TPS改性劑對高粘瀝青性能的影響

陳 瑤，譚憶秋，陳克群

(1.哈爾濱工業(yè)大學交通科學與工程學院，150090哈爾濱;2.黑龍江大學建筑工程學院，150080哈爾濱;3.貴州省高速公路管理局，550003貴陽)

隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展，交通量日益增大，對路面的功能要求越來越高.開級配抗滑磨耗層(OGFC)是近年來在歐美、日本等地區(qū)得到較廣泛應(yīng)用的新型路面結(jié)構(gòu)［1］，由大孔隙瀝青混合料鋪筑、能迅速從其內(nèi)部排走路表雨水，具有抗滑、抗車轍及降噪功能，結(jié)構(gòu)排水能力較強.但其較大的空隙率導致空氣和雨水容易深入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，故混合料應(yīng)具有足夠的強度、耐久性及出色的抗水損害性能［2］.現(xiàn)有研究表明影響OGFC路用性能的關(guān)鍵指標是瀝青的60℃黏度［3－8］，隨著瀝青60℃黏度的增大，混合料的強度和水穩(wěn)定性將顯著增加，因此高粘瀝青［9］的應(yīng)用尤為重要.TPS是日本近年來針對排水性瀝青路面開發(fā)出的高粘瀝青改性劑.目前已在我國南方多省市的橋面及機場道面鋪裝工程中推廣，并取得較好的應(yīng)用效果［10-11］.但由于我國南北方地域特點及基質(zhì)瀝青多源屬的現(xiàn)象，常導致使用同種改性劑制備的改性瀝青性能差異較大.鑒于此，本文從上述角度出發(fā)，并以改性瀝青的60℃動力黏度［9］為主要指標，同時測定材料物理指標的變化規(guī)律，研究TPS摻量對改性瀝青性能的影響及對2種不同油源基質(zhì)瀝青的改性效果.

1 原材料性質(zhì)及制備工藝

2種不同油源的90#重交基質(zhì)瀝青:A－90、B－90，4組分組成如表1.

表1 基質(zhì)瀝青4組分質(zhì)量分數(shù) %

以熱塑性橡膠為主，配以粘結(jié)性樹脂和增塑劑及其他成分組成的改性產(chǎn)品.

將基質(zhì)瀝青加熱到(175±5)℃，加入TPS，利用高速剪切乳化機以2000r/min的轉(zhuǎn)速，低速恒溫剪切10min，再以5000r/min的轉(zhuǎn)速高速剪切45min.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 60℃動力黏度

按照瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程的規(guī)定，用真空減壓毛細管法測定不同TPS摻量的60℃動力黏度，以評價TPS與不同油源基質(zhì)瀝青的配伍性能，測試結(jié)果如圖1所示.

圖1 動力黏度變化曲線

分析圖1中試驗結(jié)果可知:對于兩種不同油源的基質(zhì)瀝青，隨著TPS摻量的增加，改性瀝青膠結(jié)料的60℃動力黏度均呈逐漸遞增的趨勢.當改性劑摻量固定時，TPS與B瀝青的配伍性明顯優(yōu)于A瀝青，但當TPS的摻量(質(zhì)量分數(shù))小于等于10%時，此時隨著劑量的增加，改性瀝青膠結(jié)料的黏度雖呈穩(wěn)步增長的趨勢，但距離高粘瀝青的最低要求相差較遠，可見即使TPS與基質(zhì)瀝青的配伍性較好，若要制備合格的高粘瀝青，需達到一定的門檻值摻量方能使改性瀝青膠結(jié)料的黏度達到規(guī)范要求;當TPS質(zhì)量分數(shù)＞10%后，B改性瀝青膠結(jié)料的動力黏度迅速增加.質(zhì)量分數(shù)為14%時，動力黏度為26060Pa·s，達到規(guī)范中的黏度要求;質(zhì)量分數(shù)為16%時，黏度迅速增加至82656Pa·s，此時A改性瀝青膠結(jié)料的動力黏度最高為16230Pa·s，仍未達到規(guī)范要求.這種差異應(yīng)與基質(zhì)瀝青的組分組成有較大關(guān)系.對比A、B基質(zhì)瀝青的4組分組成，二者的輕質(zhì)組分和膠質(zhì)的含量相當，而B瀝青中瀝青質(zhì)的質(zhì)量約是A瀝青的2倍.可見基質(zhì)瀝青的瀝青質(zhì)含量越高，越有助于提高TPS與基質(zhì)瀝青的配伍效果，改性瀝青的60℃黏度將越大.故在制備高粘改性瀝青時，應(yīng)對基質(zhì)瀝青進行優(yōu)選，以達到改性劑用量較小，改性瀝青性能較優(yōu)的目的.

