SBR和RET復(fù)配改性瀝青的流變性能分析研究

王可

(河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467044)

1 引言

由于交通荷載的重型化和自然環(huán)境的日益嚴(yán)峻化使得道路工作者對(duì)路面材料的性能提出了更高的要求，瀝青作為路面鋪筑時(shí)的核心材料之一，具有十分重要的黏結(jié)與黏附作用，其性能與路面在服役期間的路用性能具有密切的關(guān)聯(lián)性。據(jù)研究顯示，瀝青材料對(duì)高溫抗車(chē)轍性能、抗疲勞破壞性能和抗低溫縮裂能力的貢獻(xiàn)率分別達(dá)到了29%、52%和87%。因此，全面地提升瀝青材料自身的路用性能具有顯著的必要性。

反應(yīng)型彈性體三元共聚物(Reactive Elastomeric Terpolymer,RET)被證實(shí)可作為瀝青的一種新型改性劑，其化學(xué)改性原理可達(dá)到永久改性瀝青的目的，從而賦予基質(zhì)瀝青良好的抗塑性變形的能力及優(yōu)異的存儲(chǔ)穩(wěn)定性能，但由于相關(guān)研究表明RET改性劑將會(huì)削弱瀝青的低溫性能，從而限制了其有效地推廣應(yīng)用。同時(shí)，丁苯橡膠(Styrene-Butadiene Rubber,SBR)改性劑具有明顯改善瀝青低溫延展性能的能力，但其對(duì)瀝青高溫性能的改善相對(duì)不足，從而難以在高溫地區(qū)推廣應(yīng)用。

針對(duì)RET和SBR改性劑在單一改性時(shí)的性能不足問(wèn)題，道路工作者提出采用改性劑的復(fù)配以結(jié)合兩種改性劑的性能優(yōu)勢(shì)，從而制備性能優(yōu)良的改性瀝青的方法和思路，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析論證了復(fù)配改性的可行性，以及分析了改性劑的復(fù)配對(duì)瀝青性能的提升效果。國(guó)外Singh Dharamveer采用雙刃缺口張力試驗(yàn)分析了SBR-RET改性瀝青的斷裂韌性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者復(fù)配具有顯著提升瀝青斷裂韌性的作用，此外，文獻(xiàn)[10-12]制備了SBR-RET復(fù)配改性瀝青，并采用流變學(xué)方法在確定改性劑最佳摻量的同時(shí)分析了二者改性瀝青的路用性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)配改性賦予了瀝青優(yōu)異的路用性能，其中RET在合適摻量時(shí)可達(dá)到SBS改性瀝青的性能標(biāo)準(zhǔn)。綜合研究發(fā)現(xiàn)，各改性瀝青的流變性能已經(jīng)成為道路研究者關(guān)注的問(wèn)題，流變性能的好壞直接關(guān)系瀝青路用性能優(yōu)劣，為此，該文在分析SBR和RET復(fù)配改性瀝青常規(guī)性能的基礎(chǔ)上，從流變學(xué)角度對(duì)比分析復(fù)配、單一和SBS改性瀝青在高、低溫下的流變性能，以期為SBR和RET復(fù)配改性瀝青的推廣應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

試驗(yàn)選擇70#基質(zhì)瀝青作為改性用基質(zhì)瀝青，試驗(yàn)時(shí)首先采用JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的相關(guān)方法對(duì)其基本性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。SBR1500顆粒的密度為1.017 g/cm3，揮發(fā)分含量為0.6%，總灰分含量為0.85%。反應(yīng)型RET熱塑性塑料顆粒為美國(guó)產(chǎn)，其性能指標(biāo)為密度0.982 g/cm3，熔融指數(shù)為3.6 g/(10 min)，熔點(diǎn)為109 ℃和凝固點(diǎn)為80 ℃。星型SBS改性劑，其嵌段比為3∶7。

