袁 媛, 李东浩
(郑州铁路职业技术学院 建筑工程系, 河南 郑州 450052)
RET与SBS复合改性沥青性能及改性机理
袁媛, 李东浩
(郑州铁路职业技术学院 建筑工程系, 河南 郑州450052)
RET沥青化学改性剂在我国的工程实践中使用较少,基于室内实验和试验路铺筑,通过对RET与SBS复合改性沥青针入度指标性能和PG分级系统研究,确定了RET与SBS适宜的掺配比例,系统评价了不同RET和SBS掺量复合改性沥青混合料的路用性能,进而定性揭示了RET对低剂量SBS改性沥青混合料的改性机理。试验结果表明,RET与SBS复合改性沥青混合料具有优良的路用性能,RET与SBS复合可以充分发挥SBS与RET各自对沥青的改性作用,提高沥青混合料的综合路用性能。RET与SBS复合改性沥青中,RET的推荐掺量为1.0%~1.5%,SBS添加量为2.0%~3.0%;RET与SBS复合改性沥青可大幅改善SMA以及AC沥青混合料的综合路用性能,其高温稳定性和抗疲劳耐久性优于SBS改性沥青混合料。实体工程和试验段检测结果表明,RET与SBS复合改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命,经济、社会效益显著。
道路工程; RET与SBS复合改性沥青; RET与SBS复合改性沥青混合料; 改性机理; 路用性能
近年来,国外对沥青化学改性剂进行大量研究并取得了一些成果,研究表明,RET(Reactive Elastomeric Terpolymer,反应性弹性三元共聚物,以下简称RET)是一种优良的改性剂,属于化学改性剂范畴,已经在澳大利亚国省干线公路、美国俄勒冈州的97号和日本等国的高速公路得到了广泛应用,国外多年的实践经验表明[1-9],RET改性沥青可改善沥青混合料的高温性能,提高集料与沥青的粘附性,改善沥青混合料的水稳定性、抗疲劳性能和抗老化性能,但RET低温延展性和柔性较差,掺加RET后沥青混合料低温性能改善效果不明显甚至低温性能下降,这成为其规模化生产的技术瓶颈,从而导致RET改性沥青混合料没有大规模应用。SBS作为一种优良的沥青改性剂,其技术性能稳定,可显著改善沥青混合料的高低温性能、水稳定性和抗疲劳性能,但其存在储存稳定性差,易老化分解和生产加工成本高等问题,此外,工程实践表明[7-11],为满足我国冬严寒、夏炎热特殊气候和重载交通、超载的特殊要求,需要将SBS改性剂掺量增大至4.5%以上,这无疑增大了工程成本。目前鲜见对针对RET低温性能不足这一缺陷提出改善措施,尤其是RET与SBS复合改性沥青及其混合料性能的研究及其适用性还未曾涉及。本文研究了RET与SBS复合改性沥青及混合料性能路用性能,经实体工程验证及长期的路用性能跟踪监测,可以为该项技术在全国的规模化推广应用应用提供技术支撑。
1.1原材料及复合改性沥青制备
试验选用实体工程中采用的SK70号A级重交通道路石油沥青,SBS选用岳阳石化4303星形SBS改性剂,经检测沥青和SBS改性剂技术参数均满足《公路沥青路面施工技术规范》(F40 — 2004)要求。选用美国某沥青公司生产的RET改性剂,RET外观为白色透明的粘稠液体,表观密度为0.96 g/cm3,凝固点为-90 ℃,溶指为8.7 g/10*min。国外大量研究和工程实践表明,经RET改性后沥青的布式粘度增加,软化点升高,集料表面沥青膜厚增大,耐久性和高温稳定性提高同时温度敏感性降低,但RET对沥青混合料的低温抗裂性能改善效果不佳甚至有负面影响。根据生产厂家推荐的RET改性剂最佳掺量为0.8%~1.8%初拟RET掺量为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%。考虑到成本和SBS改性沥青储存稳定性,试验采用低剂量的SBS,SBS掺量为2%、2.5%、3%。制备复合改性沥青时先制备SBS改性沥青,再将RET改性剂加入SBS改性沥青中制备复合改性沥青。具体操作时: ①将基质沥青加热至175~180 ℃; ②加入预定质量的SBS改性剂溶胀30 min; ③保持175~180 ℃试验温度,加入RET改性剂,以4500 r/min剪切15 min; ④1500 r/min均匀搅拌45~60 min使SBS改性沥青和RET混合均匀并充分反应; ⑤待RET全部溶解后,将复合改性沥青保温至170~175 ℃,加入催化剂完成RET与SBS复合改性沥青制备。
1.2RET与SBS复合改性沥青性能
