黃曉研

文章借鑒南寧吳圩機(jī)場(chǎng)第二高速公路橡膠瀝青路面施工技術(shù)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，利用現(xiàn)場(chǎng)加工方法得到最佳剪切速率、剪切時(shí)間、剪切溫度及發(fā)育時(shí)間，制備SBS改性瀝青，分組后對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果表明：三大指標(biāo)都能滿(mǎn)足規(guī)范要求;SHRP試驗(yàn)分析得知3#原樣改性瀝青比RTFOT后的改性瀝青短期抗老化性能好、1#抗疲勞性能好、試樣低溫等級(jí)均為PG-29;EDS法檢測(cè)改性瀝青比紅外光譜法測(cè)的數(shù)據(jù)更精準(zhǔn);現(xiàn)場(chǎng)加工SBS改性瀝青生產(chǎn)老化后的質(zhì)量損失處于穩(wěn)定狀態(tài)。

道路工程;SBS改性瀝青;瀝青現(xiàn)場(chǎng)加工;EDS法

U416.02A120425

0 引言

公路運(yùn)輸作為交通系統(tǒng)組成部分之一，是最便捷、最直接的運(yùn)輸方式。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，公路里程也實(shí)現(xiàn)跨越式增長(zhǎng)。隨著我國(guó)高速公路里程不斷增加，每年養(yǎng)護(hù)里程也在不斷攀升，致使對(duì)瀝青的需求呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢(shì)[1]。瀝青是一種復(fù)雜的高分子烴類(lèi)聚合物，也是路面施工最重要的材料，就目前的交通量而言，普通的瀝青路面難以達(dá)到合格的標(biāo)準(zhǔn)。因此，研究改性瀝青對(duì)提高路面承載能力、抗擠壓變形能力以及路面抗老化性等方面具有特殊意義，SBS改性劑能大幅度提升瀝青在高溫、低溫下的穩(wěn)定性，很好地適應(yīng)我國(guó)當(dāng)前的交通情況[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行了大量研究：Yan Wang等[3]通過(guò)試驗(yàn)得出SBS改性瀝青制備的最佳條件和SBS改性瀝青的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)以及性能應(yīng)用;D.Q.Sun等[4]結(jié)合了改性瀝青聚合物的含量定量來(lái)測(cè)定，研究基于性能、紅外光譜等方法，在這些方法中紅外光譜法是檢測(cè)改性瀝青中聚合物含量最常用的方法，也是較為合適的測(cè)試方法之一;曹貴等[5]通過(guò)對(duì)改性瀝青性能和工藝參數(shù)的研究，得出了新的復(fù)配SBS改性瀝青生產(chǎn)材料比例和新工藝參數(shù)，得出工廠(chǎng)化生產(chǎn)的SBS改性瀝青質(zhì)量更加穩(wěn)定可靠的結(jié)論;于艷杰等[6]通過(guò)高速剪切制備改性瀝青試驗(yàn)表明，SBS改性瀝青具有儲(chǔ)存穩(wěn)定性好、溫度敏感性小的優(yōu)點(diǎn)。

從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，基質(zhì)瀝青中加入SBS改性劑可以改變?yōu)r青的各項(xiàng)性能[7]，同時(shí)SBS改性瀝青具有在施工現(xiàn)場(chǎng)加工方便、加工過(guò)程質(zhì)量參數(shù)可控等特點(diǎn)。為此，本文借鑒南寧吳圩機(jī)場(chǎng)第二高速公路橡膠瀝青路面施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)SBS改性瀝青現(xiàn)場(chǎng)加工工藝及質(zhì)量控制不足等問(wèn)題，試圖通過(guò)熔融研磨法這一現(xiàn)場(chǎng)施工方式找到最佳剪切速率、剪切時(shí)間、剪切溫度及發(fā)育時(shí)間參數(shù)，以常規(guī)性能測(cè)試、SHRP試驗(yàn)、改性劑含量測(cè)試及性能穩(wěn)定性試驗(yàn)分析等方式，驗(yàn)證最佳參數(shù)的正確性。

