HM-I_SBS复合改性高模量沥青混合料性能研究.pdf
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1、2023No.3160上涵么材料与试验SHANGHAI HIGHWAYS-HM-I/SBS复合改性高模量沥青混合料性能研究般金海,王丽丽,高振华,仲光昇,苏磊,汤其锋(苏州三创路面工程有限公司,江苏苏州2 15 0 0 0)摘要:HM-I(复合高模量剂)/SBS复合改性沥青综合了高模量沥青与SBS改性沥青的优势,能显著提升混合料的高温性能。采用残留稳定试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试验、车辙试验、四点弯曲疲劳试验及动态模量试验,分析HM-I/SBS复合改性高模量沥青混合料的路用性能及动态力学性能,并与基质沥青+硬质沥青颗粒及HM-I/基质沥青所制备的混合料进行对比。结果表明,HM-I/SBS复合
2、改性高模量沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性、抗疲劳性能及动态模量值更为优异,且各项技术指标均满足高模量沥青混合料的需求。关键词:高模量;复合改性沥青;路用性能;动态模量引言高模量沥青混合料(Highmodulusadhesivecon-crete)是指于较高的设计温度范围内(9 0 10 0),在相同的压实条件下,具有较高强度、模量及稳定度的沥青混合料(1-3)。高模量沥青混合料具有优秀的抗车辙、抗疲劳和耐久特性,能有效提高沥青路面的整体承载能力,降低路面结构层的总体厚度,被认为是长寿命沥青路面研究的重要方向 4-5 。目前,高模量沥青混合料主要通过三种方式来制备:(1)采用低标号硬质
3、沥青,从而提高混合料的抗变形能力和模量水平;(2)通过添加湖沥青或岩沥青等天然沥青,对基质沥青进行调和改性,得到应用于高模量混合料的低针入度的改性沥青;(3)通过聚烯烃类为主的外掺剂,来提高混合料的模量水平,包括聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)等 6-8 然而,采用低标号硬质沥青或调和沥青生产的高模量混合料,其低温性能普遍较差。聚烯烃类外掺类高模量混合料也存在外掺剂质量不稳定、性价比差、混合料拌和工艺复杂等缺陷 。因此,采用SBS类聚合物改性剂等材料来改善高模量混合料的性能,是该领域的重要课题。本文提出了用复合高模量剂(HM-I)来实现SBS改性沥青的复合改性,并采用LL-DPE为原材料,其具有
4、较高增韧性,含有芳香芬的刚收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 3性基团,可增大沥青刚性。复合高模量剂中,还以多链聚烯烃的弹性剂为原材料,促使改性剂增大沥青的变形恢复。因此,复合高模量剂具有胶结作用、加筋作用及变形作用。本文采用HM-I/SBS复合改性沥青,开展了高模量沥青混合料的设计与验证,并与基质沥青+硬质沥青颗粒及基质沥青+HM-I两种改性方式进行了对比。1原材料本文采用的SBS改性沥青为成品沥青,南京某公司生产,SBS掺量为4%。选择基质沥青+硬质沥青颗粒(方案一)及基质沥青+HM-I(方案二)两种改性方式,与HM-I/SBS改性沥青(方案三)对比研究。其中,SBS改性沥青技术指标见表
5、1,复合高模量剂技术指标见表2。表1SBS改性沥青技术指标试验项目技术要求试验方法针人度(2 5,10 0 g,5s),0.1mm4070JTG E20-2011 T0604延度(5 cm/min,5),c m25JTG E20-2011T0605软化点(环球法),70JTGE20-2011T0606离析,软化点差,2.5JTG E20-2011 T0661质量损失,%0.5JTGE20-2011T0610RTFOT针入度比(2 5),%65JTG E20-2011 T0604试验延度(5 cm/min,5),c m15JTG E20-2011 T06052023No.3上海么路16 1SHA
6、NGHAIHWAYS材料与试验表2 复合高模量剂HM-I技术要求试验项目单位技术指标试验方法针入度(2 5 ,10 0 g,5 s)0.1 mm5GB/T4509软化点(环球法)110140GB/T4507灰分%1.0SH/T0029熔滴点100145ASTMD3954掺量%矿料质量的1 1.5%称重法2沥青混合料配合比设计本文采用LCPC设计方法,以丰度系数作为油石比控制指标,结合动态模量与空隙率作为关键参数,进行高模量沥青混合料级配设计。参考法国沥青混合料设计理念,在级配范围内优选一个级配,进行旋转压实,以确定混合料的压实特性。初选级配与初定油石比确定后,进行旋转压实试验,并检测试件动态模