目前改性沥青的评价指标体系有3种: ①针入度评价指标体系(针入度、软化点、延度、黏度等),我国现行《沥青路面施工技术规范》采用针入度评价指标体系; ②基于路用性能的PG分级,采用DSR和BBR试验6 ℃一个分级,考虑沥青的高温性能和低温性能。 ③评价改性沥青的专用技术指标,如测力延度、黏韧性、弹性恢复率等。本研究按照现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40 — 2004)聚合物改性沥青评价标准,对不同复配方案改性沥青进行黏度、针入度、软化点、弹性恢复率试验,并结合DSR和BBR试验结果对不同复配方案的改性沥青PG分级进行了研究,试验方法严格按照JTG E20-2011和ASTM相关标准执行,试验结果如图1、表1所示。
图1和表1试验结果表明: ①从反映沥青高温指标旋转粘度、软化点、针入度来看,相同SBS掺量情况下,随着RET掺量增大,复合改性沥青旋转黏度增大,针入度减小,软化点升高,尤其RET掺量达到18%后黏度增加幅度较大。黏度越大混合料施工难度越大,以应力吸收层改性沥青黏度不大于3.0 Pa*s作为评判标准,复合改性沥青方案中RET掺量不宜超过3.0%,RET掺量越大,复合改性沥青针入度越小,软化点越高,可见增大RET掺量可显著提高复合改性沥青的高温稳定性,这与已有研究成果相吻合;相同RET掺量条件下,随着SBS掺量增大,复合改性沥青针入度减小,粘度增大,软化点升高,可见SBS掺量对复合改性沥青高温性能有显著的影响。②从反映沥青低温指标延度、弹性恢复率、BBR蠕变速率和劲度模量来看,相同SBS掺量情况下,随着RET掺量增大,延度和弹性恢复率均减小,RET掺量超过1.0%后延度和弹性恢复率降低均较为明显,据此推断增大RET掺量会降低复合改性沥青的低温延展性和抵抗疲劳破坏后的自愈合性能;相同RET掺量情况下,增大SBS掺量复合改性沥青延度和弹性恢复率均增大,SBS掺量由0%增加到3%时弹性软化点和弹性恢复率增大较为明显,从低温性能和工程经济性考虑,SBS掺量不宜超过3%。③从反映沥青储存稳定性指标48 h软化点差来看,相同SBS掺量下,随着RET掺量增大,复合改性沥青软化点差减小,此外增大SBS掺量复合改性沥青软化点差增大,可见增大SBS可降低复合改性沥青的均匀性,而增大RET可改善复合改性沥青的储存稳定性,RET与SBS复合改性沥青体系热稳定性较SBS改性沥青好,这与其各成分间表面张力降低有关。④SBS掺量决定了复合改性沥青的低温PG分级,而RET掺量决定了复合改性沥青的高温PG分级,相比基质沥青,RET掺量超过1%后改性沥青的高温等级可达到88 ℃,提高了3个等级,SBS掺量为3.0%时复合改性沥青的低温PG分级可达到-34 ℃,为确保复合改性沥青有较好的路用性能,必须有适宜的RET和SBS掺量。此外,相比4.5%SBS改性沥青的PG82-34,3.0%SBS+2.5%RET、3.0%SBS+3.0%RET、3.0%SBS+3.5%RET共3种复配方案下,采用SBS与RET复配后复合改性沥青的高低温性能均优于SBS改性沥青。⑤参考《公路沥青路面施工技术规范》(F40-2004),以SBS改性沥青I-C技术指标要求: 25 ℃针入度<80(0.1 mm),软化点≥55 ℃,5 ℃延度≥55,25 ℃弹性恢复率≥65%,135 ℃≤3 Pa·s,储存稳定性离析48 h软化点差≤2.5℃。将图1试验结果与SBS改性沥青I-C技术指标要求对比,可优选出3种不同复配方案: 复配方案Ⅰ(1.0%RET+3.0%SBS、复配方案Ⅱ(1.5%RET+2.5%SBS)、复配方案Ⅲ(2.0%RET+2.0%SBS),3种复合改性方案沥青指标试验结果见表2,由表2可知: 采用RET与SBS复合改性方案,可达到4.5%SBS改性沥青的技术指标,可见将RET与低剂量SBS复配是可行的。
表1 RET与SBS复合改性沥青PG分级结果Table1 RETandSBSmodifiedasphaltPGresultsSBS掺量/%RET掺量/%00.50PG58-22PG82-221.5PG58-22PG70-222.0PG64-28PG70-282.5PG70-28PG76-283.0PG76-34PG76-344.5%SBS改性沥青PG82-34RET掺量/%1.01.52.0PG88-16PG88-16PG88-16PG88-22PG88-22PG88-22PG88-28PG88-28PG88-28PG88-28PG88-28PG88-34PG88-34PG88-34PG88-34
表2 不同RET与SBS复合改性方案沥青指标试验结果Table2 RETandSBScompoundmodifiedasphaltindextestresults沥青结合料测试指标135℃黏度/(Pa*s)25℃针入度/(0.1mm)1.0%RET+3.0%SBS2.3965.11.5%RET+2.5%SBS2.4664.52%RET+2.0%SBS2.3763.7技术要求≤3<80
