寒区浇注式沥青混凝土沥青的选择.pdf

关彦超等： 寒区浇注式沥青混凝土沥青的选择 寒区浇注式沥青混凝土沥青的选择 关彦超 ， 王东升 ， 马宏岩 ， 冯德成 ( 1 ．沈阳市公路规划设计院 ． 沈阳1 1 0 0 1 1； 2 ．哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 。 哈尔滨1 5 0 0 9 0 ) 【 摘要】 参照俄罗斯的相关技术规范， 为综合平衡沥青的高温与低温性能进行试验研究。通过不同沥青 种类的比选 ， 并结合沥青混合料低温抗裂性能的试验验证， 提出了寒冷地区浇注式沥青混凝土宜采用聚合物改性 沥青或掺加降粘剂的改性沥青作为结合料。 【 关键词】 浇注式沥青混凝土； 聚合物改性沥青 ； 寒冷地区； 降粘剂 【 中图分类号】 T U 5 2 8 ． 4 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 3 — 0 0 8 7 — 0 3 CoL D REGI oNS AS PHALT M AS T I C AS PHALT CoNCRETE CHoI CE GUAN Ya n — c h a o ， WANG Do n g ． s h e n g ，MA Ho n g — y a n 。 ， FENG De — c h e n g ( 1 ． S h e n y a n g R o a d P l a n a n d D e s i g n I n s t i t u t e ，S h e n y a n g ，1 1 0 0 1 1 ， C h i n a ； 2 ． H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，H a r b i n 1 5 0 0 9 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： I n v i e w o f t h e a p pl i c a t i o n o f t he g u s s a s ph a l t c o n c r e t e i n c o l d r e g i o n，s o me e x p e rime nt s h a v e b e e n d o n e t o b a l a n c e t h e h i g h a n d l o w t e mp e r a t u r e p r o p e r t i e s o f a s p h a l t a c c o r d i n g t o t h e r e l a t e d Ru s s i a n t e c h n i c a l s p e c i fi c a t i o n s ．T h r o u g h the c o mp a ris o n o f d i f f e r e n t k i n d s o f a s p h a l t a n d t h e e x p e r i me n — t a l t e s t s o f a s p h a l t mi x t u r e’ S a n t i — c r a c k i n g p e rf o r ma n c e i n l o w t e mp e r a t u r e，we p u t f o r w a r d t h e me tho d t h a t i n c o l d r e g i o n w e s h o u l d u s e t h e p o l y me r mo d i fi e d a s p h a l t o r t h e t h i n n e r mod i fi e d a s p h a l t a s b i n d e r i n g u s s a s ph a l t c o nc r e t e ． Ke y wo r d s ： g u s s a s p h a l t c o n c r e t e ；p o l y me r mo d i fi e d a s p h a l t ；c o l d r e g i o n s ；thi n n e r s 0 引言 材料的性能取决于环境条件与 内部结构， 对于沥 青混凝土的强度特性、 应力松弛特性、 变形阻抗与疲劳 特性⋯， 在特定 的外界环境下， 由混合料 的配 比与原 材料的性质所决定。