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不同老化方式下SBS沥青及其多孔混合料水稳定性研究
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不同老化方式下SBS沥青及其多孔混合料水稳定性研究
2022年05月09日    阅读量:9267    新闻来源:沥青网 sinoasphalt.com  |  投稿

摘要:采用拉拔试验和表面能试验对不同老化作用的70号基质沥青(70PEN)和不同掺量SBS改性沥青(SBSMA)的黏附性能进行研究;采用不同老化作用下的70PEN和SBSMA制备OGFC-13沥青混合料,并对其水稳定性进行研究。在铺设试验路段,对OGFC-13沥青混合料的工程性能和水稳定性进行验证。试验结果表明,随着SBS改性剂掺量的增加,SBSMA的黏附强度逐渐增大、表面能极性分量逐渐增大,水稳定性能逐渐提高沥青网sinoasphalt.com。长期气候老化作用和热老化作用下均会导致70PEN和SBSMA的水稳定性降低,且长期气候老化作用的影响普遍高于长期热老化作用。此外,老化作用会导致 OGFC-13 沥青混合料的水稳定性能降低,当采用高掺量SBSMA(SBS≥7.5%wt)作为沥青胶结料时,OGFC-13沥青混合料的水稳定性能较好。试验路段的试验结果,也证实其具有较好的工程性能。

 

关键词:SBS 改性沥青;黏附性能;表面能;水稳定性 

本文在前人研究的基础上,基于拉拔试验和表面能试验,研究70号基质沥青(70PEN)和不同掺量SBS改性沥青(SBSMA)在不同老化作用下的黏附性能变化;基于冻融劈裂强度试验,对不同70PEN 和SBSMA制备的OGFC-13沥青混合料的水稳定性进行研究。最后结合实际工程对试验路段进行验收,准确评价SBS改性沥青及多孔沥青混合料在老化过程中的黏附性能和水稳定性能的变化规律及机理。这对于多孔沥青混合料水稳定性能和耐久性能的评估具有重要的意义。

 

1 试验材料与试验方法

1.1 试验原材料

1.1.1 基质沥青及 SBS 改性剂  

试验用中海油70PEN,基本性能指标 :针入度(25℃)为 71.2(0.1mm);软化点为 48.6℃;延度(15℃)>100cm。试验用 SBS改性剂为4402线型SBS改性剂。SBS改性沥青中的掺量分别为基质沥青质量的4.5%、7.5% 和 9%。制备的SBS改性沥青的代号分别为4.5SBSMA、7.5SBSMA和9SBSMA。制备工艺步骤如下。 

1)70PEN在180℃下加热至流动态,将规定质量的SBS改性剂加入到基质沥青中,以300r/min的速率搅拌30min 使SBS改性剂充分溶胀。 

2)采用高速剪切机,以4000 r/min的剪切速率在180℃下对混合液体进行40min的高速剪切作用。

 3)将混合液体在180℃下搅拌发育30min,搅拌速率为400 r/min,搅拌发育完成后即得到制备好的SBS改性沥青。 

1.1.2  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。石灰岩集料的粒级为0~3mm,玄武岩集料的粒级为5~10 mm 和10~15mm。试验用矿粉为石灰岩矿粉。天然集料和石灰岩矿粉的基本物理性质见表1,级配组成见表2。

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1.2 试验方法 

1.2.1 室内加速老化试验 

根据JTG E20—2011《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(下文简称“规程”),采用沥青薄膜加热试验(TFOT)对70PEN和SBSMA进行短期老化作用;采用压力容器老化试验(PAV)对70PEN 和 SBSMA 进行长期热氧老化作用。此外,采用全气候老化试验箱对70PEN和SBSMA进行长期气候老化试验,模拟光、热、水等复杂环境对沥青的气候老化作用。全气候老化试验的老化条件为:0.89W/m² 的紫外线辐射强度、60℃温度和60%湿度,全气候老化试验时间为6d。 

1.2.2 拉拔试验 

根据 ASSHTO TP—91 规范中试验方法 [1],采用拉拔试验对 70PEN 和 SBSMA 的黏附性能进行研究(见图1)。

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拉拔试验的加载速率为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,同时将沥青在170℃下加热至液态待用。 