续表2测试指标软化点/℃25℃弹性恢复率/%5℃延度/cm48h软化点差/℃67.887.8610.6671.490.8650.4566.679.5560.65≥55≥65≥50≤2.5
沥青性能指标满足要求并不能确保混合料性能一定最佳,复合改性沥青的性能最终要以改性沥青混合料的路用性能来体现,本文选用我国高速公路常用的AC-13C和SMA-13共2种试验级配研究RET与SBS改性剂掺量对复合对沥青混合料路用性能的改善效果。混合料试验时粗集料选用玄武岩,细集料采用石灰岩机制砂,矿粉由石灰岩磨制而成,采用木质素纤维,混合料试验级配见表3。按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)马歇尔法试验流程确定复合改性沥青混合料的最佳油石比,马歇尔试验结果见表4。
室内马歇尔试验结果表明,RET与SBS复合改性沥青混合料生产工艺与SBS改性沥青混合料相同,不需要特殊的拌合工艺。马歇尔试验结果与SBS改性沥青混合料差别不大。
表3 AC—13和SMA—13混合料试验级配组成Table3 AC—13andSMA—13asphaltmixturesynthesisgradation级配类型不同筛孔(mm)通过百分率/%1613.29.54.752.36SMA—1310096.368.838.623.4AC—1310095.571.454.335.7不同筛孔(mm)通过百分率/%1.180.60.30.150.07518.917.312.411.79.926.819.314.510.25.3
表4 不同改性剂掺量AC—13和SMA—13沥青混合料马歇尔试验结果Table4 AC—13andSMA—13differentmodifiedasphaltmarshalltestresults混合料类型沥青复配方案OAC/%VV/%VMA/%VFA/%MS/kNFL/mm1.5%RET4.454.0014.5466.7410.342.651.0%RET+3.0%SBS4.764.0214.7167.3011.252.26AC—131.5%RET+2.5%SBS4.734.0014.5967.2611.952.352%RET+2.0%SBS4.714.0014.6767.9812.652.544.5%SBS4.754.0014.8768.1211.292.641.5%RET5.624.0317.3576.778.172.701.0%RET+3.0%SBS5.834.0217.4176.919.492.84SMA—131.5%RET+2.5%SBS5.914.0817.7376.999.832.822%RET+2.0%SBS5.894.0017.6677.359.192.764.5%SBS5.934.0317.6877.218.942.72
按照现行施工规范要求采用车辙试验评价沥青混合料的高温稳定性,采用-10 ℃小梁弯曲试验评价沥青混合料的低温抗裂性,采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验评价复合改性沥青混合料的水稳定性。车辙试验参数为:试验温度60 ℃,试验轮行走速率(42±1)次/min,试件尺寸为300 mm(长)×300 mm(宽)×100 mm(高);低温弯曲试验参数为:试验温度为-10 ℃,加载速率为50 mm/min,试验时采用单点加载方式,支点间距200 mm;浸水马歇尔和冻融劈裂试验试件制备和试验方法严格按照《公路沥青路面施工规范》(JTG F40—2004)和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20 — 2011)执行,RET与SBS复合改性沥青混合料路用性能试验结果见表5~表7。
车辙试验结果表明,随着RET和SBS掺量增大,复合改性沥青混合料车辙试验动稳定度增大,60 min车辙变形量减小,对于AC — 13和SMA — 13两种改性沥青混合料,SMA车辙试验动稳定度远大于AC,不同改性沥青车辙试验结果相类似,以AC — 13为例,比较相同不同复配方案车辙试验动稳定度大小: 方案Ⅱ>方案Ⅲ>方案Ⅰ>SBS>1.5%RET改性沥青混合料>3000次/mm,3种复配方案下的改性沥青混合料车辙试验动稳定度均大于SBS改性沥青,可见RET以及RET与SBS复合改性沥青混合料具有优良的高温稳定性,且RET对沥青混合料高温性能的改善效果优于SBS改性沥青。分析其原因,RET化学改性剂能够与SBS改性沥青发生交联反应,使沥青的化学组成和化学结构从根本上发生改变,也是沥青自身性质的一个完善,在RET的作用下,烷基化苯酚发生了脱烷基反应,生成了分子量较低的物质,与之对应的是酮类物质发生了缩聚合反应[7],生成了分子量较高的新产物沥青变硬,改变了SBS改性沥青的组成结构,使得沥青中的重组分含量增加,沥青的胶体结构由原来的溶胶型转化为溶胶-凝胶型,沥青中的胶团量增加[9],此外,RET与沥青中轻质组分发生反应后可以吸附更多的胶质和分散相,使得胶团之间的作用力增强,沥青黏度增加,沥青混合料抵抗剪切变形的能力提高。