2.2 物理性能

依據(jù)瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程規(guī)定的試驗方法，分別測試改性瀝青的軟化點、延度、針入度、針入度指數(shù)、當量軟化點、當量脆點、塑性溫度范圍及彈性恢復(fù)能力.

2.2.1 軟化點

不同TPS摻量的改性瀝青軟化點測試結(jié)果如圖2所示.試驗結(jié)果表明:對于A、B不同油源的基質(zhì)瀝青，摻加不同劑量的TPS，改性瀝青膠結(jié)料的軟化點均隨改性劑摻量的增加而增長，高溫性能將得到不同程度的改善.當TPS質(zhì)量分數(shù)小于8%時，此時膠結(jié)料的高溫性能雖有一定提高，但與基質(zhì)瀝青相比，提高幅度較小;當摻量為8%時，兩種瀝青膠結(jié)料的軟化點均呈現(xiàn)快速增長的趨勢，A－90軟化點提高55.8%、B－90軟化點提高70.9%;當質(zhì)量分數(shù)大于12%時，軟化點均達到90℃以上，高溫性能改善顯著.

圖2 軟化點變化曲線

2.2.2 針入度及針入度指數(shù)

不同TPS摻量的改性瀝青分別在15、25、30℃時的針入度、針入度指數(shù)測試結(jié)果如圖3、4所示.

圖3 針入度變化曲線

圖4 針入度指數(shù)變化曲線

由圖3可知，對于A、B不同油源的基質(zhì)瀝青，TPS加入后膠結(jié)料在3個溫度下的針入度與原基質(zhì)瀝青相比均呈不同程度的下降趨勢，并且隨著改性劑摻量的增加，同一溫度條件下的針入度將逐漸減小，瀝青的硬度增大.

由圖4可知，隨著TPS的加入，改性瀝青膠結(jié)料的針入度指數(shù)將呈逐漸增大的趨勢，摻量較高時針入度指數(shù)也較大，表明膠結(jié)料的感溫性得到改善，高溫性能得到增強，但并不是隨著改性劑的增加而不斷加強.由測試結(jié)果可知，對于A瀝青，當改性劑的質(zhì)量分數(shù)為14%時，膠結(jié)料的針入度指數(shù)達到最大值0.87;對于B瀝青，當質(zhì)量分數(shù)為12%時，針入度指數(shù)達到最大值1.72，可見TPS與B瀝青的配伍性較好，改性瀝青膠結(jié)料的感溫性能大幅度地改善.

2.2.3 當量軟化點、當量脆點、塑性溫度范圍

根據(jù)前述針入度指數(shù)測試結(jié)果，進一步分析TPS改性瀝青當量軟化點、當量脆點、塑性溫度范圍等指標的變化趨勢，如圖5～7所示.

圖5 當量軟化點變化曲線

綜合分析上述試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)隨著TPS的摻加，A、B基質(zhì)瀝青的高低溫性能均得到不同程度地改善，高溫性能方面，隨著改性劑摻量的增加，兩種改性瀝青的當量軟化點均呈逐漸提升的趨勢，表明膠結(jié)料的高溫性能不斷提高，最終趨于穩(wěn)定;低溫性能與之相反，隨著改性劑摻量的增加，兩種改性瀝青的當量脆點大體呈逐漸降低的趨勢，當達到最佳摻量范圍時，脆點值將有一定幅度的回升，但總體趨勢表明膠結(jié)料的低溫抗開裂性能得到了改善;塑性溫度范圍的不斷增大，亦表明膠結(jié)料的高低溫性能得到有效提升，根據(jù)其規(guī)律曲線可知，將改性劑的摻量控制在合理范圍時，改性瀝青膠結(jié)料的高低溫性能能夠得到有效地兼顧.

