TB胶粉复合SBS改性沥青及混合料的低温性能

2021-03-11 07:03张家伟黄卫东关维阳
建筑材料学报 2021年1期
关键词:胶粉低温试件

张家伟,黄卫东,吕 泉,关维阳

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室,上海 201804; 2.中国建筑第八工程局有限公司,上海 200135)

低温开裂是沥青路面的主要病害之一,在中国北方地区,冬季气温通常在0℃以下,随着温度的下降,沥青路面内部的低温应力迅速累加直至超过混合料的强度从而发生开裂.在沥青混合料中,集料的温缩系数远远小于沥青,故普遍认为沥青混合料低温性能的80%由沥青的低温性能决定[1].因此,在实际工程应用中,一般通过改善沥青的低温性能来提高混合料的低温抗裂性.

TB胶粉改性沥青(MA-TB)是特殊的橡胶粉改性沥青[2],TB胶粉在高温条件下发生脱硫反应,快速分解并与沥青融合,形成的改性沥青外观与普通改性沥青无异,可以均匀存储和工厂化生产.研究表明[3-5],TB胶粉改性沥青具有良好的低温性能和耐疲劳特性,但高温性能较差,因此通常与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)进行复合改性来提升沥青混合料的路用性能.TB胶粉复合SBS改性沥青混合料的疲劳性能要优于SBS改性沥青以及橡胶沥青混合料[6],TB胶粉复合SBS改性沥青的低温PG分级温度也显著低于其他种类的改性沥青[7].魏相荣[8]研究发现TB胶粉和SBS复合改性沥青后,其混合料的高温稳定性、低温抗裂性以及疲劳性能均优于TB胶粉改性沥青和SBS改性沥青混合料.董瑞琨等[9]的研究结果也显示出TB胶粉复合SBS改性沥青比SBS改性沥青具有更好的疲劳自愈合性能.但目前关于TB胶粉复合SBS改性沥青的研究大多侧重于与其他种类改性沥青进行性能对比,复合改性过程中TB胶粉和SBS掺量对沥青及其混合料性能影响的相关研究较少.

目前对沥青低温性能的评价,国内外较为主流的评价指标是低温延度试验、测力延度试验以及SHARP推荐的低温PG分级[10].这些指标给出的是沥青在某一特定条件下的试验结果,虽然能区分不同沥青低温性能的优劣,但沥青路面的低温开裂是由于温度下降,混合料内部应力缓慢集中而发生开裂的过程,其无法模拟降温过程中沥青内部实际的受力情况.对沥青混合料低温性能的评价,最常见的方法是通过低温小梁弯曲蠕变试验(BBR)得到其弯曲蠕变劲度,该方法较为简单,但评价指标也较为单一,无法评价路面开裂后的裂缝发展情况.

本文制备了不同TB胶粉掺量和SBS掺量的TB胶粉复合SBS改性沥青,通过BBR研究了其低温流变特性,探究了在温度下降过程中,沥青内部低温应力的变化情况;通过半圆弯拉试验(SCB)研究了TB胶粉复合SBS改性沥青混合料的低温抗裂性能;系统地评价了TB胶粉掺量和SBS掺量变化对TB胶粉复合SBS改性沥青及混合料低温性能的影响,并对其低温性能指标进行相关性分析.

1 试验

1.1 原材料

1.1.1改性沥青

沥青为埃索70#基质沥青(E70);TB胶粉为江阴产橡胶粉,粒径为0.6mm;SBS为岳阳石化公司生产的线型SBS.改性沥青的制备工艺为:将TB胶粉加入到基质沥青中,在220℃下高速剪切16h以上,制备TB胶粉掺量(1)文中涉及的掺量、油石比等除特殊说明外均为质量分数或质量比.为20%的TB胶粉改性沥青(20TB),其他掺量TB胶粉改性沥青则通过在20TB中添加基质沥青稀释后得到;TB胶粉复合SBS改性沥青则通过向175℃TB胶粉改性沥青中加入一定量的SBS,搅拌1h后制得.改性沥青的配合比及基本性能指标如表1所示.文中:MA-TB+3SBS表示SBS掺量为3%的TB胶粉复合SBS改性沥青;MA-10TB+SBS表示TB胶粉掺量为10%的TB胶粉复合SBS改性沥青.

1.1.2改性沥青混合料

粗集料为玄武岩,细集料为石灰岩,矿粉为石灰岩矿粉,混合料选用AC-13级配,设计孔隙率为4%(体积分数),选用马歇尔设计方法,确定最佳油石比为0.049,混合料的级配如表2所示.