2)将液态沥青滴到玄武岩石板上,立即用拔头粘结,挤出多余沥青,保证沥青膜厚度为0.2 mm。 

3)将成型的试件在室温下静置1h至室温,将部分试件在常温下继续静置24h后进行拉拔试验,得到70PEN和SBSMA在干燥条件下的黏附强度 ASdry。同时,将其余部分试件放入60℃水中浸泡24h。再放入恒温恒湿箱(25℃、60% 相对湿度)下静置1h,进行拉拔试验,得到70PEN和SBSMA 在浸水条件下的黏附强度ASwet。 

4)基于拉拔试验,根据式(1),计算70PEN和SBSMA在不同老化条件下的水稳定系数PWS。

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式中:PWS为拉拔试验水稳定系数,% ;ASwet为浸水条件下拉拔强度,MPa;ASdry为干燥条件下拉拔强度,MPa。 

 

1.2.3 表面能试验 

通过测试已知表面能参数液体与待测固体间的接触角,根据表面能试验得到待测固体的表面能参数。本次试验采用接触角法测试70PEN、SBSMA和玄武岩基板的表面能分量。3种测试液体分别选用蒸馏水、甘油和甲酰胺。其对应的表面能参数见表3,测试过程见图2。

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根据表面物理化学,表面能主要由色散分量和极性分量组成,见式(2)。

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固体和液体间的色散力近似于固液表面能色散分量的几何平均。因此,固液界面表面能可按式(3)进行计算。

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Young 方程表明表面能与固液界面接触角间的关系,见式(4)。

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根据式(3)和式(4),得到表面能分量与固液界面接触角的关系,见式(5)。

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式中 :θ 为固液界面接触角,(°)。 

根据测定 3 种已知表面能参数液体(蒸馏水、甘油和甲酰胺)与待测固体间的接触角,可按式(5)计算待测固体表面能极性分量和表面能色散分量。在已知沥青和玄武岩基板表面能分量的基础上,可按式(6)~ 式(8)分别计算沥青-集料界面的黏附功、剥落功和水稳定系数。

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1.2.4 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OGFC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OGFC-13沥青混合料。OGFC-13沥青混合料的沥青分别选用未老化和老化后的 70PEN 和 SBSMA。以 20%目标空隙率确定OGFC-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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1.2.5 冻融劈裂强度试验 

根据“规程”中“T0729—2000”试验方法对OGFC-13沥青混合料在冻融作用下的劈裂强度测试,并计算冻融劈裂强度比 TSR。

 

2 试验结果与讨论

2.1 拉拔试验结果 

 70PEN和SBSMA的黏附强度试验结果见图3。 

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由图3可见,4种沥青的黏附强度由大到小排序为9SBSMA>7.5SBSMA>4.5SBSMA>70PEN。SBS改性剂掺量的增加会提高SBS改性沥青与集料间的黏附性能。当在基质沥青中掺加SBS改性剂后,SBS改性剂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提高。此外,70PEN和SBSMA在干燥条件下的黏附强度普遍大于其在浸水条件下的黏附强度。随着老化作用的进行,70PEN和SBSMA在干燥条件下的黏附强度呈现先增大后减小的变化趋势;70PEN和SBSMA在潮湿条件下的黏附强度呈持续减小的变化趋势。这表明,短期老化作用会略微提高干燥条件下沥青与集料间的黏附性能,而长期老化作用会显著降低沥青与集料间的黏附性能。对比沥青在长期热老化和长期气候老化后的黏附强度,可发现,4种沥青在长期热老化和长期气候老化后的黏附强度差距并不明显,其在长期气候老化后的黏附强度略小于长期热老化后的黏附强度。

 

根据干燥和浸水条件下的黏附强度结果,得到4种沥青在不同老化阶段下的水稳定系数,同时可发现,SBSMA的水稳定系数高于70PEN的水稳定系数,且随着SBS改性剂掺量的增加,SBSMA的水稳定系数进一步增加。这表明,提高SBS改性剂的掺量会相应提高其水稳定性能。此外,随着气候老化,4种沥青的水稳定系数逐渐减小。老化作用会降低70PEN和SBSMA的水稳定性能。对70PEN而言,长期气候老化作用对其水稳定性的影响明显高于长期热老化作用。对于 SBSMA 而言,长期气候老化作用和长期热老化作用对其水稳定性的影响并不明显。

 

