超薄罩面SBS-PTW高黏改性沥青组成及路用性能评价_李子云.pdf

第 卷，第 期 年 月公路工程，：收稿日期 基金项目 国家自然科学基金项目（）；河南省科技攻关项目（）；河南省高等学校重点科研项目（）作者简介 李子云（），男，河南郑州人，高级工程师，研究方向：路面材料与结构。通信作者：谢祥兵，：.。引文格式 李子云，郭孟涛，严云飞，等 超薄罩面 高黏改性沥青组成及路用性能评价 公路工程，（）：，（）：超薄罩面 高黏改性沥青组成及路用性能评价李子云，郭孟涛，严云飞，张宏伟，马志峰，谢祥兵（.郑州市路通公路建设有限公司，河南 郑州；.郑州航空工业管理学院 土木建筑学院，河南 郑州）摘 要 超薄罩面作为公路预防养护措施之一，采用高性能改性沥青是提升超薄罩面路用性能耐久性的关键因素。采用共混复合改性技术，结合针入度试验、软化点试验、延度试验、动力黏度试验、黏韧性试验研究 高性能改性沥青各组分间掺配比例，进一步采用薄膜老化试验、动态剪切流变（）试验、布什黏度试验评价最佳掺配比例下 高性能改性沥青路用技术性质。结果表明：高性能改性沥青各组分之间最佳掺配质量比为 、增溶剂、.增韧剂、.、.稳定剂，所制备 高性能改性沥青各项技术性质指标均满足 公路沥青路面预防养护技术规范（）要求，其中 动力黏度达到 ，黏韧性和韧性分别为.、.，高温分级温度为 ，老化后温度敏感性降低。关键词 道路工程；超薄罩面；高性能改性沥青；路用技术性质中图分类号.文献标志码 文章编号 （），（.，.，.，.），.，.，（）.（），第 期李子云，等：超薄罩面 高黏改性沥青组成及路用性能评价 ，.，.；（），；截至 年底，全国公路总里程达.，其中高速公路沥青混凝土路面总里程达.。沥青混凝土路面的抗磨光能力会随着行车荷载反复作用而逐渐衰减，其国际摩阻系数不断降低，进而造成路面表面抗滑性能减弱，导致高速行车安全性大幅降低，超薄罩面可有效改善原有沥青混凝土路面表面功能，延长高速公路路面使用寿命。与薄层罩面相比，在达到同等路用性能要求下超薄罩面对沥青胶结料提出更高性能要求，如公路沥青路面预防养护技术中要求高黏改性沥青在 的动力黏度大于 ，弹性恢复率大于等于。另外，公路养护技术规范（）中建议热拌超薄罩面层可以使用高黏改性沥青、橡胶沥青、高掺量 改性沥青等，可根据路面损坏状况、气候条件、交通量大小和组成等选择合适胶结料。因此，为提升沥青混凝土路面路用性能、延长其使用寿命，开展高性能改性沥青制备和技术性质评价对改善沥青路面耐久性具有重要工程实践意义。高粘高弹道路沥青（）中明确指出高黏高弹改性沥青 动力黏度应大于 ，弹性恢复率应不小于。与目前市场上常采用的日本、海川、中天 高黏改性剂等相比，苯乙烯 丁二烯 苯乙烯嵌段共聚物（）可通过提高其在基质沥青中掺量，达到高黏高弹改性沥青性能技术要求，且价格较为低廉。然而随着聚合物 掺量增加，其所制备高黏改性沥青易发生相分离、弹性指标变差、存储稳定性差等问题，因此众多道路工作者逐渐开展基于 的复配高性能沥青技术性质研究。如张争奇等以、聚氨酯（）为改性剂研发了新型 高黏高弹改性沥青，分析了其改性机理、流变性能和储存稳定性，并与、高黏高弹改性沥青进行了对比分析；张耀对比分析 橡胶粉高黏改性沥青与、废胶粉单一改性高黏沥青性能发现，复合改性可 显 著 改 善 沥 青 路 用 技 术 性 质；赵 富 强、等 采用 改性剂.交联剂 增容剂制备高黏改性沥青并揭示其改性机理，发现增容剂可有效改善 的分散性；贾利强等采用正交优化法以 动力黏度作为关键指标，确定出高黏改性沥青最优配方为 石油树脂.硫磺。综上所述，基于 复配的高性能改性沥青研究已成为道路工作者的研究热点，其中单掺 改性剂可通过提高掺量达到高黏改性沥青技术要求，而以 改性剂为基准，纳米材料和其他聚合物进行复配制备高性能改性沥青也可以达到相同技术和经济要求。因此，本文以 道路石油沥青、.稳定剂为基准，采用共混复合改性技术，通过增溶剂优选和控制纳米材料、聚合物掺量研发 复配高性能改性沥青。