1.2 试验方法

1.2.1BBR试验

按照ASTM D6648—2016《Standard test method

表1 改性沥青的配合比及基本性能指标

表2 改性沥青混合料的级配

for determining the flexural creep stiffness of asphalt binder using the bending beam rheometer(BBR)》,采用Cannon弯曲梁流变仪进行BBR试验.采用压力老化试验(PAV)后的沥青样品进行试验,设置平行试验2组,结果取平均值.分别加载8、15、30、60、120、240s,沥青小梁试件的弯曲蠕变劲度St为:

(1)

式中:P为跨中加载力;L为跨径;b为小梁试件宽度;h为小梁试件厚度;δ(t)为t时刻的跨中挠度.

取60s时的S60和蠕变曲线斜率m60作为评价指标,并以S60≤300MPa和m60≥0.3作为控制指标进行低温PG分级的划分.

根据ASTM D6816-11《Standard practice for determining low-temperature performance grade(PG) of asphalt binders》,首先通过Christensen-Anderson-Marasteanu(CAM)模型构建弯曲蠕变劲度主曲线,然后采用Hopkins and Hamming方法将弯曲蠕变劲度主曲线换算成松弛模量主曲线,最后完成低温应力计算.假设从0℃开始降温,降温速率为1℃/h,降温终点为-45℃,线膨胀系数α为0.00017,即可得到温度不断下降的情况下沥青内部产生的低温应力.

1.2.2SCB试验

采用预先开缝的圆盘形试件进行SCB试验.试件尺寸为φ150×110mm,通过旋转压实成型.采用数控机床将成型好的圆柱形试件切割成厚度为25mm 的圆盘,将圆盘对中切开,并在跨中进行开缝,缝深(a)为12.7、25.4、38.1mm.试验温度为-18℃,设置3组平行试验,结果取平均值.加载前将试件置于-18℃的冰箱进行保温,试验开始时取出并放置于UTM-100仪器上进行加载.为保证开裂速度均匀,根据预试验及文献调研,加载速率定为0.5mm/min,跨径为120mm.SCB试验荷载-位移曲线见图1.

图1 SCB试验荷载-位移曲线Fig.1 Load-displacement curve of SCB test

采用应变能释放速率Jc值来评价混合料的低温抗裂性能,Jc值与现场路面的开裂率有很好的相关性[11-12],通常沥青混合料的Jc值越大,表明其抗裂性能越好.Jc值由不同缝深下SCB试验的应变能密度U(见图1)来计算:

(2)

2 结果与讨论

2.1 BBR试验

2.1.1低温PG分级

图2为改性沥青的低温PG分级结果.由图2可见:(1)对于TB胶粉改性沥青,TB胶粉的掺量越高,沥青的低温PG分级温度越低,表明TB胶粉的加入能显著改善沥青低温性能.(2)对于SBS掺量为3%的TB胶粉复合SBS改性沥青:随着TB胶粉掺量的增加,TB胶粉复合SBS改性沥青的低温PG分级温度降低;当TB胶粉掺量由5%增加到10%时,改性沥青的低温PG分级温度明显降低;当TB胶粉掺量大于10%时,改性沥青的低温PG分级温度比较接近.说明在TB胶粉掺量较高时,SBS的加入对沥青低温PG分级的改善效果并不显著.(3)对TB胶粉掺量为10%的TB胶粉复合SBS改性沥青,随着SBS掺量的增加,改性沥青的低温PG分级温度比较接近,呈先上升后缓慢降低的趋势,由此可见SBS对TB胶粉改性沥青的低温性能改善并不明显,甚至还会损害TB胶粉改性沥青的低温性能.

图2 改性沥青的低温PG分级结果Fig.2 Low temperature PG classification results of modified asphalts

2.1.2低温应力

图3为改性沥青的低温应力曲线.由图3可见:随着温度的降低,沥青内部产生的低温应力逐渐增大;随着TB胶粉掺量的增加,相同温度下改性沥青的低温应力逐渐降低,且降低幅度较大;在 -30℃ 时,基质沥青的低温应力明显高于TB胶粉改性沥青,不同TB胶粉掺量的TB胶粉改性沥青低温应力比较接近,说明TB胶粉的加入对沥青低温性能的改善非常显著;对于TB胶粉复合3%SBS改性沥青,加入TB胶粉后,沥青的低温应力也降低,10%TB胶粉复合3%SBS改性沥青的低温应力最低,TB胶粉掺量大于10%时,沥青的低温应力增大,这说明加入3%SBS后,TB胶粉掺量不宜太高;对于10%TB胶粉复合SBS改性沥青,可以发现几种沥青的低温应力曲线比较接近,也证明了复合改性后,SBS对沥青的低温性能改善并不显著.