表5 不同RET和SBS复配方案车辙试验结果Table5 RuttingtestresultswithdifferentRETandSBScompoundmodifiedasphalt沥青结合料AC—13CSMA—13动稳定度DS/(次·mm-1)60min车辙变形量/mm动稳定度DS/(次·mm-1)60min车辙变形量/mm1.5%RET36851.91250161.8411.0%RET+3.0%SBS56291.74369411.7091.5%RET+2.5%SBS59421.75775031.6212%RET+2.0%SBS58851.76673311.5324.5%SBS54781.77671121.642
表6 不同RET和SBS复配方案改性沥青混合料低温弯曲试验结果Table6 LowtemperaturebendingtestresultswithdifferentRETandSBScontent沥青结合料AC—13改性沥青混合料SMA—13改性沥青混合料抗弯拉强度/MPa弯拉应变/με抗弯拉强度/MPa弯拉应变/με1.5%RET12.742725.7812.952954.301.0%RET+3.0%SBS12.813467.6613.073828.671.5%RET+2.5%SBS12.983737.0413.173751.392%RET+2.0%SBS13.383969.9813.664103.574.5%SBS13.593724.9014.084028.50
表7 不同RET和SBS复配方案改性沥青混合料水稳定性试验结果Table7 WaterstabilitytestresultswithdifferentRETandSBScompoundmodifiedasphaltAC—13改性沥青混合料沥青结合料浸水马歇尔试验冻融劈裂试验MS/kNMS1/kNMSo/%RT1/MPaRT2/MPaTSR/%1.5%RET10.3410.9896.61.2491.14094.01.0%RET+3.0%SBS11.2510.8196.91.3171.20794.31.5%RET+2.5%SBS11.9511.5296.41.2831.20496.62%RET+2.0%SBS12.6511.8397.51.3021.20094.94.5%SBS11.2912.4598.41.3201.22695.5SMA—13改性沥青混合料沥青结合料浸水马歇尔试验冻融劈裂试验MS/kNMS1/kNMSo/%RT1/MPaRT2/MPaTSR/%1.5%RET8.177.8996.61.1451.04493.91.0%RET+3.0%SBS9.499.2497.41.1601.05994.01.5%RET+2.5%SBS9.839.6598.21.1981.13297.32%RET+2.0%SBS9.198.9096.81.2391.18698.54.5%SBS8.948.4294.21.2231.13996.0
低温弯曲试验结果表明,相同SBS掺量,随着RET掺量的增大,复合改性沥青混合料抗弯拉强度增大,但弯曲应变减小,可见增大RET掺量导致复合改性沥青混合料的柔性变差,释放应力的能力减弱,以抗弯拉强度和释放荷载的能力考虑,RET对沥青混合料低温性能改善效果不明显或有不利影响,这与已有研究成果相吻合。相同RET掺量,随着SBS改性剂掺量增大,复合改性沥青混合料抗弯拉强度和弯曲应变均增大,相比4.5%SBS改性沥青混合料,1.5%RET+2.5%SBS粉和1.0%RET+3.0%SBS复合改性方案下沥青混合料的弯拉应变可达到甚至超过4.5%SBS改性沥青,复合改性方案显著降低了沥青混合料的劲度模量,提高了混合料的低温抗裂性,这主要与RET增强了沥青混合料的抗破坏强度,而SBS改性剂增强了沥青混合料的释放荷载的能力有关。
浸水马歇尔、冻融劈裂试验结果表明: 1.5%RET改性沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比均可达到90%以上,可见RET改性剂具有优良的水稳定性,可做为沥青混合料水稳定性的改性剂。在1.0%~2.0%RET和2%~3%SBS掺量范围内,随着RET和SBS掺量增大冻融劈裂强度比(TSR)和马歇尔残留稳定度(MS0)均呈增大趋势,4种复配方案改性沥青混合料的浸水马歇尔残留强度比和冻融劈裂强度均可达到90%以上。采用RET与SBS复配方案可改善沥青混合料的水稳定性。
