DOA/SBS复合改性沥青及其混合料路用性能研究

DOA/SBS复合改性沥青及其混合料路用性能研究

黄垭

中国建筑第八工程局西南公司重庆分公司，重庆， 401120

摘要：考察了DOA性能和复合改性沥青性能的关联性，探讨DOA/SBS复合改性沥青用于浇注式沥青混合料GA和SMA的可行性，评价了钢桥面铺装组合结构“GA+SMA”的综合性能。试验结果表明，DOA的性能直接影响复合改性沥青的性能，DOA的常规性能指标、蜡含量和组分分布对复合改性沥青性能影响较大；DOA/SBS复合改性沥青浇注式沥青混合料GA和SMA路用性能良好，铺装组合结构具有良好的综合性能，特别是高温性能尤为突出。DOA应用于钢桥面铺装材料在技术上及经济上均具有可行性。

关键词：DOA/SBS复合改性沥青；浇注式沥青混合料；SMA；铺装组合结构；路用性能

引言

脱油沥青（DOA）是渣油溶剂脱沥青过程中的副产物，主要成分为胶质、沥青质及少量油分，其软化点高、粘度大、针入度低。在我国DOA主要用来生产重质燃料油，但该做法未充分发挥其自身的优点，也不环保。生产道路沥青是一个行之有效的利用途径，有利于改善改性沥青的高温性能。同时，DOA的价格低于基质沥青的价格，更远低于聚合物改性剂的价格，因而，开发DOA复合改性沥青能够在很大程度上降低改性沥青的原料成本，其经济效益和社会效益明显。SBS改性沥青是目前应用最广的道路沥青，与DOA复合改性道路沥青具有良好的路用性能，然而，有关这方面的研究相对较少且不全面。

随着我国经济的持续发展，新建钢结构桥梁越来越多，项目规模不断扩大，桥面铺装市场需求量已呈急剧增长趋势。目前形成了三种典型铺装方案：①双层环氧沥青混合料结构，②浇注式沥青混合料GA＋SMA结构，③双层SMA结构。近年来，经过大量实体工程应用，GA+SMA已成为我国钢桥面主流铺装方案。GA和SMA用沥青胶结料需要加入大量改性剂，生产成本高，生产工艺复杂。为降低其生产成本，提高生产效率，本研究拟将DOA与SBS按一定掺量复合制备改性沥青，考察DOA性能和复合改性沥青性能的关联性，研究DOA/SBS复合改性沥青GA和SMA的路用性能，并论证DOA应用于钢桥面铺装结构的可行性。

一、实验部分

（一）试验原材料

原油来源及炼油工艺的不同，会造成DOA的性能有所差异，选取4种不同产地的DOA，主要性能指标见表1；基质沥青为韩国SK-70#道路沥青，主要性能指标见表2。YH-791H SBS，工业级，线性结构，PS/PB=30/70。

表1 DOA的性能指标

表2 SK-70#道路沥青的性能指标

（二）DOA/SBS复合改性沥青制备

首先按常规工艺制备4% SBS改性沥青，然后在加热状态下外掺20%DOA，搅拌均匀后，185℃高速剪切1h，加入增延剂、稳定剂等添加剂，再175℃搅拌发育2h，即可制得DOA/SBS复合改性沥青。

（三）性能评价

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规范（JTG E20-2011）》和《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》进行性能评价试验。

二、结果与讨论

（一）DOA性能评价

从表1可以看出，不同DOA的性质有所差异，但总体上都表现出软化点高、针入度低、延度低等特点，说明DOA粘度大、黏结性差、脆性大。这是由于DOA本身的组分导致的结果，从四组分数据可以看出DOA本身含有的重质组分（胶质和沥青质）较多，轻质组分（饱和分和芳香分）较少。其中DOA1和DOA2的重质组分均超过60%，另外两种也在50%以上，而基质沥青的重质组分低于40%，四组分含量的不同造成DOA和基质沥青的性能有较大差别。四种DOA的蜡含量较高，蜡的存在将对沥青的相关指标产生明显的影响。在利用DOA时，要考虑到其对沥青及沥青混合料性能的影响。