表1 70#基質(zhì)瀝青基本性能指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分別制備了不同摻量的RET與SBR復(fù)配改性瀝青，同時(shí)以基質(zhì)瀝青、SBR改性瀝青、RET改性瀝青和SBS改性瀝青為對(duì)照組，以評(píng)價(jià)SBR和RET復(fù)配改性瀝青的流變性能。采用的試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案

2.3 改性瀝青制備方法

SBR改性瀝青的制備方法：首先將500 g70#基質(zhì)瀝青放置于烘箱中，使其加熱至160 ℃，然后將3%(占瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SBR改性劑加入基質(zhì)瀝青中，并借助螺旋槳葉輪攪拌器連續(xù)攪拌30 min，以使SBR改性劑充分溶脹，然后保持溫度不變，采用高速剪切乳化機(jī)在4 000 r/min轉(zhuǎn)速下持續(xù)剪切40 min，剪切完成后，將其在160 ℃烘箱中發(fā)育1 h，即可得到SBR改性瀝青。RET改性瀝青的制備方法和SBR改性瀝青的制備方法相同。

SBS改性瀝青的制備方法：首先將500 g70#基質(zhì)瀝青加熱至180 ℃，然后添加5%的SBS改性劑，并借助螺旋槳葉輪攪拌器攪拌30 min使其充分溶脹，然后采用高速剪切乳化機(jī)在轉(zhuǎn)速4 000 r/min和剪切溫度180 ℃條件下剪切1 h，剪切完成后將其放置于160 ℃烘箱中發(fā)育1 h，即可得到SBS改性瀝青。

SBR和RET復(fù)配改性瀝青的制備方法：在3%SBR改性瀝青制備完成的基礎(chǔ)上，添加設(shè)計(jì)用量的RET，并首先攪拌溶脹30 min，然后在160 ℃、剪切速率4 000 r/min條件下剪切30 min，剪切完成后，在160 ℃烘箱中發(fā)育1 h，完成SBR和RET復(fù)配改性瀝青的制備。

2.4 性能測(cè)試方法

常規(guī)性能指標(biāo)針入度、軟化點(diǎn)、5 ℃延度、60 ℃動(dòng)力黏度和135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度均依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的相關(guān)方法測(cè)試。

流變學(xué)性能測(cè)試采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)，測(cè)試時(shí)采用25 mm平行板轉(zhuǎn)軸，板間隙調(diào)整為1 mm。試驗(yàn)首先采用溫度掃描模式，以6 ℃溫度為間隔測(cè)試各改性瀝青在52～88 ℃的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ；其次采用重復(fù)蠕變恢復(fù)模式測(cè)試各改性瀝青在60 ℃時(shí)，應(yīng)力水平為0.1、3.2 kPa下的黏彈特性和高溫性能，重復(fù)蠕變恢復(fù)模式的加卸載特點(diǎn)為首先加載1 s，然后卸載9 s，共計(jì)進(jìn)行100次循環(huán)。

采用彎曲梁流變?cè)囼?yàn)(BBR)對(duì)各試樣的低溫流變性能進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)測(cè)定了各改性瀝青在-12、-18和-24 ℃下的低溫流變性能，采用蠕變勁度模量S和蠕變速率m作為各改性瀝青低溫流變性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，Superpave規(guī)范中規(guī)定蠕變勁度模量S的取值為S≤300 MPa，蠕變速率m的取值為m≥0.3。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 各改性瀝青的基本性能指標(biāo)分析

各改性瀝青的25 ℃針入度、軟化點(diǎn)、5 ℃延度、48 h熱存儲(chǔ)溫度差和135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度指標(biāo)如表3所示。

