1.1.1 基质沥青

本试验选用的基质沥青原料为SBS改性沥青, 对所取的沥青样品按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行了基本指标测试结果, 其结果如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 SBS改性沥青检测结果 Table 1 SBS modified asphalt test results 检测项目 SBS沥青要求 试验结果 针入度(25 ℃)/0.1 mm 60~80 70.00 延度(5 ℃)/cm 不小于30 43.00 软化点(环球法)/℃ 不小于55 65.00 运动黏度(135 ℃)/(Pa· s) 不大于3 1.425 闪点(COC)/℃ 不小于230 238.0 密度(15℃)/(g· cm-3) 实测 1.020 溶解度(三氯乙烯)/% 不小于99 99.90 离析(48 h软化点差)/℃ 不大于2.5 0.200 弹性恢复(25 ℃)/% 不小于65 100.0

表1 SBS改性沥青检测结果 Table 1 SBS modified asphalt test results

1.1.2 集料

试验中采用的集料为玄武岩, 经试验测定其质量符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ032-2000)中规定的沥青面层用粗集料质量要求集料要求。

1.1.3 橡胶粉

橡胶粉的目数对改性结果的影响很大, 经测定40目橡胶沥青针入度最大; 随着目数的增加软化点逐渐增加。目数的增加橡胶沥青的旋转黏度也逐渐增大, 综合分析橡胶粉为40目时对改性沥青影响最好。

1.1.4 火山灰

火山灰改性作用是将火山灰替代部分矿粉掺和而成的沥青混合料。其粒度小、比表面积大、孔隙发达, 使得火山灰与沥青有很好的润湿效果, 也因此提高了改性沥青胶浆的性能^[6]。

本文使用的火山灰平均粒径为486 nm, 比表面积为2.21 m²/g。

火山灰-SBS改性沥青胶浆的粉胶比为1.50:1, 其中火山灰掺和量为6%, SBS为3%。

橡胶粉-SBS复合改性沥青胶浆的粉胶比为1:1, 其中橡胶粉掺和量为18%, SBS为2%。

混合料级配类型:SBS改性沥青混合料为AC-13型; 火山灰-SBS复合改性沥青混合料为AC-13型; 橡胶粉-SBS复合改性沥青混合料为SMA-13型。

将有一定级配的热拌沥青混合料用摊铺机缓慢、均匀地摊铺在路基上, 并按照初压、复压、终压三个阶段进行碾压。制作过程按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ032-2000)的要求进行。

待混合料路面成型后, 从中切取出部分混合料, 然后用切石机切割制成尺寸为10 mm× 10 mm× 30 mm的试样备用。

对于含有橡胶粉的改性沥青而言, 传统的技术指标如针入度、延度等并不适用^[7]。因此本文通过采用多种温度压缩对比的方法分析压缩过程中各种改性剂相互作用机理。

压缩试验采用由美国INSTRON公司生产的INSTRON 5982复合材料试验机, 此试验机可根据所需设定压缩环境温度, 试验温度为-60~250 ℃, 试验环境包括低温干态、室温干态、高温湿态等。

将上述试验中制成的试样置入试验机中, 并分别调节温度为40、25、20、0、-20、-40 ℃, 其中温度箱的温度调节为降温通过液氮进行, 升温通过加热电阻丝进行。待温度稳定后, 进行压缩, 其中压缩速率为2 mm/min。

为了说明改性沥青混合料中改性剂的分布状况, 以及改性剂与沥青之间的相互作用机理, 采用扫描电子显微镜(SEM)对样品进行表征。

本实验采用的SEM是由FEI公司生产的XL-30场发射环境扫描电镜。

2.1.1 SBS对沥青的改性作用

SBS易于吸收沥青中的饱和分并发生溶胀, 溶胀后的SBS极性接近于胶质。SBS与沥青组分相容性改变了沥青组分分布, 从而影响了沥青的相态转变。

SBS能通过聚苯乙烯和聚丁二烯的聚集在沥青中形成一种三维结构^[8]。这种三维结构在沥青中分散, 聚苯乙烯链段使得沥青的强度增大, 而聚丁二烯链段又能提高沥青的拉伸性能和弹性性能, 因此SBS的加入增强了沥青的高低温性能和混合料的稳定性。

