间网状相态结构,使改性沥青的复数模量提高。因此,造成沥青的流动性变差及沥青中轻质组分扩散、润湿集料的效果变差,从而降低沥青的粘附愈合性能。


(2)黏度与其粘附性能和粘附愈合性能的关系


将不同SBS掺量改性沥青的135℃旋转黏度与经不同浸水时间的改性沥青粘附强度和粘附愈合系数进行相关性分析,结果如图5所示。

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由图5可见,随着SBS改性沥青黏度的增大,其粘附强度逐渐提高,粘附愈合系数逐渐减小,SBS改性沥青的黏度与其粘附强度和粘附愈合系数具有较好的相关性。说明SBS改性沥青的黏度会明显影响其粘附性能及粘附愈合性能。同样,SBS改性沥青黏度会影响沥青在集料表面的扩散、润湿等行为,从而影响其粘附强度和粘附愈合性能。


SBS改性沥青的粘附性与沥青混合料水稳定性的关系


将不同SBS掺量改性沥青的粘附强度与由其制备的SMA-13沥青混合料的冻融劈裂强度比(TSR)进行相关性分析,结果见图6。

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由图6可见,不同SBS掺量下,沥青的粘附强度与由其制备的SMA-13沥青混合料的冻融劈裂强度比具有较好的相关性,相关系数均达到0.8以上。随着SBS改性沥青粘附强度的提高,SMA-13沥青混合料的水稳定性逐渐增强。这证明了可以通过BBS试验来较为方便地评价SBS改性沥青混合料的水稳定性。


结论

(1)未浸水条件下,SBS对沥青的粘附强度有较为明显的提升作用,且掺量越高,对粘附提升效果越好。随着浸水时间的延长,基质沥青与不同掺量SBS改性沥青的粘附强度均下降,但SBS能减缓水对沥青粘附性的不利作用。

(2)随着SBS掺量的增加,SBS改性沥青的粘附愈合性能逐渐下降。

(3)不同浸水养护时间下,SBS改性沥青的粘附强度与其复数模量及135℃旋转黏度呈较明显的正相关;而其粘附愈合系数与其复数模量及135℃旋转黏度呈负相关。

(4)不同掺量SBS改性沥青的粘附强度与由其制备的SMA-13沥青混合料的冻融劈裂强度比具有较好的相关性(R^2>0.8),这表明可以通过BBS试验能较为方便地评价SBS改性沥青混合料的水稳定性。


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