表3 各改性瀝青的常規(guī)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

由表3可知：① 各改性瀝青的高低溫性能較基質(zhì)瀝青明顯較高，且SBR和RET復(fù)配改性瀝青性能突出，其中，3%SBR+1.5%RET復(fù)配改性瀝青的高溫性能與4%SBS改性瀝青相當(dāng)，而低溫性能顯著高于4%SBS改性瀝青，且SBR和RET復(fù)配改性瀝青具有優(yōu)異的熱存儲(chǔ)穩(wěn)定性能；② RET改性劑的加入可顯著提高基質(zhì)瀝青的高溫性能，且隨其摻量的提高，高溫性能逐漸增強(qiáng)，同時(shí)RET改性劑的加入提高了瀝青的低溫性能，但RET改性劑摻量的提高不利于瀝青低溫性能的發(fā)揮。并且，RET改性瀝青具有優(yōu)異的熱存儲(chǔ)穩(wěn)定性，這可能是因?yàn)榉磻?yīng)型RET改性劑與瀝青發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，即對(duì)瀝青進(jìn)行了永久改性；③ SBR改性劑可賦予基質(zhì)瀝青優(yōu)異的低溫性能，3%SBR改性瀝青的5 ℃延度可達(dá)到62.5 cm，為基質(zhì)瀝青的34.7倍。綜上，SBR和RET改性劑復(fù)配可發(fā)揮各自性能優(yōu)勢(shì)而賦予基質(zhì)瀝青優(yōu)異的高低溫性能，這也同時(shí)從試驗(yàn)角度證實(shí)了SBR和RET改性劑進(jìn)行復(fù)配而制備改性瀝青的可行性。

3.2 SBR和RET復(fù)配改性瀝青的高溫流變性能

3.2.1 溫度掃描試驗(yàn)

試驗(yàn)借助于動(dòng)態(tài)剪切流變儀中的溫度掃描和不可恢復(fù)蠕變(MSCR)模塊，分別測(cè)試了各改性瀝青在經(jīng)歷短期老化前后的復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢腿渥兓謴?fù)率指標(biāo)，以分析SBR和RET復(fù)配改性瀝青的高溫流變性能。各原樣瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ、車(chē)轍因子G*/sinδ結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知：隨掃描溫度的提高，基質(zhì)瀝青及各改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*首先迅速減小而后緩慢減小，相位角δ緩慢上升，車(chē)轍因子G*/sinδ首先迅速減小而后緩慢減小，這與目前針對(duì)瀝青高溫流變性能的研究結(jié)果相一致。此種現(xiàn)象表明瀝青在較低溫時(shí)具有較高的抗車(chē)轍性能，隨溫度的升高，具有黏彈性性質(zhì)的瀝青中彈性成分逐漸減少，黏性成分逐漸增多，從而導(dǎo)致瀝青抗車(chē)轍性能的衰減；② 改性劑的加入明顯改善了瀝青在整個(gè)溫度區(qū)間的彈性恢復(fù)能力及抗車(chē)轍性能，其中3%SBR+1.5%RET改性瀝青的彈性性能和抵抗車(chē)轍能力優(yōu)于4%SBS改性瀝青，且復(fù)配型的改性瀝青高溫性能高于單一改性劑改性瀝青，7種改性瀝青在整個(gè)溫度區(qū)間的彈性性能和抗車(chē)轍性能按從大到小排序?yàn)椋?%SBR+1.5%RET>4%SBS>3%SBR+1%RET>1.5%RET>3%SBR>1%RET>MA。

中、高溫范圍內(nèi)的瀝青溫度敏感性與其抗變形能力密切相關(guān)。相關(guān)研究表明：可采用對(duì)存儲(chǔ)模量G′的對(duì)數(shù)值lgG′與掃描溫度T進(jìn)行線性回歸而得到回歸直線斜率K(lgG′=KT+C，C為常數(shù))，并采用K對(duì)瀝青溫度敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，K的絕對(duì)值越小，表明瀝青試樣的溫度敏感性越低，即熱穩(wěn)定性越好。各瀝青試樣的K值計(jì)算結(jié)果如表4所示。

圖1 原樣瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ和車(chē)轍因子G*/sinδ隨掃描溫度的變化