结合针入度试验、软化点试验、延度试验、黏韧性试验和动力黏度试验确定各组分之间最佳掺配比例，并与 种常用高黏改性剂进行物理性能、经济效益对比分析，通过薄膜老化试验、动态剪切流变（）试验确定其 高温分级，为拓展 复配高性能改性沥青在超薄罩面上的工程实际应用提供参考。试验设计.原材料沥青采用 道路石油沥青，改性剂选用线型 改性剂，石油树脂、糠醛抽出油为作为增溶剂，三元共聚物 作为增韧剂。基本技术指标如下：结构类型为线型，嵌段比（）为，拉伸强度为.，定伸应力为.，拉断伸长率为 ，拉段永久变形为。糠醛抽出油基本技术指标如下：类型为伊朗抽出油，闪点为，密度为.（），运动黏度为 （），机械杂质为.，硫含量为.，苯胺点为，芳烃含量 。基质沥青基本性能见表，基本技术指标见表。公路工程 卷表 基质沥青基本性能 分析项目针入度（，）（.）延度（，）动力黏度（）（）软化点（环球法）后质量变化残留针入度比 残留延度 质量指标 .检测结果.试验方法 ，表 基本技术指标 物理性质密度（）熔指（.）（）热性质熔点（）典型值.（）（）测试方法 .改性沥青制备工艺 复配高性能改性沥青制备工艺的流程图如图 所示，常用高黏改性剂和掺量如表 所示。图 沥青制备工艺流程图 表 高黏改性沥青配比 编号类型配比海川 海川高黏改性剂中天路业 高弹抗裂粒子 高弹抗裂粒子 高黏改性剂 高黏改性剂 试验结果与分析.增溶剂优选聚合物 在基质沥青中掺量达 时，通过复合改性技术可达到高黏改性沥青技术要求，由于两者分子量差异悬殊易导致离析，可通过添加富含芳香分的油类物质或石油树脂类物质的方式促进相容性，因此分别选择石油树脂类 与富含芳香分的糠醛抽出油类物质作为增溶剂，通过针入度、软化点、延度试验进行对比分析，确定出上述两类增溶剂对 改性沥青性能改善效果。不同增溶剂作用下 改性沥青的试验结果如表 所示。表 不同增溶剂作用下 改性沥青试验结果 编号沥青类型针入度（）（.）软化点 延度（）基质沥青 .稳定剂.基质沥青 石油树脂.稳定剂.基质沥青 糠醛抽出油.稳定剂.由表 可见，在 改性沥青基础上添加相同掺量石油树脂类或富含芳香分的油类物质后，石油树脂类物质使其针入度、软化点、延度降低，最大降幅 ，这主要是因为 石油树脂中含有第 期李子云，等：超薄罩面 高黏改性沥青组成及路用性能评价 大量刚性苯环分子，造成轻组分含量降低进而导致 溶胀程度减弱；添加富含芳香分的油类物质后，针入度、软化点、延度增大，最大增幅.，说明加入糠醛抽出油后对 改性沥青物理性能产生积极影响，尤其是极大改善其低温性能，糠醛抽出油主要组分为饱和分、芳香分、胶质，尤其是芳香分含量达到.以上，饱和分与芳香分作为轻质组分将使其沥青针入度变大，而芳香分含量增多促使 改性剂中的 段溶胀程度增大，改善 分散性进而提高改性沥青软化点和延度。综上可知，在 改性沥青中，糠醛抽出油对其改善作用要优于 石油树脂。.高性能改性沥青物理性能试验研究表明增韧剂（）中 分子内环氧基团可与沥青分子中游离羧酸基、酚羟基发生反应，提高沥青稳定性同时还兼具增韧作用，可有效提升沥青黏韧性。在上述 方案（基质沥青 糠醛抽出油.稳定剂）基础上，为进一步提升改性沥青综合性能满足高性能改性沥青技术要求，通过控制增韧剂（）的掺量，研究分别掺入.、.、.的增韧剂 对 改性沥青针入度、软化点、延度、动力黏度、黏韧性和韧性的影响规律，从而确定出增韧剂 最佳掺量，测试结果如图 所示。（）针入度（）软化点（）延度（）动力黏度（）黏韧性（）韧性图 不同增韧剂掺量下改性沥青试验结果 由图 可知，与 方案（基质沥青 糠醛抽出油.稳定剂）相比较，掺入 后，复合改性沥青软化点变化不显著，最大降幅.，这说明 对复合改性沥青的高温性能影响程度较小，而针入度、延度和 动力黏度表现为先增大后减小趋势，各评价指标最大增幅分别.、.、.，且均在 掺量为.时各指标达到最优，尤其是 动力黏度与沥青混合料动稳定度、飞散损失具有显著相关性，其值为.