7、量和空隙率。若动态模量和空隙率满足技术要求,则进行下一步的最佳油石比确定。最终优选级配见下图1。100级配上限级配下限设计级配80-(%)率豆-60-*-40-200-0.0750.150.30.61.182.364.759.513.216.0筛孔尺寸(mm)图1HMM-13级配设计图三种方案的沥青混合料配合比的设计温度参数、最佳油石比与空隙率指标见下表3 和表4。表3 沥青混合料配合比设计温度参数方案类型矿料温度/沥青温度/拌合温度/压实温度/方案一195180175170方案二190175170165方案三190170170160表4沥青混合料最佳油石比及体积参数混合料最佳油石比空隙率/%
8、方案一1.0%硬质沥青颗粒+3.2%基质沥青2.3方案二1.0%复合高模量剂+3.0%基质沥青2.1方案三1.0%复合高模量剂+3.0%改性沥青1.83路用性能与力学参数GB/T36143-2018道路用高模量抗疲劳沥青混合料中,关于高模量沥青混合料技术指标见表5。为进一步研究HM-I/SBS复合改性高模量沥青混合料的性能,开展了3 种沥青混合料的水稳定性、高温性能、低温性能、疲劳性能及动态力学参数的试验。表5 高模量沥青混合料技术指标要求混合料技术指标指标要求冻融劈裂强度比/%8060动稳定度/(次mm)4000-10低温弯曲破坏应变/82.0002308疲劳寿命/次10015动态模量(2
9、0 Hz,MPa)140003.1高温稳定性对三种方案的高模量沥青混合料进行6 0 车辙试验,试验结果如下图2 所示,14000:1357312000100009257(uu)800067786.00040002.0000方案1方案2方案3图2 不同类型混合料动稳定度沥青混合料高温稳定性指在荷载作用下抵抗永久变形的能力,是评价沥青混合料耐久性的重要指标。从上图2 可以看出,以SBS改性沥青+复合高模量剂的沥青混合料HMM-13的高温性能最优,动稳定度达到了13 5 7 3 次/mm,是方案一混合料的2 倍,方案二的2023No.3162上语么路材料与试验SHANGHAI HIGHWAYS1.4
10、7倍。HM-I/SBS复合改性沥青中的复合高模量剂经充分的溶胀与降解,与SBS分子相互交联,均匀分布于沥青之中,从而提高了沥青在高温条件下的黏度和高温性能。3.21低温抗裂性为评价混合料的低温性能,开展了3 种沥青混合料的低温弯曲试验(-10)。在最佳油石比的情况下,分别成型3 种混合料的车辙板试件,并将车辙板按规范要求,切割成长(2 5 0 2.0)mm、宽(3 0 2.0)mm、高(3 5 2.0)mm的小梁试件,跨径为(2 0 0 0.5)mm,试验温度为(-10 0.5),试验结果见表6 与图3。表6 不同类型混合料低温弯曲试验结果试件类型抗弯拉强度/MPa劲度模量/MPa破坏应变/u
11、8方案一6.933 7601845方案二6.0230371982方案三8.5943491997对于沥青混合料的低温抗裂性能,一般主要取决于其破坏时的变形能力、劲度模量和破坏强度。低温下的极限抗拉强度和应变越大,劲度模量越小,说明其低温抗裂性能越好。由图3 可知,与方案一的高模量沥青混合料相比,方案二的沥青混合料弯曲破坏应变6.00010劲度模量(MPa)9破坏应变(u&)5000抗弯拉强度(MPa)87400063.000542.000321000100方案1方案2方案图3 1低温弯曲试验结果增大,劲度模量减小,表明复合高模量剂中,芳香分基团的增韧作用提高了混合料的低温抗裂性能。与方案二的沥青
12、混合料相比,HM-I/SBS高模量沥青混合料的抗弯拉强度和弯曲破坏应变均增大,表明SBS的加人,进一步改善了高强密水混合料的低温性能。3.3水稳定性沥青混合料水损害是一种常见的病害,其形成原因有两种:一是铺装在汽车荷载的反复作用下,经水或冻融作用,水进人混合料空隙,沥青混合料形成孔隙水压力,使水分逐渐渗人到集料与沥青表面,降低集料与界面间的黏结力,从而使集料剥离,路面表现为松散、坑槽等病害。另一方面,沥青混合料自身的抗水损害性能低,此为出现水损害的内在因素。采用浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验,评价三种方案的高模量沥青混合料的水稳定性,试验结果如下表7 与表8 所示。由试验结果可知,方案二的沥青混