表4 各瀝青試樣的回歸直線斜率K和相關(guān)系數(shù)R2

由表4可看出：① 各改性瀝青對(duì)溫度的敏感程度明顯低于基質(zhì)瀝青，其中3%SBR和1.5%RET復(fù)配改性瀝青的熱穩(wěn)定性高于4%SBS，從而具有最優(yōu)的熱穩(wěn)定性；② 增加RET摻量可有效提升改性瀝青的熱穩(wěn)定性，且SBR和RET復(fù)配改性效果明顯優(yōu)于單一改性。因此，在日夜溫差變化大、天氣劇烈變化的區(qū)域，SBR/RET復(fù)配改性瀝青能夠更好地抵抗變形、預(yù)防溫差引起的路面疲勞開(kāi)裂現(xiàn)象。

3.2.2 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)

由于60 ℃是中國(guó)大多數(shù)地區(qū)夏季瀝青路面出現(xiàn)的高溫值，此次試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)中的蠕變恢復(fù)模塊(MSCR)在64 ℃的試驗(yàn)條件下對(duì)各原樣瀝青的蠕變恢復(fù)率R和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅進(jìn)行測(cè)定，以評(píng)定各瀝青的延遲黏彈特性和高溫抗永久變形能力。各原樣瀝青在剪切應(yīng)力水平為0.1 kPa和3.2 kPa條件下的蠕變恢復(fù)率R0.1和R3.2以及不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅0.1和J3.2結(jié)果如圖2所示。

圖2 各改性瀝青的蠕變恢復(fù)率R和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅

由圖2可知：3%SBR+1.5%RET改性瀝青的蠕變恢復(fù)率R0.1和R3.2分別與4%SBS的兩者指標(biāo)相當(dāng)且略高于4%SBS的兩種指標(biāo)，說(shuō)明3%SBR+1.5%RET改性瀝青在60 ℃具有優(yōu)異的蠕變恢復(fù)性能。同時(shí)，隨RET改性劑摻量的增大，RET單一改性瀝青及其與SBR復(fù)配改性瀝青的J0.1和J3.2值均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，其中3%SBR和1.5%RET復(fù)配改性瀝青的J0.1和J3.2值均最小，且與4%SBS相當(dāng)，說(shuō)明RET和SBR的加入顯著增加了瀝青中的彈性成分，使得復(fù)合改性瀝青在荷載作用下產(chǎn)生的殘余永久塑性變形減小，賦予了基質(zhì)瀝青良好的承受交通荷載的能力。SBS改性劑對(duì)于瀝青高溫下抗永久變形能力的改善主要是依靠其優(yōu)異的彈性變形恢復(fù)能力，而SBR和RET復(fù)配改性瀝青提升基質(zhì)瀝青高溫性能的機(jī)理主要是SBR和RET增大瀝青的黏度，以及RET屬于反應(yīng)型改性劑，其與瀝青發(fā)生反應(yīng)生成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)物有效束縛了SBR改性劑，促使瀝青在高溫時(shí)的彈性成分有效增加，因此提高了瀝青的高溫流變性能。

3.3 SBR和RET復(fù)配改性瀝青的低溫流變性能

依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中對(duì)瀝青進(jìn)行長(zhǎng)期老化作用的試驗(yàn)方法(T0630—2011)首先對(duì)瀝青進(jìn)行長(zhǎng)期老化，然后借助于彎曲梁流變儀對(duì)經(jīng)歷長(zhǎng)期老化后各改性瀝青在-12、-18和-24 ℃下的低溫流變性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 各改性瀝青在不同溫度下的蠕變勁度模量S和蠕變速率m