，增幅最为显著，约为 高粘高弹道路沥青（）中所要求动力黏度值的.倍，这说明 复合改性沥青满足高黏改性沥青的技术性质要求。沥青黏韧性是评价改性沥青改性效果的重要指标之一，包括黏韧性和韧性两类评价指标。由图 公路工程 卷可知，随 掺量增加，改性沥青黏韧性和韧性逐渐增大，最后趋于稳定；与 方案（基质沥青 糠醛抽出油.稳定剂）相比，黏韧性依次分别增大.、.、.，而韧性分别增大.、.、.，这主要是因为 是含有环氧功能团的乙烯类三元共聚物，环氧基团可与沥青分子中的游离羧酸基、酚羟基发生反应，降低了沥青与 改性剂相间的表界面张力，有效提高了 改性剂 段在基质沥青中溶胀程度，因此 复合改性沥青满足黏韧性不小于，韧性不小于 的高韧性改性沥青技术要求，。综上可知，掺加适量增韧剂 后，复合改性沥青高温性能变化较小，而低温性能、黏韧性、韧性与动力黏度，尤以对动力黏度提升效果最为明显，且 增韧剂掺量为.时，复合改性可满足高黏高韧性改性沥青技术性质要求。为进一步优化 复合改性沥青综合性能，在 、糠醛抽出油、.增韧剂基础上结合纳米材料独特尺寸效应，结合肖鹏、等 的研究成果，聚合物 可吸附在纳米材料表面，降低表面自由能，其中 可以有效改善 在沥青中的分散效果和稳定性，因此分别选择.、.、的 掺入 复合改性沥青中，针入度、软化点、延度、动力黏度、黏韧性、韧性各指标随掺量变化率见图。图 评价指标变化率（单位：）（：）由图 各评价指标变化率可知：随着 掺量的逐渐增加，复合改性沥青的软化点、动力黏度逐渐增大，且 动力黏度变化最为显著，分别增幅.、.、.，这说明 可以有效改善 复合改性沥青的高温抗变形性能；但针入度、延度、黏韧性均随着 掺量的增大而逐渐减小，其中 延度下降最多，分别降低.、.，但各项指标均超出 高粘高弹道路沥青规范和 中相应指标要求，因此所制备的 高黏改性沥青满足超薄罩面沥青材料技术性质要求。综上所述，对于 复合改性沥青改善效果最为明显的是高温稳定性，对于其他性能影响程度有限；综合考虑性能指标和经济效益，选取.为最适掺量，即所制备高性能改性沥青最佳掺配比例为：聚合物 糠醛抽出油 .稳定剂。为进一步分析适用于超薄罩面的 高黏改性沥青技术性质，将其与目前常适用于超薄罩面的 种高黏改性沥青进行性能评价，试验结果见表。由表 可知，与高黏改性沥青、相比，高黏改性沥青软化点、动力黏度具有显著优势，其中软化点分别是其他 种改性沥青的.、.、.倍，而 动力黏度分别是.、.、.倍，这说明 高黏改性沥青具有良好的高温抗车辙性能；而 高性能改性沥青的黏韧性和韧性可以完全达到、型高黏改性沥青黏韧性和韧性的要求，但比 型高黏改性沥青有所提升，延度比、型高黏改性沥青降幅.、.，但仍远高于超薄第 期李子云，等：超薄罩面 高黏改性沥青组成及路用性能评价 表 各改性沥青物理性能试验结果 沥青编号沥青类型针入度（.）软化点延度（）动力黏度（）（）黏韧性（）（）韧性（）（）糠醛抽出油.稳定剂.海川高黏改性剂.高弹抗裂粒子.高黏改性剂.规范 要求标准高粘高弹道路沥青要求 罩面中所要求的沥青原材料技术性质要求。综上可知，所制备 高黏改性沥青可以作为超薄罩面用黏结材料，其中 动力黏度为规范所要求的 倍以上。.高性能改性沥青流变性质试验根据上述物理性能试验确定了 高黏改性沥青组成成分比例，为进一步评价 高性能改性沥青和高黏改性沥青、的流变性能，通过动态剪切流变（）试验评价改性沥青的流变性能，以美国公路战略研究计划（）中所采用沥青车辙因子 （）来确定改性沥青 分级，即规定原样沥青 （）.，残留沥青 （）.。其中各改性沥青原样和 残留沥青进行 试验，确定出各沥青的高温分级，试验结果如表 所示。表 各改性沥青薄膜老化前后高温分级结果 沥青编号不同温度下原样沥青车辙因子 不同温度下 后沥青车辙因子 等级.由表 可知，种改性沥青车辙因子 （）随着温度变化呈现出相同趋势，即随着温度升高，（）逐渐降低，其中 高性能改性沥青车辙因子 （）最大，其中 为.，为.，车辙因子越大，沥青混合料高温稳定性越好，因此 高黏改