沥青路面灌缝密封胶材料的组成与技术性能

吴建锋

(甘肃省天水公路局，甘肃 天水 741000)

0 引 言

针对沥青路面裂缝问题，目前国内外通常采用路面开槽再用密封胶封闭路面裂缝的方法，防止水分渗入路面结构内部，从而达到减缓路面病害出现、延长路面使用寿命的效果[1-4]。在国外，Yetkin Yildirimm等[5]对2种不同裂缝修补材料的修补效果进行了长期的跟踪观测，其胶结料分别为橡胶改性沥青和乳化沥青，调查结果表明：几种乳化沥青冷补材料3年后的平均失效率为99.5%，而热补材料失效率为57.1%，表明热补材料性能远远优于冷补材料。近年来，尽管国内密封胶来源广泛，但使用效果不尽理想，高温下易流淌，特别是低温性能普遍较差，一到冬季即与裂缝界面撕裂，失去了防水的效果[6-9]。可见，密封胶的低温性能已经成为制约沥青路面灌缝养护技术发展的一个关键因素；因此，研制高低温性能优异的密封胶，对于沥青路面养护及使用性能的提升具有重要意义。

本文采用90#基质沥青，并以星型SBS、60目橡胶粉、增塑剂、矿粉等作为改性剂，进行正交试验设计，分析密封胶各组分掺量对其性能的影响，通过三大指标测试初步得出密封胶组分掺量较优的3组，制备3种高性能灌缝密封胶，采用基本性能试验、拉伸试验和低温弯曲流变试验对灌缝密封胶路用性能进行评价。鉴于美国CRAFCO密封胶良好的使用性能，本文将自主研制的密封胶与其进行比较，进而推荐性能优异的自制沥青路面灌缝密封胶材料组成。

1 沥青路面灌缝密封胶的组成设计

1.1 原材料

原材料包括：90#基质沥青、星型SBS、60目橡胶粉、增塑剂、矿粉、美国CRAFCO密封胶。

1.2 密封胶制备方法

首先将基质沥青加热，于150 ℃～160 ℃时向其中加入SBS，溶胀20～30 min；再将上述沥青加热，温度保持在170 ℃～180 ℃，高速剪切30～40 min，之后自然冷却到150 ℃；加入稳定剂硫磺再剪切10 min之后保持恒温，待其反应30 min；边搅拌边加入橡胶粉，高速剪切反应1 h；最后在低速搅拌下分别加入增塑剂、矿粉，搅拌至均匀无块状、无絮凝成团物，即可制得沥青路面用灌缝密封胶。

1.3 正交试验设计

为了确定改性剂的最佳配比，首先确定各改性剂掺量的波动范围：SBS为3%～6%，橡胶粉为10%～25%，增塑剂为1%～2.5%，矿粉为1%～9%。之后选择SBS掺量、橡胶粉掺量、增塑剂掺量、矿粉掺量4个因素，每种因素进行4个水平设计，选用L16(44)正交试验表，如表1所示。

表1中16种密封胶材料的制备严格按照上文确定的密封胶制备工艺进行，其改性时间与工艺均相同。制备完成后测试其软化点、5 ℃延度、25 ℃针入度等常规指标，初步验证得出较优的3组密封胶材料组成，并分别编号为A、B、C。

(1)16号密封胶(编号为A)：SBS掺量为6%，胶粉掺量为25%，增塑剂掺量为1%，矿粉掺量为6%。其软化点最佳。

(2)11号密封胶(编号为B)：SBS掺量为5%，橡胶粉掺量为20%，增塑剂掺量为1%，矿粉掺量为3%。其5 ℃延度最佳。

(3)9号密封胶(编号为C)：SBS掺量为5%，橡胶粉掺量为10%，增塑剂掺量为2%，矿粉掺量为9%。其25 ℃针入度最小，稠度最大。

表1 正交试验设计表

随后将3组自制密封胶与沥青路面修补材料CRAFCO密封胶进行比较，分别从高低温性能及力学性能方面对灌缝密封胶路用性能进行评价，进而推荐综合性能优异的密封胶最佳材料组成。

2 密封胶技术性能

2.1 高温性能

2.1.1 软化点

采用环球法测试其软化点，通常软化点越高，密封胶的高温抗软化性能越好。分别对4种密封胶材料的原样和老化试样进行测试。试验结果如表2所示。

表2 软化点试验结果

老化后，密封胶的软化点均升高，但自主研制的密封胶软化点增幅略低于国外CRAFCO密封胶。

2.1.2 流动度

流动度的大小在一定程度上可以反映修补材料在高温情况下的工作状态，流动度越小则耐高温性能越好。试验结果如表3所示。

表3 流动度试验结果

4种密封胶的高温软化点和高温流动度均满足相关规范中的技术要求[10]。

2.2 拉伸力学性能

国际上通常以ASTM密封胶系列标准的黏结试验评价沥青路面密封胶的低温性能。中国交通行业标准《路面加热型密封胶》(JT/T 740—2015)中的低温拉伸试验也引自该试验。