对于悬浮密实型结构的浇注式沥 青混凝土而言， 沥青的性质更成为决定性因素。因此 世界各国在这一材料的应用技术中， 一直致力于最佳 沥青类 型的研 发及相应技术指标 的研究 。然而对于 当 前普遍采用的特立尼达天然湖沥青 ( T L A) ， 它虽然具 有极低的温度敏感性、 较强的抗老化和抗高温变形能 力， 但也可能对混合料的低温抗裂性能存在负面影响。 因此 ， 有必要通过试验研究， 提出适宜的沥青结合料类 型， 以指导其在寒冷地区的应用。 1 浇注式沥青混凝土沥青 的基本要 求 浇注成沥青混凝土当中的沥青作为特别重要的 结构组分， 应具备以下特殊要求 ： ( 1 ) 为保证面层不发生过大的剪切破坏与永久 变形， 要求沥青在路面高温环境下有较大的粘度、 劲度。 ( 2 ) 不能采用高温过粘的沥青 ， 否则将导致混 合料流动性变差 ， 进而需要提高拌和温度， 并可能破坏 沥青结构组分。 ( 3 ) 具有良好的抗老化性能。 ( 4 ) 低温、 常温环境下具有优良的疲劳特性。 ( 5 ) 低温环境下具有较好 的流变特性， 保证混 合料的低温抗裂性能。 在浇注式沥青混凝土发展初期， 面对中、 轻交通荷 载 ， 沥青性能间的矛盾并不十分突出， 因而主要采用天 然湖沥青与低标号的基质沥青 。 随着交通荷载的增加、 环保对拌和温度的要求、 自 然环境愈加恶劣等外界条件的 日趋复杂 ， 世界各国均 致力于研发高性能改性沥青与添加剂， 并提出了相应 的技术标准。其中， 与开发浇注式沥青混凝土最早的 德国相比 ， 俄罗斯的技术规范中建议采用聚合物改 性沥青， 其技术要求见表 1 。 其中， 采用石油沥青结合料 B H ,／ ~ 6 0 ／ 9 0 、 B H 且9 0 ／ 1 3 0与 S B S改性剂制备 Y I B B 4 0— 6 0聚合物改性沥青， 其质量百分比为基质沥青 9 0 ％ ～ 9 1 ． 5 ％、 S B S改性剂 8 ． 5％ ～1 0 ． 0％ [ 3 1 。可见采用高掺量的 S B S改性沥青， 是俄罗斯的技术特色 ， 而且对沥青低温性能的要求更 高。这对于我国寒冷地区浇注式沥青混凝土沥青的选 8 8 低温建筑技术 2 0 1 1 年第3期( 总第 1 5 3 期) 择， 具有重要的参考价值。因此， 需要进一步开展沥青 的高温、 低温性能研究， 从而确定适宜的沥青种类。 表 l 俄罗斯规范中关于聚合物改性沥青的规定 沥青标号 技术指标—— 试验方法 nB B 4 0 I I B B 6 0 环与 球软化点／ ~ C t> 7 7 ≥ 9 4 针入度( 2 5 ~ C， 1 0 0 g ， 5 5 ) ／ 0 ． 0 1 m m 5 0— 1 2 0 3 0- 7 0 针入度( 0 ℃， 2 0 0 g ， 6 0 s ) ／ 0 ． O l m m ≥5 0 ≥3 0 1 8 0 ~ C 运动粘g ~ ／ m m s 1 5 0 0 2 0 0 0 薄膜加热后软化点变ff T o c ≤ 2 5 ≤ 1 5 薄膜加热后5 ℃弹 性恢复 ／ ％ >t 5 0 ≥ 6 o r OCr 1 1 5 0 6—7 3 r OCr 1 1 5 0 1 -7 8 Cr C9 B 3 6 5 8—8 2 r OCr 3 3—8 2 r OCr 1 1 5 0 6-7 3 OCr 2 1 8 ． 0 1 0—9 8 2 浇注式沥青混凝土沥青的高温特性 浇注式沥青混凝土的材料设计， 首先需要控制其 高温稳定性 ， 它由胶浆的结构 一 力学特点所决定， 其中 包括胶浆的粘度。而胶浆的粘度， 同样取决于沥青的 粘度与沥青同矿粉的结构等级。这样就决定了在浇注 式沥青混凝土当中必须采用比较粘的沥青 ， 同时要提 高矿粉的用量。目前 ， 采用标号很低的基质沥青 ， 或基 质沥青掺加湖沥青， 以及各类改性沥青。各国技术上 的共性为， 均采用低标号的基质沥青， 即规定沥青在 2 5 o 【 = 的针入度标准在某一较小范围内。