2.2 表面能试验结果 

70PEN和SBSMA在不同老化阶段下的表面能参数见表5。根据表5数据,相应绘制不同表面能参数随老化的变化曲线,见图4。

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由图4可见,70PEN和 SBSMA的表面能色散分量明显高于极性分量。随着老化作用,70PEN和SBSMA的表面能逐渐减小,表面能极性分量逐渐增加,说明老化作用会导致70PEN和SBSMA 中呈明显极性的沥青质含量增加,进而增加其表面能极性分量。

 

分析70PEN 和SBSMA的黏附功和剥落功试验结果,SBSMA的黏附功普遍高于70PEN,随着SBS改性剂掺量的增加,SBSMA的黏附功逐渐增大。说明SBS改性剂掺量的增加会提高SBSMA的黏附性能。

 

4种沥青的水稳定系数由大到小排序为9SBSMA>7.5SBSMA >4.5SBSMA >70PEN。这表明SBS改性剂掺量的提高会增加沥青的水稳定性。

 

2.3 冻融劈裂强度试验结果 

4 种不同沥青制备的 OGFC-13 沥青混合料的冻融劈裂强度比(TSR)见图 5。

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由图5可见,由7.5SBSMA、9SBSMA 制备的OGFC-13沥青混合料的冻融劈裂强度比能满足规范的要求(TSR> 80%);而由70PEN 和4.5SBSMA制备的 OGFC-13沥青混合料的冻融劈裂强度比无法满足规范的要求(TSR> 80%)。随着老化作用,由70PEN 和 SBSMA 制备的OGFC-13沥青混合料的冻融劈裂强度比均逐渐减小。长期老化后,由70PEN 制备的OGFC-13沥青混合料的冻融劈裂强度比很小,其水稳定性很差。由 SBSMA 制备的OGFC-13沥青混合料的冻融劈裂强度比仍较高,随着SBS改性剂掺量增加,OGFC-13沥青混合料的冻融劈裂强度比逐渐增大。这同样说明SBS改性剂的掺加可提高SBS改性沥青和OGFC-13沥青混合料的水稳定性。

 

2.4 SBS 改性沥青及多孔沥青混合料工程应用 

为验证不同掺量 SBSMA 的多孔混合料老化后的水稳定性,铺设1条长度0.4km 的多孔沥青混合料试验路段。每0.1km 为1个试验路段。多孔沥青混合料试验路段方案如下:第一试验段(0~0.1km)采用 70PEN,第二试验段(0.1~0.2km)采用4.5SBSMA,第三试验段(0.2~0.3km) 采用7.5SBSMA,第四试验段(0.3~0.4km)采用9SBSMA。试验路通车1a后,对该试验路段进行检测,检测结果见表6。

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由表6可见,经过1a的环境老化作用和车辆荷载作用,基质沥青路段车辙深度为7.2mm,SBSMA 路段均无车辙。SBSMA 表现出良好的工程性能。对不同路段混合料进行钻芯取样、进行冻融劈裂强度测试,PEN 路段在老化后的水稳定性不足,SBSMA 路段在老化后仍具有较好水稳定性。

 

3 结语 

1)70PEN 和SBSMA在干燥条件下的黏附强度高于浸水条件下的黏附强度。随着SBS改性剂掺量的增加,SBSMA的黏附强度逐渐增加。老化作用会降低70PEN 和 SBSMA 的黏附性能。对于SBSMA,长期气候老化和热老化的影响不明显;而对于70PEN,长期气候老化的影响显著。 

2)70PEN 和 SBSMA 的表面能色散分量明显高于极性分量。随着老化作用的进行,70PEN 和SBSMA 的表面能减小,而表面能极性分量增加。此外,70PEN 和 SBSMA 的水稳定系数随着老化的作用而减小,表明老化作用会对沥青水稳定性产生不利影响。 

3)当采用 70PEN 作为沥青胶结料时,OGFC-13混合料的水稳定性很差;当采用 4.5 SBSMA 沥青胶结料时,OGFC-13 混合料水稳定性较好。老化作用会降低OGFC-13混合料的水稳定性,且长期气候老化对其水稳定性影响高于长期热老化。 

4)实际工程路段表明,SBSMA 多孔混合料路段具有较好的工程性能和水稳定性,而基质沥青路段的工程性能较差、水稳定性不足。


标签:综合论文技术中心沥青混凝土
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