1 最佳現(xiàn)場(chǎng)加工方法的確定

1.1 現(xiàn)場(chǎng)加工方式及工藝

本項(xiàng)目使用熔融研磨法來(lái)現(xiàn)場(chǎng)加工SBS改性瀝青，將比例調(diào)配好的瀝青先加熱到一定溫度后，加入SBS改性劑，再將熱瀝青放入高速剪切機(jī)，利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子將熱瀝青和SBS改性劑充分地研磨并分散。

由此研究不同的剪切速率、時(shí)間、溫度和發(fā)育時(shí)間對(duì)改性瀝青的影響，得出現(xiàn)場(chǎng)加工改性瀝青的最佳工藝參數(shù)，并通過(guò)三大指標(biāo)、SHRP指標(biāo)、改性劑含量的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證成品改性瀝青的性能。

1.2 最佳參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加工改性瀝青生產(chǎn)的實(shí)際狀況，基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1所示，改性劑技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

在改性瀝青的制備過(guò)程中，剪切速率、剪切時(shí)間、剪切溫度以及發(fā)育時(shí)間是主要的工藝參數(shù)。根據(jù)分析微觀(guān)條件下產(chǎn)生的因素和基本性能對(duì)瀝青性能影響，研究不同的參數(shù)對(duì)改性瀝青的影響，從而探索其規(guī)律并從中得出改性瀝青制備的最佳方案。

1.2.1 剪切速率的確定

本試驗(yàn)將選取5個(gè)剪切速率進(jìn)行檢測(cè)，范圍為2 000～6 000 r/min，三大指標(biāo)結(jié)果如表3所示。

通過(guò)對(duì)表3中不同軟化點(diǎn)、針入度及延度進(jìn)行分析可以得出，剪切速率>4 000 r/min時(shí)改性劑會(huì)影響基質(zhì)瀝青的改性效果;改性瀝青在抗剪切性能和高溫流變性適合時(shí)的剪切速率在4 000 r/min;為有效防止快速剪切產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致局部老化，最后選取剪切速率4 000 r/min作為改性劑加工最佳剪切速率。

1.2.2 剪切時(shí)間的確定

本試驗(yàn)將選取20 min、30 min、 40 min 、50 min四個(gè)剪切時(shí)間，研究加工改性瀝青的三大指標(biāo)。結(jié)果如表4所示。

通過(guò)對(duì)表4中不同軟化點(diǎn)、針入度及延度進(jìn)行分析可以得出，剪切時(shí)間在40 min的改性瀝青軟化點(diǎn)值最高;剪切時(shí)間對(duì)改性瀝青針入度影響不顯著;當(dāng)剪切時(shí)間超過(guò)40 min后改性瀝青低溫延度下降，因此剪切時(shí)間應(yīng)控制在35 min左右為最佳時(shí)間。

1.2.3 剪切溫度確定

本實(shí)驗(yàn)選取165 ℃、175 ℃、185 ℃、195 ℃四個(gè)剪切溫度，研究加工改性瀝青的三大指標(biāo)，結(jié)果如下頁(yè)表5所示。

通過(guò)對(duì)表5中不同軟化點(diǎn)、針入度、延度進(jìn)行分析可以得出，剪切溫度控制在185 ℃時(shí)成品瀝青的軟化點(diǎn)最高;剪切溫度在165 ℃～185 ℃時(shí)延度相差不大，剪切溫度>185 ℃后，延度隨剪切溫度升高而降低，軟化度最高，低溫延度和針入度指標(biāo)在規(guī)定范圍內(nèi)，因此剪切溫度控制在185 ℃為最佳溫度。

1.2.4 改性瀝青發(fā)育時(shí)間的確定

本實(shí)驗(yàn)選取2 h、3 h、4 h、5 h、6 h五個(gè)發(fā)育時(shí)間，研究加工改性瀝青的三大指標(biāo)，結(jié)果如表6所示。

通過(guò)對(duì)表6中不同軟化點(diǎn)、針入度及延度進(jìn)行分析可以得出，發(fā)育時(shí)間在4 h時(shí)候達(dá)到軟化點(diǎn)頂點(diǎn)， 對(duì)4 h為改性瀝青最優(yōu)發(fā)育時(shí)間，但考慮到現(xiàn)場(chǎng)瀝青罐容量過(guò)大，發(fā)育時(shí)間緩慢，因此，瀝青發(fā)育時(shí)間延長(zhǎng)至6 h左右，不宜超過(guò)6 h。