除俄罗斯外， 一 般 国家冬 季温度较高 ， 因此这一标准 在 2 0～6 5 ( 0 ． O l m m) 之间。对寒冷地区， 结合我国现状， 可 以推 荐的标号为 9 0号和 7 0号， 此时沥青的改性问题显得 尤为重要。 最早国外采用浇注式沥青混凝土时， 为提高沥青 高温下的粘度， 将天然湖沥青掺加到基质沥青当中。 我国江阴大桥建设中， 采用 7 0 ％的特立尼达湖沥青。 最近几年开始采用聚合物与天然湖沥青( 或岩沥青) 复合改性沥青。因此需要分析湖沥青添加 比例的问 题， 重庆交通科研设计院的试验结果见表 2 ， 可以看 出 随着湖沥青用量的增加， 软化点、 针人度明显提高。 表 2 掺加湖沥青的沥青技术指标 而表 1的数据表明， 对 S B S改性沥青 ， 其软化点可 以提高 3 0～ 5 5 ％， 效果明显。 3 浇注式沥青混凝土沥青的低温特性 在温度较低时， 希望使用流动性能好的沥青以减 少沥青路面的温度裂缝 ， 这显然与高温性能的要求 构成一对矛盾， 为综合平衡高温与低温的要求 ， 可以采 用天然湖沥青与聚合物改性沥青复合改性的技术途 径， 因此设计两种沥青结合料， 其配比见表 3 。其 中为 降低浇注式沥青混凝土高温拌合时的粘度， 提高其施 ．工流动性， 掺加一定比例的降粘剂。 表3 沥青种类及其配比 组分 各类沥青不同组分质量} 匕 ， ％ I Ⅱ Ⅲ 进一步开展了各类沥青的路用性能测试 ， 其结果 见表 4 。 表4 各类沥青试验结果 其中， 掺加2 5 ％湖沥青的复合改性沥青， 其 5 ~ C 延 度几乎为 0 ， 说明这种沥青低温下极易变脆 ， 难以提供 流动变形， 因此不宜在寒冷地区应用。并且， 应该提出 一 项指标控制其低温性能。 文献3中明确规定了 S B S改性剂的掺量为 8 ． 5 ％ ～ 1 0 ． 0 ％， 其高低温性能的技术要求明显高于我国相 应规范的规定。而关于 S B S改性沥青 的低温性能一 直以来为国内关注 有些研究单位提出 S B S改性沥青 对低温性能的改善效果并不显著。实际上， 由于几个 主要因素没有考虑全面才导致得出这样不十分妥当 的结论。文献 6 认为影响沥青低温流变性能的主要因 素为基质沥青标号 ， 其次是改性剂掺量， 最后才是改性 剂结构， 标号越低的基质沥青， 只有在改性剂掺量超过 某一限值之后效果才明显， 对于9 0 # 基质沥青其掺量 需要超过 6 ． 0 ％。无论已有沥青混凝土低温弯曲试验 结果， 还是已有沥青结合料数据 ， 都明显可以发现聚合 物改性沥青较之添加湖沥青 的结合料低温性能优异 得多， 具体见表_4中 5 c ( = 延度值上的差异就可以说 明 这一问题。而对于其他的研究进行观察， 不难发现基 关彦超等： 寒区浇注式沥青混凝土沥青的选择 8 9 本都是 7 0 # 改性沥青 、 S B S改性剂掺量不超过 6 ． 0 ％， 此时在有限范围内得出的结论 自然是片面的。 基于上述分析 ， 有理由认为采用聚合物改性沥青 制备浇注式沥青混凝土是合适的。由于高温性能的要 求， 沥青标号不能过大， 因此 出于低温性能考虑， S B S 掺量必须提高。 另外， 建议采用 O 针入度作为沥青低温性能的评 价指标， 这一方法仅需要改变标准针质量与作用时间， 便于推广应用， 其标准可按俄罗斯规定的予以完善。 4 浇注式沥青混凝土沥青的选择 基于上述沥青高温与低温特性的研究， 对浇注式 沥青混凝土的结合料， 需对聚合物改性沥青进一步开 发， 目前适用于寒冷地区的结合料有三种可选方案： ( 1 ) 高掺量的聚合物改性沥青， 较好的平衡高 低温性能间的矛盾。 ( 2 ) 聚合物改性沥青中掺加降粘剂与天然湖沥 青 ， 满足低温性能最低要求 ， 显著提高其高温性能。 ( 3 ) 聚合物改性沥青 中掺加降粘剂， 保持较好 低温性能， 并提高高温性能。 从表 4沥青Ⅱ的数据可以看出， 湖沥青对结合料 的高温性能显著提高， 但低温性能很差。而沥青 Ⅲ， 提 高降粘剂含量后 ， 高、 低温性能均得以提高， 但成本过 高。沥青 I 较好的兼顾 了高温与低温、 技术与经济的 矛盾 ， 而且同国内外相关的研究结论相一致 ， 推荐高掺 量的聚合物改性沥青。 