（二）DOA性能和复合改性沥青性能关联分析

采用以上四种DOA制备DOA/SBS复合改性沥青（制备工艺均相同），对其性能进行对比，结果见表3。

表3 DOA/SBS复合改性沥青性能指标

根据以上试验结果，简单分析DOA和其改性沥青的性能内在联系。DOA的掺入改变了沥青的组成，必将导致沥青的路用性能产生变化。DOA软化点、延度等常规性能指标较好的，制得的改性沥青性能一般较好。DOA1、DOA3和DOA3软化点高，制得的改性沥青G*/sin δ较大，高温抗车辙性能较好；DOA4延度大，制得的改性沥青低温延性较佳，但高温储存离析较严重。还可以看出，DOA的蜡含量和组分分布对改性沥青的性能影响较大，影响也较为复杂。DOA1和DOA4蜡含量较高，改性沥青老化后针入度及延度下降较大；沥青质含量相对较高的DOA2和DOA4制得的改性沥青易离析。从残留针入度比可知，DOA3/SBS复合改性沥青还具有良好的抗老化性能。不同改性沥青的性能还需从混合料和路面结构来分析，在此，本文选择DOA3作下一步研究。

（三）DOA/SBS复合改性沥青浇注式沥青混合料GA10性能

浇注式沥青混合料GA的施工温度高达240℃，在此温度下沥青材料更易老化，要求沥青具有良好的抗老化性^{Error: Reference source not found}；GA中沥青含量高，导致其高温稳定性较差，要求沥青具有良好的高温稳定性。由上述结论可知，DOA/SBS复合改性沥青兼具优良的高温性能和抗老化性能。

选择DOA/SBS复合改性沥青和普通SBS改性沥青，干净、坚硬、耐磨的玄武岩集料。配合比为5mm~10mm：34%，3mm~5mm：10%，0mm~3mm：30%，矿粉：26%，以最佳油石比8.0%拌制浇注式沥青混合料GA10。测试GA10的流动性、高温性能和低温性能，试验结果见表4。

表4 DOA/SBS复合改性沥青GA10性能

由表4可知，DOA/SBS复合改性沥青GA10的流动性较差，和易性较差，这是DOA黏度较高造成的。混合料的60℃贯入度及贯入度增量明显下降，表明DOA能增强GA10的高温性能。DOA软化点高，能提高改性沥青的软化点，进而增强混合料的高温性能。但DOA对GA10的低温性能有消极影响，这是由于DOA本身的低温延性较差造成的。综合来看，DOA对GA10的高温性能有利，但对其流动性和低温性能不利。

（四）DOA/SBS复合改性沥青SMA性能评价

SMA13配合比为10mm~15mm：45%，5mm~10mm：28%，3mm~5mm：6%，0mm~3mm：11%，矿粉：10%，聚酯纤维：0.25%，最佳油石比为5.8%；SMA10配合比为5mm~10mm：64%，3mm~5mm：4%，0mm~3mm：24%，矿粉：8%，聚酯纤维：0.25%，最佳油石比为6.0%。拌制DOA/SBS复合改性沥青SMA13和SMA10，分别测试其路用性能，试验结果见表5。

表5 DOA/SBS复合改性沥青SMA性能

由上述结果可知，相比于普通SMA沥青混合料，DOA/SBS复合改性沥青SMA具有更好的高温稳定性，但低温抗裂性和水稳定性都有不同程度的下降。整体来看，其路用性能良好，满足规范要求，且高温性能尤为优异。

（五）DOA/SBS复合改性沥青混合料铺装组合结构性能

“浇注式沥青混合料GA+改性沥青SMA”是我国目前广泛采用的钢桥面铺装结构，即下面层采用抗变形能力较好的浇注式沥青混合料GA，上面层则采用抗车辙性能更好、抗滑性能优良的改性沥青SMA^{Error: Reference source not found}。研究四种铺装结构，铺装结构1：GA10+SMA10；铺装结构2：GA10+SMA13；铺装结构3：GA10+SMA10；铺装结构4：GA10+SMA13，其中铺装结构1、2采用DOA/SBS复合改性沥青，铺装结构3、4采用普通SBS改性沥青。铺装层厚度35mm+35mm，按“铺装下层—黏结层—铺装上层”的顺序成型试件，GA采用自流平成型，SMA采用轮碾成型。