为了模拟路面裂缝在车辆荷载下的受力情况，本研究采用自制裂缝宽度为12 mm的拉伸小梁，利用万能拉伸试验机对4种裂缝修补材料进行拉伸测试。试验温度选取0 ℃、20 ℃、50 ℃，综合考虑浸水及老化条件，分别模拟低温、室温和高温条件下裂缝修补材料的抗拉伸能力。试验结果如表4、5所示。

表4 4种灌缝密封胶未老化的拉拔试验结果

从表1、2中的数据可看出，随着温度的升高，4种灌缝密封胶拉伸强度均逐渐降低，由于高温导致灌缝密封胶材料逐渐变软，沥青材料内部结构更易滑动、易拉伸，进而导致拉拔强度随温度的升高逐渐降低。对比4种灌缝密封胶材料发现，密封胶A在3个温度下的拉拔强度都很低，因此不宜作为路面修补材料使用，在接下来的BBR试验中也不再考虑密封胶A。

表5 4种灌缝密封胶老化后的拉拔试验结果

表4中其余3种密封胶的拉拔强度都较高，相差不大，说明其拉伸性能基本相同。进一步观察浸水、老化后的拉拔强度，发现其抗拉强度与原样相比都有大幅度的下降，表明水损害、老化对裂缝修补材料的黏结性具有一定影响。由于灌缝密封胶材料在长期使用过程中难免会老化，因此需做好路面排水工作，防止水损害造成密封胶失效。

2.3 低温抗裂性能

低温抗裂性能对填缝料在寒冷环境中是否能保持对裂缝的填封作用有至关重要的影响[11]。美国SHRP计划为评价沥青结合料低温下抗裂性能，开发出低温弯曲流变设备(BBR)，采用低温弯曲蠕变劲度模量s和蠕变速率m评价沥青结合料的低温抗裂性。

为了更深入地研究密封胶老化过程中低温抗裂性能的劣变趋势，对密封胶原样以及薄膜烘箱老化、压力老化残留物进行BBR试验，选择-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃四个温度，试验结果如表6、7所示。

由3种灌缝密封胶材料BBR试验结果可知，温度在-6 ℃时，所有灌缝密封胶试件均无数据，这是因为BBR设备检测到试件超过变形的上限(5 mm)，默认灌缝密封胶试件已发生破坏而终止试验。因此，在数据分析中选取-12 ℃、-18 ℃和-24 ℃三个温度下的BBR试验数据进行对比分析。

(1)未老化情况。在-24 ℃温度下，美国CRAF-CO密封胶(D)的蠕变劲度模量s值和蠕变速率m值分别是210.3和0.392，灌缝密封胶B的蠕变劲度模量s值和蠕变速率m值分别是208.4和0.343，灌缝密封胶C的蠕变劲度模量s值和蠕变速率m值分别是190.7和0.326，表明3种灌缝密封胶未老化时均具有良好的低温抗裂性能。

表6 3种灌缝密封胶BBR试验低温弯曲蠕变劲度模量 MPa

表7 3种灌缝密封胶BBR试验蠕变速率

(2)短期老化。与未老化情况相比，短期老化后3种灌缝密封胶的蠕变劲度模量s值和蠕变速率m值均有变化。因为短期老化过程中沥青中的部分轻质组分发生氧化，变为胶质、沥青质或挥发损失，造成重组分含量增加，使得沥青的柔韧性及抵抗永久变形能力降低。

(3)长期老化。经过长期老化后，3种灌缝密封胶材料的低温抗裂性能均有大幅度下降，美国CRAFCO密封胶(D)和密封胶B在-24 ℃下的蠕变劲度模量(s)和蠕变速率值(m)均满足s≤300 MPa和m≥0.3的技术要求。而密封胶C在-24 ℃下的蠕变速率值没有达到规范要求。究其缘由，一方面，密封胶C中胶粉含量偏低，吸附轻组分有限，导致沥青中轻组分挥发及轻组分向重组分转移，沥青稠度增大；另一方面，密封胶C中矿粉含量较高，也导致密封胶稠度增大，使其低温抗裂性能下降。与密封胶C相比，密封胶B与美国CRAFCO密封胶(D)的低温性能更加优异。

2.4 沥青路面灌缝密封胶材料组成推荐

通过对密封胶的高温性能、拉伸性能及低温抗裂性能进行测试分析发现，自主研制的密封胶B与美国CRAFCO密封胶(D)的各项指标最为接近，因此推荐密封胶材料组成如下：SBS掺量为 5%，橡胶粉掺量为20%，增塑剂掺量为1%，矿粉掺量为3%。

3 结 语

(1)通过正交试验设计，优化出3种密封胶材料配比，其高温软化点、流动度与美国CRAFCO密封胶较为接近。

(2)不同温度下的浸水试验表明，浸水后密封胶的拉伸强度均所有下降，尤其是经过短期老化，浸水后的拉伸强度与原样相比呈大幅降低趋势，因此建议使用过程中尽量避免由水损害造成的裂缝修补材料失效。

(3)相同温度下，密封胶在老化过程中，蠕变劲度模量逐渐增大，蠕变速率随之减小，自主研制的密封胶B与美国CRAFCO密封胶的低温性能表现均较为优异，结合常规指标测试、拉伸试验，推荐自主研制的密封胶配比为：SBS掺量为5%，橡胶粉掺量为20%，增塑剂掺量为1%，矿粉掺量为3%。