圖6 當量脆點變化曲線

圖7 塑性溫度變化曲線

2.2.4 低溫延度

5℃時不同TPS摻量的改性瀝青低溫延度測試結(jié)果，如圖8所示.對A、B不同油源的基質(zhì)瀝青，隨著TPS的摻入，兩類改性瀝青膠結(jié)料的低溫延度變化趨勢基本一致，當改性劑質(zhì)量分數(shù)＜8%時，隨著TPS的增加，延度值呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢，低溫性能得到一定的改善;當質(zhì)量分數(shù)為8%時，無論A瀝青還是B瀝青，膠結(jié)料的低溫延度在該點均達到峰值;當質(zhì)量分數(shù)＞8%時，低溫延度值將先下降，而隨著改性劑摻量的增加，又逐漸呈增長的趨勢.總體而言，膠結(jié)料的低溫抗塑性變形能力得到了較大幅度地改善.究其原因，由于TPS本身是一種熱塑性彈性體，當其受熱融融于熱瀝青中，將隨著摻量的增加而逐漸形成交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).但當摻量較小時，網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)未能有效形成，此時基質(zhì)瀝青相當于連續(xù)相，TPS相當于分散相分散在瀝青介質(zhì)中;當TPS的摻量進一步增加，達到網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的臨界狀態(tài)時，此時對膠結(jié)料的低溫性能影響較為顯著;而隨著改性劑摻量的繼續(xù)增長，膠結(jié)料的相分散狀態(tài)將發(fā)生變化，網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)將逐步增強，TPS由初始的分散相狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)相狀態(tài)，而瀝青則作為分散相分散于由TPS組成的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)中，從而造成臨界摻量后，膠結(jié)料的低溫延度呈先下降后增長的趨勢.

圖8 延度變化曲線

2.4.5 彈性恢復(fù)性能

不同TPS摻量的改性瀝青膠結(jié)料的彈性恢復(fù)性能測試結(jié)果，如圖9所示.對A、B不同油源的基質(zhì)瀝青，隨著TPS的加入，改性瀝青膠結(jié)料的彈性恢復(fù)率均有大幅提升，可見摻量越高，彈性恢復(fù)能力越強.當質(zhì)量分數(shù)＞8%時，2類改性瀝青在規(guī)定溫度下均能100%恢復(fù).可見，TPS的摻入，能夠有效提高改性瀝青膠結(jié)料中彈性成分所占的比例，這對提升材料的自愈性能具有一定的積極意義.

圖9 彈性恢復(fù)性能變化曲線

3 結(jié)論

1)TPS是以熱塑性橡膠為主，適當添加其他成分而制成的改性材料.利用它制作高粘改性瀝青，首先應(yīng)當注意基質(zhì)瀝青的優(yōu)選.基質(zhì)瀝青的瀝青質(zhì)含量相對較高時，對改性瀝青60℃黏度的提升作用較大，二者的配伍性較好.

2)TPS改性瀝青膠結(jié)料的60℃動力黏度若要滿足高粘瀝青的技術(shù)標準，需注意達到一定的門檻值摻量.當TPS與基質(zhì)瀝青的配伍性較好時，推薦TPS的最佳摻量(質(zhì)量分數(shù))為14% ～16%，可達到國標要求.

3)TPS改性瀝青具有黏度高、高溫穩(wěn)定性和低溫抗開裂性能好、溫度敏感性低等優(yōu)良性能.隨著TPS摻量的增加，瀝青結(jié)合料的針入度指數(shù)顯著增大，軟化點及當量軟化點升高，當量脆點逐漸降低，這對提升材料的高低溫性能具有積極作用.

4)添加TPS改性劑后，隨著摻量的增加，材料內(nèi)部的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會不斷增強，改性瀝青膠結(jié)料的低溫抗塑性變形能力將得到較大的提升，同時膠結(jié)料的彈性成分所占比例將大幅提高，使得改性瀝青的自愈性能逐漸增強.

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