由表5可知：① 在-12～-24 ℃內(nèi)，與基質(zhì)瀝青MA相比，各改性瀝青的蠕變勁度S明顯較小且蠕變恢復(fù)率m值明顯較大，其中3%SBR改性瀝青的低溫性能最優(yōu)，說(shuō)明對(duì)瀝青進(jìn)行SBR、RET、SBS及SBR和RET復(fù)配改性可有效提高瀝青的低溫流變性能；② 與RET單一改性瀝青相比，SBR和RET復(fù)配改性瀝青的低溫性能明顯較好，較1%RET改性瀝青、3%SBR和1.5%RET復(fù)配改性瀝青在-12 ℃時(shí)的S值減小68.9%、m值增大98.8%；③ 3%SBR和1%RET復(fù)配改性瀝青的低溫性能優(yōu)于4%SBS改性瀝青，但是隨RET摻量的提高，無(wú)論是RET單一改性瀝青，還是SBR和RET復(fù)配改性瀝青的低溫性能均下降，這反映出RET改性劑摻量的提高削弱了瀝青低溫時(shí)的應(yīng)力分散能力，從而不利于改性瀝青低溫性能的發(fā)揮。

與中高溫時(shí)瀝青溫度敏感性評(píng)價(jià)方法一樣，采用勁度模量S的對(duì)數(shù)值lgS與溫度T線性回歸后的直線斜率A評(píng)價(jià)瀝青在低溫下的溫度敏感性(lgS=AT+C，C為常數(shù))。A值越小，表明瀝青抵抗低溫縮裂的能力越強(qiáng)。各瀝青試樣在低溫時(shí)的直線斜率A值如表6所示。

表6 各瀝青試樣在低溫時(shí)的回歸直線斜率A值

由表6可知：6種改性瀝青的A值絕對(duì)值較70#基質(zhì)瀝青明顯較小，這說(shuō)明改性劑的加入使得瀝青對(duì)低溫的敏感性顯著提高。此外可得出SBR和RET改性劑的復(fù)配較單一改性具有較好的低溫穩(wěn)定性，且隨RET改性劑摻量的增加，改性瀝青的低溫穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，3%SBR和1.5%RET復(fù)配改性瀝青具有最優(yōu)的低溫穩(wěn)定性能。

4 結(jié)論

(1)SBR和RET改性劑分別具有顯著提升基質(zhì)瀝青低溫和高溫性能的能力，二者復(fù)配后的改性效果顯著，其中，3%SBR和1.5%RET復(fù)配改性瀝青的高溫性能可達(dá)到4%SBS改性瀝青的水平，且低溫性能顯著高于4%SBS改性瀝青。此外，RET摻量的增大可顯著改善瀝青的熱存儲(chǔ)穩(wěn)定性能，且SBR和RET復(fù)配改性瀝青具有優(yōu)異的熱存儲(chǔ)穩(wěn)定性能，這有效地保證了復(fù)配改性瀝青的運(yùn)輸和熱存儲(chǔ)。

(2)與單一改性瀝青相比，SBR和RET改性劑復(fù)配有效增加了瀝青在整個(gè)高溫區(qū)間段內(nèi)的彈性成分，從而增強(qiáng)了瀝青的高溫抗車(chē)轍能力，其中3%SBR和1.5%RET復(fù)配改性瀝青的彈性性能和抗車(chē)轍能力優(yōu)于4%SBS改性瀝青，且其具有最優(yōu)的中高溫區(qū)間的熱穩(wěn)定性能。

(3)與RET單一改性瀝青相比，SBR和RET復(fù)配改性瀝青具有良好的低溫性能，其中3%SBR和1%RET復(fù)配改性瀝青的低溫性能優(yōu)于4%SBS改性瀝青，但隨RET摻量的提高，RET單一改性瀝青和SBR與RET復(fù)配改性瀝青的低溫性能均下降，這說(shuō)明RET改性劑的摻加對(duì)瀝青的低溫性能將造成不利影響。但是，隨RET改性劑摻量的增加，改性瀝青在低溫區(qū)間的熱穩(wěn)定性能將逐漸增強(qiáng)，其中3%SBR和1.5%RET復(fù)配瀝青對(duì)低溫的敏感性最低。