1.界面粘结性能

采用拉拔试验和剪切试验方法，分别测试25℃、40℃和60℃下铺装结构的界面粘结强度和界面剪切强度，试验结果见图1和图2。

图1 铺装结构界面粘结强度

图2 铺装结构界面剪切强度

从图1和图2可以看出，四种铺装结构均具有非常优异的层间粘接性能和抗剪切性能，铺装结构1、2的粘结强度和抗剪强度分别小于铺装结构3、4，即加入DOA后，铺装结构的层间结合强度略有下降，但影响并不明显。

2.高温稳定性

试验温度为60℃和70℃，1.0MPa重载下进行铺装组合结构车辙试验，试验结果见图3。

图3 铺装结构高温稳定性

可以看出，四种铺装结构在60℃下的动稳定度均大于5000次/mm，70℃下的动稳定度均大于2500次/mm，表明其具有优异的组合结构高温稳定性。其中铺装结构1的60℃和70℃动稳定度分别达到6300次/mm和3316次/mm，铺装结构2的60℃和70℃动稳定度分别达到6300次/mm和3500次/mm，相对铺装结构3、4高温稳定性更优。以上结果再次表明，DOA的掺入，提高了混合料的高温性能，铺装结构进而表明出更为优异的高温稳定性。

3.低温抗裂性

采用弯曲大梁试验评价铺装结构的低温抗裂性，试件尺寸300mm×100mm×50mm，试验温度-10℃，试验速度50mm/min，试验结果见表6。

表6 铺装结构低温大梁试验结果

由表6可知，四种铺装结构的抗弯应变均大于10000ɛμ，这表明铺装结构具有良好的低温抗裂性。组合结构1、2的抗弯应变低于组合结构3、4，这是由于DOA的掺入降低了混合料的低温性能，但铺装整体的变形性能和抗疲劳开裂能力依然表现良好。

4.疲劳耐久性

测试了不同组合结构的疲劳性能，试验条件：加载频率10Hz，温度15℃，偏正玄波，应变水平800ɛμ，以50%的初始劲度模量减少作为疲劳寿命的判断标准，试验结果见表7。

表7 铺装结构疲劳耐久性试验结果

通过表7的数据可以得出，铺装结构3、4的疲劳性能优于铺装结构1、2，这是由于DOA的掺入降低了混合料的疲劳性能，但依然具有优异的组合结构抗疲劳耐久性。还可以进一步看出，在疲劳次数超过100万次时出现的裂缝比较短，4种铺装结构出现的破坏面多出现在混凝土铺装层与防水黏结层之间，在层间出现了脱层破坏，这表明防水黏结层仍然是铺装结构的薄弱环节。

（六）DOA/SBS复合改性沥青经济性分析

基质沥青和DOA的市场价格分别约为3300元/t和2000元/t，SBS的市场价格约为15000元/吨，通过简单计算可知，DOA/SBS复合改性沥青的成本在3500元/吨~3600元/吨左右，相比传统的GA用聚合物复合改性沥青和SMA用高弹沥青，其成本明显降低。因此，DOA的掺入能有效降低原材料成本，经济效益明显，并提高生产效率。

三、结论

本文研究了DOA/SBS复合改性沥青及其混合料的路用性能，并评价了铺装组合结构“GA+SMA”的综合性能，主要取得了如下结论。

1、不同的DOA都表现出针入度和延度低、软化点高的特点，这是由于其本身重质组分含量高所导致。DOA对改性沥青的性能影响明显，掺入DOA会降低改性沥青的针入度和延度减小，增大软化点，有利于提高其高温性能，但对低温延性不利。

2、研究了DOA/SBS复合改性沥青GA10的路用性能，DOA的掺入降低了混合料的流动性和低温性能，提高了高温性能。考察了DOA/SBS复合改性沥青SMA的路用性能，DOA的掺入对SMA10和SMA13的高温稳定性有利，对其低温抗裂性和水稳定性不利。

3、评价了4种钢桥面铺装组合结构的路用性能，试验结果表明，DOA/SBS复合改性沥青混合料铺装组合结构“GA10+SMA10”及“GA10+SMA13”具有优良的层间粘结性能、低温性能及疲劳性能，其中高温性能尤为突出。

4、DOA应用于钢桥面铺装材料在技术上及经济上具有可行性，也为DOA的综合利用提供了新思路。