5 沥青混凝土低温抗 裂性 能的验证 为了验证这一技术方案的合理性， 采用现行技术 规范中规定的低温弯曲试验， 分别测试 一 5 ℃、 一l 0 ℃、 一 1 5 ℃、 一2 0 ℃和 一2 5 ℃温度下的弯拉强度、 极限应变 与劲度值 ， 结果见表 5 。 对于普通沥青混合料而言， 弯拉应变一般会随温 度的降低而减小， 弯拉劲度模量会随温度的降低而增 大， 而浇注式沥青混凝土试验结果则有很大的差异 ， 在 部分温度 区间内的变化趋势甚至是完全相反的。可 见， 这一材料的低温力学性能 一 变形能力很强， 适宜作 为桥面铺装结构而承受大变形作用。 表 5 浇注式沥青混凝 土低温弯 曲试验结果 表 5显示所用混合料极限应变 ， 最大值达到我国 目前普通沥青混合料规定标准值的 l 0倍。与常规的 浇注式沥青混凝土相 比(一1 0 ~ C低温弯曲试验， 测得 弯拉强度为 8 ． 4 2 M P a ， 弯拉应变为 6 0 7 91 0 一， 劲度模 量为 1 6 3 6 MP a ) ， 抗弯拉强度增加了 2 2 ． 4 ％， 弯拉应变 增加了 1 1 3 ． 5 ％， 弯拉劲度模量减少了5 7 ％ 再次证明 高掺量 S B S改性沥青能够大幅度地提高沥青混凝土 的低温韧性， 尤其是显著改善低温变形能力。 6结语 ( 1 ) 满足浇注式沥青混凝土高温稳定性要求的 沥青必须是粘度高的结合料 ， 鉴于我国 目前沥青技术 水平， 应采用复合改性沥青作为结合料 ， 在北方寒冷地 区所用基质沥青的标号暂定 7 0号与 9 0号。 ( 2 ) 聚合物改性沥青 中同时掺加降粘剂与天然 湖沥青， 可显著提高其高温性能， 但其低温性能较差， 不宜在寒冷地区使用。 ( 3 ) 结合降粘剂 的特性研究 ， 高掺量的聚合物 改性沥青或掺加降粘剂的改性沥青 ， 较好的平衡沥青 高、 低温性能间的矛盾， 适宜作为寒冷地区浇注式沥青 混凝土的结合料。 参 考文献 [ 1 ] 菅原照雄． 沥青混合料力学性能研究论文集 [ C ] ． 哈尔滨： 黑 龙江省公路学会、 哈尔滨建筑工程学院， 1 9 8 2 ： 4 1 — 5 1 ． [ 2 ] 王东升． 寒冷地区浇注式沥青混凝土路用性能的研究[ D ] ． 哈 尔滨 ： 哈尔滨工业 大学 ， 2 0 0 5 ： 4 ． 1 3 J P OC ~ OP T E X ．Me T 0 Ⅱ H e c K H e[ e K O Me H ~ a IL H H Ho y C T p O fl C T B y X O H C r p y l o ~ H ff l n o p o x x n o fl o Ⅱ e ) K 皿 b I(M O C T O B O r O H O H O T H a) c H C HO Hb 3 OB a HH e M H H T O r O a c qb a n b z o 6 e T o a a H a O C H O B e n o n r t Me p 6 nT y MH s l X B Ⅱ ) K y Ⅱ I Hx ． 2 0 0 3： 3 1—4 9． [ 4 ] Ⅱ ． B ． F e 3 e H K B e lti ， H． B ． r o p e n ~ m e s 。 A ． M． B o r y c n a B c i~i：t ， H ． B ． K o p o n e B - no 皿 p e Ⅱ ， J I ． B ． F e B e t t ~ B e a ． ,R o p o xn l , ~ a c a Ⅱ b T o 6 口o H- Tp a nc n o p r ． ． 1 9 8 5： 2 5 2—2 67 ． [ 5 ] 谭忆秋． 基于粘性流动沥青低温流变特性的研究与应用[ D ] ． 哈尔滨 ： 哈尔滨建筑大学 ， 1 9 9 9： 2 ． [ 6 ] 曹丽萍． S B S 改性沥青低温流变性能的研究[ D ] ． 哈尔滨 ： 哈 尔滨 工业大学 ， 2 0 0 4： 7 3— 7 4 ． [ 收稿日期] 2 0 1 0— 1 1 — 1 6 [ 作者简介] 关彦超( 1 9 8 2一) ， 男， 山西运城人。 工程师， 从事 道路 、 桥梁工程设计与研究工作。