2 SBS改性瀝青性能研究

針對(duì)上文得到的最佳剪切速率、剪切時(shí)間和剪切溫度以及發(fā)育時(shí)間制備SBS改性瀝青，并對(duì)其進(jìn)行常規(guī)性能、SHRP試驗(yàn)、改性劑含量及性能穩(wěn)定性的分析。

2.1 常規(guī)性能分析

將三組瀝青分別編號(hào)為1#、2#、3#，再用此三組成品改性瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)以及經(jīng)過(guò)RTFOT后的延度、質(zhì)量損失與殘留針入度比試驗(yàn)，得到結(jié)果如表7所示。

由表7可知， SBS改性瀝青常規(guī)性能指標(biāo)可通過(guò)此加工工藝制出并都能符合規(guī)范要求，性能穩(wěn)定。

2.2 SHRP試驗(yàn)分析

2.2.1 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀，分別對(duì)原樣、RTFOT后殘?jiān)M(jìn)行試驗(yàn)，探究加工現(xiàn)場(chǎng)改性瀝青的疲勞性與高溫穩(wěn)定性。其中車(chē)轍因子G*/sinδ為評(píng)價(jià)參數(shù)，δ為滯后角。動(dòng)態(tài)荷載作用下G*為應(yīng)變之比和應(yīng)力，若瀝青擁有較強(qiáng)的抗車(chē)轍能力，則需確保較大的G*值與較小的δ值。分別對(duì)原樣瀝青、RTFOT短期老化后的殘?jiān)鼮r青進(jìn)行驗(yàn)證，如表8、表9所示。

SHRP規(guī)范要求RTFOT后殘留瀝青的G*/sinδ≥1.1 kPa，RTFOT后的殘?jiān)鼮r青G*/sinδ≥2.3 kPa。通過(guò)表8、表9可以看出，三個(gè)原樣品瀝青高溫都≥PG77，具有較強(qiáng)的抗車(chē)轍能力、較強(qiáng)的抵抗剪切變形能力、高溫穩(wěn)定性及抗老化性。

2.2.2 彎曲梁流變?cè)囼?yàn)

對(duì)瀝青低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，BBR試驗(yàn)中，瀝青處于低溫條件下時(shí)，通過(guò)蠕變勁度S來(lái)反映抵抗恒載能力，勁度S在荷載作用下變動(dòng)的速率用蠕變速率m來(lái)表現(xiàn)。結(jié)果如表10所示。

由表10改性瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果得出，按照PG分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，三個(gè)試樣的低溫級(jí)別均為PG-29。

2.2.3 瀝青疲勞耐久性試驗(yàn)

在評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)加工的SBS改性瀝青疲勞性能時(shí)，將疲勞因子G*/sinδ作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在29 ℃的試驗(yàn)溫度下，使用DSR對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行低溫剪抗疲勞試驗(yàn)，結(jié)果如表11所示。

同溫度下，G*/sinδ 值越小表示能力損失較少，通過(guò)表11看出1#抗疲勞性能好。

2.3 改性劑含量分析

2.3.1 EDS檢測(cè)原理

本次采用南寧吳圩機(jī)場(chǎng)第二高速公路橡膠瀝青，反應(yīng)方程式為：

nSB-Li++SiCl4→（SB）nSiCl4-n+nLiCl （1）

式中：n——單根分子鏈的偶聯(lián)度，理想情況下為4;

SB-——活性雙嵌段聚合物。

2.3.2 樣品制備

樣品制備的材料采用南寧吳圩機(jī)場(chǎng)第二高速公路橡膠瀝青，分析星型SBS改性瀝青的加工參數(shù)，制作出1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%五種不同含量的SBS改性瀝青。

2.3.3 不同摻量改性瀝青的元素分析

分別采用1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%的改性劑摻量對(duì)星型SBS改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，如表12所示。