2.1.2 橡胶对SBS沥青的改性作用

在橡胶粉改性沥青中, 橡胶颗粒的作用是吸收沥青中轻质油分而溶胀。因此在加入橡胶粉后, 沥青轻组分含量相对减少, 沥青胶体结子油类物质, 使得橡胶颗粒会有不同程度构向溶-凝胶结构发育, 从而改善沥青的感温性^[9]。但沥青组分对聚合物粒子的溶胀和聚合物粒子对沥青组分的吸附是一个动态过程。这种动态过程影响了SBS的分布和聚苯乙烯、聚丁二烯的集聚, 从而在一定程度上破坏了SBS的三维网状结构。

图1是橡胶粉颗粒的扫描电镜图, 可以看出橡胶颗粒表面是粗糙且多空隙的。当橡胶颗粒与SBS改性沥青充分混合后, 少量的橡胶颗粒吸收了SBS改性沥青中多余的油类物质组分, 使得沥青向溶-凝胶结构转变。这类沥青的特点是在变形的最初阶段表现出非常明显的弹性效应, 但在变形增加至一定数值后, 又表现出一定程度的黏性流动, 黏度随剪应力的增加而减小, 是一种具有黏-弹特性的伪塑性体^[10]。

图1

Fig.1

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	图1 橡胶颗粒扫描电镜照片Fig.1 SEM photos of Rubber particles

图2

Fig.2

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	图2 橡胶粉-SBS复合改性沥青混合料扫描电镜照片Fig.2 SEM photos of rubber powder and SBS composite modified asphalt mixture

图2中标号1的是橡胶粉-SBS复合改性沥青胶浆。可以看出橡胶颗粒完全溶胀并与SBS改性沥青形成一个黏度很大的连续相体系。溶胀后的橡胶颗粒由原来的紧密结构变成相对疏松的絮状结构^[11], 并较为均匀地分散在沥青中。这种橡胶与SBS和沥青没有发生化学反应, 只是简单的物理改性过程^{[12, 13]}, 从结构上改变了沥青胶浆的性能。在室温时当有外载荷的作用下, 橡胶颗粒具有一定程度的弹性性质, SBS在沥青中的三维网状结构起支撑作用, 能够提升沥青混合料的抗车辙能力和抗压能力。

2.1.3 火山灰对SBS沥青的改性作用

由图3可以看出, 火山灰具有较大的表面粗糙程度和比表面积, 并且有发达的间隙空隙, 这使得沥青对火山灰的浸润更加充分, 润湿效果更好。填料表面越粗糙, 沥青在其表面的润湿效果越好^[14]。

图3

Fig.3

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	图3 火山灰的扫描电镜照片Fig.3 SEM photos of the ash

火山灰中含有大量的碱性离子, 如Ca²⁺、Mg²⁺和Fe³⁺等, 这些碱性离子会与沥青中的沥青酸和沥青酸酐发生反应^[15]。沥青中的胶质和沥青质中含有大量的沥青酸和沥青酸酐。当火山灰与沥青相互接触时, 这些碱性离子会与沥青中的沥青酸和沥青酸酐发生反应。反应式为:

Mⁿ⁺+R-COOH→ H₂↑ +(R-COO)_nM

火山灰的物理结构和火山灰与沥青之间的化学反应使得火山灰与沥青有很好的吸附作用。因此, 火山灰改性沥青有很好的高温稳定性和水稳定性。

图4为火山灰-SBS复合改性沥青胶浆的扫描电镜照片, 图片中的凸起即为火山灰颗粒, 可以看出, 火山灰在沥青中是均匀分布的, 且火山灰颗粒与沥青的界面在照片中不明显, 可以说明火山灰与沥青的润湿情况良好。沥青与填料表面粘结牢固的先决条件是沥青能很好地润湿填料表面, 这也是沥青胶浆性能良好的前提条件。

图5为经-40 ℃压缩的火山灰-SBS改性沥青混合料试样的扫描电镜照片, 可以看出经过低温压缩后, 火山灰颗粒没有出现偏聚现象和剥落现象, 且火山灰与SBS改性沥青的界面不明显, 可以说明火山灰与沥青有很好的润湿效果。

图4

Fig.4

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	图4 火山灰-SBS复合改性沥青胶浆扫描电镜照片Fig.4 SEM photos of Ash-SBS composite modified asphalt mortar

图5

Fig.5

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	图5 火山灰-SBS复合改性沥青混合料扫描电镜照片Fig.5 SEM photos of ash-SBS composite modified asphalt mixture