通常采用梁式试件评价沥青混合料的抗疲劳耐久性,加载方式采用控制应力,这种疲劳试验很难模拟实际车辆荷载对路面的破坏作用,且试验数据离散性大。研究表明,四点弯曲控制应变疲劳试验方法过程中沥青混合料的受力状态更接近沥青路面的实际情况,试验方法可操作性强,对沥青结合料敏感性强。本部分疲劳试验采用中四分点加载弯曲试验法,加载模式为应变控制方式,按照现行沥青及沥青混合料试验规程JTG E20 — 2011中的要求成型大车辙板试件,室温放置48 h后切割尺寸为400 mm×300 mm×81 mm小梁试件,在美国进口的MTS疲劳试验机上采用三点加载方式,试验选用200、300、400、500 με,4个应变水平,试验温度为15 ℃,疲劳试验数据(仅列举疲劳试验数据)及拟合结果见表8所示。
由表8试验结果可知: 对于不同复配方案混合料试件,相同应变水平疲劳寿命由大到小依次是:1.5%RET+2.5%SBS>2%RET+2%SBS>1%RET+3%SBS>4.5%SBS>1.5%RET改性沥青混合料,可见1.5%RET+2.5%SBS复配方案下混合料的抗疲劳性能最好,RET改性沥青混合料的抗疲劳性能优于SBS改性沥青混合料。比较疲劳试验拟合参数可以发现,采用RET与SBS复配方案所生产的改性沥青混合料不仅疲劳寿命较高,且疲劳寿命对应变变化水平的敏感性较低,可见本文提出的RET和SBS复配方案可改善沥青混合料的抗疲劳耐久性。
表8 不同RET和SBS复合改性沥青混合料疲劳试验结果Table8 AsphaltmixturefatiguetestresultswithdifferentRETandSBScontent沥青结合料应变水平/με200300400500拟合方程1.5%RET76078061257948365007139794y=5.686×1016(1/x)4.288(R2=0.986)1.0%RET+3.0%SBS89146621620346428590182530y=5.743×1016(1/x)4.2679(R2=0.979)1.5%RET+2.5%SBS109845301954975547975214287y=5.856×1016(1/x)4.221(R2=0.995)2%RET+2.0%SBS105764431857411540655207575y=5.901×1016(1/x)4.231(R2=0.966)4.5%SBS改性沥青91173451588236459651175689y=5.599×1016(1/x)4.308(R2=0.986)
本课题结合2010年9月在宝延高速公路六合至上山段修筑了RET与SBS复合改性沥青混合料试验段,检测进行了4 cm 1.5% RET+2.5%SBS密级配AC — 13C和SMA — 13改性沥青混合料上面层铺设,试验段总长度为5.7 km,铺设地点为季节性冰冻区,2014年试验路气候条件,极端最低气温31.4 ℃,极端最高气温38.7 ℃。施工完成后检测压实度、平整度、渗水系数等指标均满足规范要求,施工阶段路用性能检测结果与实验室差别不大。近6 a的试验路检测结果表明,1.5%RET+2.5%SBS复合改性沥青混合料有效地减少了沥青路面的早期破坏,目前没有明显的车辙和开裂病害,路面使用状况良好,可见采用RET与SBS复合改性沥青混凝土延长了道路的使用寿命,经济、社会效益显著。
① 根据RET与SBS复合改性沥青的针入度指标和PG分级试验结果,考虑工程的经济性推荐RET 与SBS复合改性沥青中,RET合理掺量为1.0%~1.5%,SBS添加量为2.0%~3.0%。
② RET改性剂改善了SBS改性沥青的高温性能和热稳定性,掺加SBS后提高了RET改性沥青的低温性能,RET与SBS复合改性沥青的高低温性能要优于SBS和RET单一改性沥青。结合针入度体系和PG分级试验结果,同时考虑到不同RET和SBS掺量复合改性沥青混合料的综合路用性能,可优选出3种不同复配方案:复配方案Ⅰ(1%RET+3.0%SBS)、复配方案Ⅱ(1.5%RET+2.5%SBS)、复配方案Ⅲ(2.0%RET+2.0%SBS),这3种复配方案下改性沥青混合料可与SBS改性沥青相媲美,工程实践中可根据道路所在的气候分区和工程的经济性综合考虑各复配方案的适用性。
③ 现场实测及试验段检测数据表明,RET与SBS复合改性沥青混合料具有优良的路用性能。将RET与SBS复配后可降低SBS掺量,复合改性沥青混合料路用性能可达到甚至超过4.5%改性沥青混合料。将RET与SBS复配有助于提高沥青混合料综合路用性能和长期使用性能,具有较好的应用前景。