图3 改性沥青的低温应力曲线Fig.3 Thermal stress curves of modified asphalts

由图3还可见:加入TB胶粉后沥青的低温应力降低显著;20%TB胶粉改性沥青的低温应力仅为基质沥青的30%,降低幅度非常明显;加入3%SBS后,随着TB胶粉掺量的增加,改性沥青的低温应力出现了先降低后增加的趋势;对于10%TB胶粉改性沥青,随着SBS掺量的增加,沥青的低温应力也出现先降低后增加的趋势,但变化幅度并不大.从低温应力结果来看,10%TB胶粉复合3%SBS改性沥青是较优的复合改性方案.

2.2 SCB试验

对3种缝深试件的应变能密度U进行线性拟合,得到Jc值,改性沥青混合料的低温SCB试验结果见表3.由表3可见:随着TB胶粉掺量的增加,TB胶粉改性沥青混合料的Jc值也随之增加,表明其低温抗裂性变好;TB胶粉掺量为20%时,改性沥青混合料的Jc值很大,表明其低温抗裂性改善效果极其显著;对TB胶粉复合3%SBS改性沥青来说,TB胶粉掺量的增大使改性沥青混合料的Jc值提高、低温抗裂性能提升;在10%TB胶粉改性沥青中掺加不同掺量的SBS,少量的SBS(2%)可使改性沥青混合料的Jc值增大,其低温抗裂性有一定的提高,而随着SBS掺量的增加,混合料的Jc值降低,表明其低温抗裂性变差.加入SBS后,随着SBS掺量的增加,混合料的低温抗裂性能逐渐下降,这与低温PG分级变化趋势截然相反,说明对于TB胶粉复合SBS改性沥青,沥青的低温性能优劣并不能代表混合料的低温抗裂性好坏.

表3 改性沥青混合料的低温SCB试验结果

2.3 低温指标相关分析

沥青低温PG分级是现行评价沥青低温性能最常用的指标,将其与沥青的低温应力、混合料的Jc值进行相关性分析,结果如图4、5所示.由图4、5可见:TB胶粉改性沥青的低温PG分级温度与其低温应力存在很强的线性相关关系,与混合料Jc值也存在一定线性相关关系,即TB胶粉改性沥青的PG分级温度可以表征沥青及混合料的低温性能,沥青低温PG分级温度越低,低温应力越小,其混合料的Jc值越大,低温抗裂性越小;TB胶粉复合3%SBS改性沥青的低温PG分级温度与其低温应力以及混合料Jc值的相关系数均比较低,但随着沥青低温PG分级温度的变化,其低温应力与混合料Jc值的变化趋势与TB胶粉改性沥青相同,即复合改性沥青的低温PG分级温度在一定程度上也能反应沥青及其混合料低温性能的优劣;10%TB胶粉复合SBS改性沥青的低温PG分级温度与低温应力之间的相关性很低,而与其混合料Jc值的相关性很高.有趣的是,线性相关分析结果显示,随着10%TB胶粉复合SBS改性沥青低温PG分级温度的变化,其低温应力与混合料Jc值的变化趋势与TB胶粉改性沥青以及TB胶粉复合3%SBS改性沥青的变化趋势相反,即较低的低温PG分级温度反而会使得沥青低温应力更高,混合料的Jc值更小,低温抗裂性变差.因此对TB胶粉复合SBS改性沥青来说,SBS的掺入使沥青体系变得更加复杂,低温PG分级不能反映实际复合改性沥青及其混合料的低温抗裂性能,需要用其他指标对其低温性能进行综合评价.

图5 低温PG与应变能释放速率的相关性分析Fig.5 Relationship between low temperature PG and Jc value

3 结论

(1)与基质沥青相比,TB胶粉改性沥青具有优异的低温性能,且随着TB胶粉掺量的增加,TB胶粉改性沥青的低温PG分级温度下降,沥青低温应力变小,混合料应变能释放速率Jc值增大,低温抗裂性增强.

(2)TB胶粉复合3%SBS改性沥青及其混合料的低温性能高于基质沥青,且随着TB胶粉掺量的增加,复合改性沥青的低温性能改善效果较为显著,但低于相应掺量的TB胶粉改性沥青.

(3)随着SBS掺量的增加,10%TB胶粉复合SBS改性沥青的低温性能变化并不明显,而其混合料的Jc值变小,低温抗裂性能变差.

(4)TB胶粉改性沥青的低温PG分级可以很好地反映沥青及其混合料的低温性能,而TB胶粉复合SBS改性沥青不能通过单一的PG分级来评价其低温性能,需要结合其他指标共同评价.

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