与普通压缩仪器相比, INSTRON 5982复合材料试验机有温度箱、夹具工装和引伸计, 可以实现在非常温环境下对试样温度的精确控制。

图6

Fig.6

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	图6 沥青样品压缩试验结果Fig.6 Asphalt samples compression test results

压缩结果见图6。其中SBS改性沥青混合料试样名称为SBS, 橡胶粉-SBS复合改性沥青混合料试样名称为橡胶, 火山灰-SBS复合改性沥青混合料试样名称为火山灰。

由图7所示的压缩试验结果可以看出, 在25 ℃时, 橡胶颗粒的填入明显提高了改性沥青混合料的压缩性能, 而在低温时, 其压缩性能不如SBS改性沥青, 这是由于橡胶颗粒在溶胀后膨胀剧烈, 可膨胀3到5倍, 体积可占到胶浆体积的30%到40%。混合料的低温开裂现象主要是因为沥青胶浆收缩剧烈, 而在橡胶粉改性沥青中, 橡胶粉颗粒的收缩程度低于沥青的收缩程度, 这使得含有橡胶粉的沥青胶浆的收缩减小, 因此橡胶对沥青的低温性能有改善作用。但在SBS改性沥青中, 由于有SBS三维骨架的存在, 大幅度的减小了沥青胶浆的收缩, 而溶胀后的橡胶收缩起到了主导因素, 使得含有橡胶粉的SBS改性沥青胶浆的收缩程度大于SBS改性沥青胶浆, 因此在低温环境下橡胶粉与SBS复合改性的沥青结合强度不如SBS改性沥青效果好, 而且低温压缩强度也略低

图7

Fig.7

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	图7 25 ℃三种混合料压缩应力应变曲线Fig.7 Three kinds of mixture compression stress strain curve in 25 ℃

于SBS改性沥青, 由于收缩程度较大, 在加载过程中试样内部会出现应力集中。当温度进一步降低时, 由于收缩更为剧烈导致变形更不均匀, 如图8、9所示, 并且在-40 ℃时, 应力集中导致裂纹扩展, 压缩出现碎裂现象, 如图10所示。

图8

Fig.8

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	图8 -20 ℃三种混合料压缩应力应变曲线Fig.8 Three kinds of mixture compression stress strain curve in -20 ℃

图9

Fig.9

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	图9 -40 ℃三种混合料压缩应力应变曲线Fig.9 Three kinds of mixture compression stress strain curve in -40 ℃

图10

Fig.10

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	图10 三种混合料在-40 ℃时压缩后的宏观照片Fig.10 Three kinds of mixture compressed macro photo in -40 ℃

添加火山灰的试样虽然在-20 ℃时并没有提高压缩性能, 但由于火山灰与沥青的充分润湿, 使得试样在载荷的作用下变形变得较为均匀, 如图7、8所示。在-40 ℃时, 火山灰-SBS复合改性沥青混合料有较好的抗压缩性, 压缩强度提高了20%, 并且在低温压缩过程中, 没有出现两种试样中的碎裂现象, 而是“ 裂而不碎” 的, 如图10所示。

这是因为火山灰颗粒尺寸较小, 平均粒径为486 nm, 而且火山灰为多孔隙结构, 有较大的比表面积。根据复合材料颗粒增强原理, 颗粒尺寸越小, 体积分数越高, 颗粒对复合材料的增强效果越好。

在0 ℃到-20 ℃这个温度范围内, 火山灰改性SBS沥青混合料的压缩强度不如SBS改性沥青混合料的原因可能是在压缩过程中, SBS在沥青胶浆中形成的三维骨架在抗压缩中起支撑作用是主要因素。而火山灰中具有高反应活性的硫元素会夺取聚合物链上的氢原子, 而失去氢原子的聚合物会耦合形成交联键。

其反应方程式^[16]为

因此硫元素会破坏SBS的三围网状结构而失去在沥青中的骨架支撑作用。所以在火山灰-SBS复合改性沥青混合料中, 抗压缩性能的好坏是火山灰颗粒在沥青胶浆中起主导作用的结果。

在-40 ℃时火山灰-SBS改性沥青混合料较好的抗压缩性由于是在低温环境下, 在沥青胶浆受力作用时沥青的收缩较大而火山灰很小, 这种不同步使得在火山灰与沥青的界面处会产生应力集中, 这样外力产生的剪切力和自身的吸附相互作用会消耗很多的能量, 减少了沥青胶浆的收缩, 从而改善了混合料在低温下的压缩性能。