④ RET对SBS改性沥青的改性机理在于其能够与SBS改性沥青发生交联反应,使沥青的化学组成和化学结构从根本上发生改变。
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Study on Pavement Performance and Modified Mechanism of RET and SBS Compound Modified Asphalt Mixture
YUAN Yuan, LI Donghao
(Department of Architecture Engineering, Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou, Henan 450052, China)
RET asphalt chemical modifier used in the engineering practice in our country is less, this article is based on indoor experiments and test road paving, through to the RET and SBS composite modified asphalt penetration index research performance and PG rating system, determine the RET and SBS appropriate blending ratio,this article did systematic study on penetration index performance and PG grade ,and determine the RET and SBS appropriate blending ratio, at the same time studied the road performance of RET and SBS compound modified asphalt and its mixture with different dosage of RET and SBS.The test results show that , RET and SBS composite modified asphalt mixture has good road performance, RET and SBS composite can give full play to the SBS and RET respectively for asphalt modification effect, improve the comprehensive road performance of asphalt mixture. RET and SBS composite modified asphalt, the RET of the recommended dosage is 1%~1.5%, the SBS content is 2.0%~3.0%; RET and SBS composite modified asphalt can greatly improve the SMA and AC road performance of asphalt mixture and its fatigue durability and is better than that of SBS modified asphalt mixture; Entity engineering and test section test results show that the RET and SBS composite modified asphalt concrete to prolong the life of the road, economic and social benefit is remarkable.
road engineering; RET and SBS composite modified asphalt; RET and SBS composite modified asphalt mixture; modified mechanism; road performance
2016 — 03 — 14
袁媛(1980 — ),女,河南周口人,硕士研究生,讲师,研究方向:建筑工程。
U 414.1
A
1674 — 0610(2016)04 — 0290 — 07