13、合料冻融劈裂强度比略低于方案一。整体来看,方案二和方案三的沥青混合料水稳定性要优于方案一。结果表明,复合增效剂中的高分子聚合物或改性沥青中的表7 不同胶结料的HMM-13浸水马歇尔试验结果混合料类型非条件稳定度/kN条件稳定度/kN残留稳定度MSO/%方案一16.5414.0685方案二16.7114.3686方案三17.5315.60892023No.3上海么晚16 3SHANGHACTAY材料与试验表8 不同胶结料的HMM-13冻融劈裂试验结果混合料类型非条件劈裂强度/MPa条件劈裂强度/MPa残留强度比TSRI%方案一1.451.1982方案二1.421.1781.8方案三1.761.4
14、683.2SBS聚合物,均改善了高强密水沥青混合料的抗水损害能力。3.4动态模量动态模量是描述沥青混合料动态应力一应变响应的一个重要参数,能较为真实地反映出沥青路面的实际工作状态。为对比不同胶结料制备的混合料在荷载作用下的动态响应,在15、10 Hz条件下,对三种高模量沥青混合料进行了动态模量试验,试验结果如下图4所示。相关文献 10 提出,在15,10 Hz的条件下,高模量沥青混合料的复数剪切模量要大于140 0 0 MPa的指标要求。由图4可知,高强密水沥青混合料的动态模200001861918000164821600014 66114000120001000080006000400020
15、000方案1方案2方案3图4不同方案类型的HMM-13混合料动态模量量均超过了140 0 0 MPa。H M-I/S BS 高模量沥青混合料的动稳定度达到了18 6 19 MPa,较比于方案一与方案二,分别提升了2 7%与13%。较高的动态模量保证了混合料在行车荷载,尤其是大交通量、高载重比的荷载作用下,变形能以弹性变形为主,降低了沥青塑性流动变形造成的车辙病害。3.5抗疲劳性能为对比三种高模量沥青混合料的抗疲劳特性,开展了3 种混合料在15、2 3 0 8条件下的四点弯曲疲劳试验,见图5。在最佳油石比条件下,轮碾成型图5 四点弯曲疲劳试验2023No.3164上语2 路材料与试SHANGHA
16、I HIGHWAYS-430mm300mm80mm的板型混合料试件,并将试件切割成长(3 8 0 5)mm、宽(6 3.5 5)mm、厚(5 0 5)mm的梁型试件。采用四点弯曲疲劳试验机,开展混合料疲劳性能验证。加载波形为半正矢波,加载频率为10Hz,每种混合料的有效试件不少于3 个,试验结果见图6。3.5E+0631832503.0E+062.5E+0621250002.0E+0615847401.5E+061.0E+065.0E+050.0E+00方案一方案二方案三图6 三种混合料疲劳试验结果从图6 可以看出,在15、2 3 0 8条件下,HM-I/SBS复合改性高模量沥青混合料的疲劳寿
17、命较比于基质沥青+硬质沥青颗粒,提升了10 1%;较比于HM-I/基质沥青复合改性,提升近5 0%。这是由于HM-I复合高模量剂与SBS共同作用,大幅度提升了混合料的弹性水平,提高了其抗疲劳开裂能力。4结语本文采用HM-I/SBS复合改性高模量沥青混合料与硬质沥青颗粒+基质沥青制备的高模量沥青混合料和HM-I+基质沥青混合料进行对比,主要结论如下:(1)HM-I/SBS复合改性高模量沥青混合料的高温性能优异,在6 0 条件下,动稳定度达到了13 0 0 0 次/mm,较比于其他两种方案,均有显著提升。且-10 低温抗弯曲应变接近2 0 0 0 8,满足技术指标要求。(2)HM-I/SBS复合改
18、性高模量沥青混合料的水稳定性良好,较比于其他两种方案,略有提升。15、10Hz条件下,动稳定度达到了18 6 19 MPa,较比于其他两种方案,分别提升了2 7%与13%。15、2 3 0 8条件下,疲劳寿命大于3 0 0 万次,大幅度提升了混合料的弹性水平。参考文献1刘朝晖,朱国虎,柳力,等.玄武岩纤维与高模量外掺剂复合增强沥青混合料性能 J.科学技术与工程,2 0 2 3,2 3(0 5):2147-2155.2杨景丽,孟会林,刘翠红,等.2 0 号沥青高模量沥青混合料碾压工艺研究 J.交通科技,2 0 2 3,No.316(01):5-9.3张晨晨,潘春梅,孙艺涵,等.胶粉/SBS复合改
19、性高模量沥青混合料性能研究 J.中国建材科技,2 0 2 2,3 1(0 6):6 5-6 8+3 3.4吴尧珍.高模量沥青添加剂对混合料路用性能的影响 J.交通世界,2 0 2 2,No.626(32):26-28.5张开贵,张播.基于荧光显微镜的高模量改性沥青相态研究J.市政技术,2 0 2 2,40(0 8):9 9-10 4+111.6丁敏,曾德勇.高模量改性沥青混合料动态力学特性研究J.科技创新与应用,2 0 2 1(0 3):17-2 2.7谢成,骆俊晖,刘豪斌,等.高模量沥青及沥青混合料性能研究J.公路,2 0 2 2,6 7(10):3 2-3 6.8崔鹏.硬质沥青对老化沥青及
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