通過(guò)表12可以看出Si元素的含量隨著改性劑摻量的增加而增加。

2.3.4 繪制星型SBS改性劑摻量和Si元素含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)

對(duì)不同的星型SBS改性劑摻量瀝青樣品進(jìn)行能譜儀掃描實(shí)驗(yàn)，得出各改性瀝青的Si元素含量，如圖2所示。

通過(guò)圖2可知，Si元素含量和星型SBS改性劑摻量之間成一種線(xiàn)性關(guān)系，Si元素的含量隨著改性劑摻量的增加而增加，回歸方程如式（2）所示。還可以看出R2=0.998 7為回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)，表明回歸方程的擬合結(jié)果相近，從而證明了Si元素含量與星型SBS改性劑含量之間的線(xiàn)性關(guān)系。

y=0.091+0.101x （2）

2.3.5 能譜儀法和紅外光譜法對(duì)比

用不同摻量SBS改性瀝青進(jìn)行能譜儀試驗(yàn)，與陳穎娣等[8]多位學(xué)者對(duì)SBS的不同參數(shù)用紅外光譜法試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出能譜儀法檢測(cè)改性瀝青中新型SBS改性劑中元素含量更為精確。

2.4 性能穩(wěn)定性分析

通過(guò)研究針入度比、針入度、老化后的質(zhì)量損失、延度、軟化點(diǎn)這5項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，得出現(xiàn)場(chǎng)加工SBS改性瀝青的質(zhì)量穩(wěn)定性。本節(jié)采用系統(tǒng)抽樣方式，現(xiàn)場(chǎng)施工每生產(chǎn)出一批瀝青即從中抽樣進(jìn)行檢測(cè)，用計(jì)算平均值來(lái)確定瀝青的指標(biāo)值，通過(guò)抽樣現(xiàn)場(chǎng)加工SBS改性瀝青成品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行性能分析。

表13為采用系統(tǒng)抽樣對(duì)施工期現(xiàn)場(chǎng)加工的SBS改性瀝青成品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場(chǎng)加工質(zhì)量穩(wěn)定性分析結(jié)果見(jiàn)圖3～7。

通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)加工SBS改性瀝青中25 ℃針入度、軟化點(diǎn)、5 ℃延度和老化后針入度比的數(shù)據(jù)，可以看出試驗(yàn)結(jié)果的柱形圖呈現(xiàn)中間高兩邊低，符合正態(tài)分布函數(shù)圖形，表明現(xiàn)場(chǎng)加工SBS改性瀝青性能穩(wěn)定。

由圖8可以看出，現(xiàn)場(chǎng)加工SBS改性瀝青生產(chǎn)老化后的質(zhì)量損失處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)熔融研磨法對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加工，得到最佳的剪切速率、剪切時(shí)間、剪切溫度以及發(fā)育時(shí)間參數(shù)，制備了SBS改性瀝青，分別對(duì)得到的SBS改性瀝青進(jìn)行常規(guī)性能、SHRP試驗(yàn)、改性劑含量及性能穩(wěn)定性試驗(yàn)分析，得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加工方法確定最佳剪切速率為4 000 r/min、剪切時(shí)間為35 min、剪切溫度為185 ℃、發(fā)育時(shí)間為6 h。

（2）應(yīng)用最佳參數(shù)制備的成品改性瀝青，在三大指標(biāo)、延度、質(zhì)量損失和殘留針入度上，均能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（3）通過(guò)SHRP試驗(yàn)得到原樣改性瀝青3#，具有良好的高溫穩(wěn)定性、抗車(chē)轍能力及較強(qiáng)的抵抗剪切變形能力。RTFOT后的改性瀝青短期抗老化性能好;改性瀝青1#抗疲勞性能好;三個(gè)試樣的低溫等級(jí)均為PG-29。

（4）對(duì)比EDS法與紅外光譜法，證明EDS法檢測(cè)改性瀝青中新型SBS 改性劑中元素含量的數(shù)據(jù)更為精確。

（5）通過(guò)研究針入度比、針入度、老化后的質(zhì)量損失、延度、軟化點(diǎn)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，得出現(xiàn)場(chǎng)加工SBS改性瀝青性能處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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