SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青高溫流變性能分析

王兆力,何正強(qiáng),王 波,張星宇

(甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)養(yǎng)護(hù)科技有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730000)

SBS改性瀝青具有良好的力學(xué)性能,巖瀝青具有高溫抗車轍、抗老化及耐久性能.余志剛[1]采用高模量劑和SBR兩種材料對(duì)瀝青進(jìn)行改性,研究結(jié)果表明高模量劑和SBR復(fù)合改性瀝青混凝土具有良好的低溫抗裂性和抗疲勞耐久性.盧桂林等[2]研究表明當(dāng)高模量改性劑摻量為6.67%時(shí)其對(duì)基質(zhì)瀝青的改性效果優(yōu)于SBS改性瀝青,且由于高模量改性劑在瀝青中可形成聚合物鏈接,故高模量改性瀝青制備的瀝青混合料較SBS改性瀝青混合料具有較好的抗變形能力.袁騰等[3]對(duì)3種不同高模量瀝青材料的流變性能進(jìn)行了研究.耿韓等[4]研究了高模量瀝青低溫抗裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)果表明蠕變勁度無法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)高模量瀝青的低溫抗裂性能,斷裂能可適宜作為高模量瀝青低溫抗裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo).王海陽等[5]選用PR Module和PR PLASTS制備了高模量瀝青,并研究了2種高模量瀝青混合料的高低溫性能,結(jié)果表明PR PLASTS對(duì)瀝青的改性效果更加顯著.趙立東等[6]通過流變?cè)囼?yàn)對(duì)比研究了高模量改性劑和SBS改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青的改性效果,研究結(jié)果表明高模量改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青的高溫抗變形能力的改善效果優(yōu)于SBS改性劑.侯進(jìn)軍[7]研究了橡膠粉等量替換布敦巖瀝青(BRA)對(duì)改性瀝青混合料路用性能的影響,結(jié)果表明較細(xì)粒度的橡膠粉等量替換部分高模量劑對(duì)其產(chǎn)生的不利影響較小,并可改善改性瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度、凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比和低溫劈裂壓縮模量,但相比較粗粒度的橡膠粉,較細(xì)的橡膠粉會(huì)使改性瀝青混合料的低溫劈裂壓縮變形量有所降低.Wang、Zhu及Gajewski等[8-10]分別對(duì)高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量、力學(xué)性能及疲勞壽命進(jìn)行了研究.王朝輝等[11]對(duì)比分析了法國、歐洲及中國對(duì)高模量混凝土的研究與應(yīng)用成果,研究結(jié)果表明國外對(duì)高模量瀝青混凝土的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為動(dòng)態(tài)模量、動(dòng)穩(wěn)定度及車轍深度等,而國內(nèi)對(duì)其的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為動(dòng)態(tài)模量與動(dòng)穩(wěn)定度等.

為了有效改善瀝青混凝土路面抗車轍性能以及瀝青膠結(jié)料與集料之間的黏附性,本文對(duì)苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)和巖瀝青復(fù)合改性瀝青的高溫流變性能進(jìn)行研究,從而評(píng)價(jià)所研發(fā)SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青的高溫穩(wěn)定性能.

1 材料與試驗(yàn)

1.1 材料

1.1.1 瀝青

瀝青選擇SK-90#基質(zhì)瀝青,瀝青的基本性質(zhì)指標(biāo)如表1所示.

表1 瀝青的基本性能指標(biāo)

1.1.2 SBS改性瀝青

SBS改性瀝青是由基質(zhì)瀝青、SBS改性劑及其他助劑制備而成,制備所得SBS改性瀝青的主要性能指標(biāo)如表2所示.

表2 SBS改性瀝青主要性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.1.3 巖瀝青

制備SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青的巖瀝青主要性能指標(biāo)如表3所示.

表3 巖瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青的制備

以SK-90#基質(zhì)瀝青、SBS改性劑、巖瀝青為主要材料,利用旋轉(zhuǎn)剪切分散機(jī)制備改性瀝青,制備所得SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青如圖1所示.

圖1 制備的SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青

1.2.2 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

目前,在眾多的瀝青高溫性能指標(biāo)中,車轍因子與瀝青混合料的高溫性能相關(guān)性較好.該文采用美國TA儀器公司生產(chǎn)的HR-1型動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)儀對(duì)SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青的黏彈性進(jìn)行研究.試驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖2 DSR試驗(yàn)裝置

制備各巖瀝青摻量下的SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物,將其澆筑在試模中,保持厚度約為1.5～2.0 mm.設(shè)置試驗(yàn)條件為:應(yīng)變?yōu)?%,角速度為10 rad/s,掃描溫度分別為60、70、82 ℃.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 未老化條件下試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 復(fù)數(shù)模量

不同巖瀝青摻量下SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物復(fù)數(shù)模量的變化如圖3所示.

圖3 未老化條件下不同溫度復(fù)數(shù)模量

復(fù)數(shù)模量值與瀝青的高溫穩(wěn)定性呈正相關(guān),表示試驗(yàn)過程中最大剪應(yīng)力與最大剪應(yīng)變的比值.由圖3可知:隨著巖瀝青摻量的增加,3種不同溫度條件下SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物的復(fù)數(shù)模量呈增大趨勢(shì).當(dāng)巖瀝青摻量為12%時(shí),60、70、82 ℃溫度下SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物的復(fù)數(shù)模量分別是SBS改性瀝青的3.81倍、3.39倍和3.11倍.

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知,不同溫度條件下,SBS和巖瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青的改善效果比較顯著,可有效提高基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性能.

2.1.2 相位角

不同巖瀝青摻量下SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物相位角的變化如圖4所示.

相位角是表征應(yīng)力與應(yīng)變之間延遲的物理量,在0～90°的范圍內(nèi)變化,相位角越大,表明材料的黏性越大,反之則彈性越大.由圖4可知,摻加巖瀝青改性瀝青的相位角均隨溫度的升高出現(xiàn)不同程度的上升,這是因?yàn)閾郊訋r瀝青后改性瀝青在高溫下表現(xiàn)出更顯著的黏性材料的特征.而隨著巖瀝青的摻加,瀝青的流動(dòng)性變?nèi)?彈性增強(qiáng).當(dāng)巖瀝青摻量為12%時(shí),60 ℃和70 ℃下SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物的相位角分別較SBS改性瀝青減小6.42%和2.92%,82 ℃ SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物的相位角較SBS改性瀝青增大6.85%.

圖4 未老化條件下不同溫度相位角

2.1.3 車轍因子

不同巖瀝青摻量下SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物車轍因子的變化如圖5所示.

圖5 未老化條件下不同溫度車轍因子

由圖5可知：相同溫度條件下,隨著巖瀝青摻量的增加,車轍因子呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),但當(dāng)溫度較高時(shí)各巖瀝青摻量下SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青車轍因子的差異性較小.60 ℃溫度條件下,12%巖瀝青摻量的SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物的車轍因子是SBS改性瀝青的3.96倍.82 ℃溫度條件下,12%巖瀝青摻量的SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物的車轍因子是SBS改性瀝青的2.99倍.

隨著溫度的增大,不同巖瀝青摻量下SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青的車轍因子逐漸減小.當(dāng)巖瀝青摻量為0%和12%時(shí),82 ℃下的車轍因子分別較60 ℃時(shí)減小79.34%和84.42%.

基于上述研究結(jié)果可知,當(dāng)溫度較低時(shí),巖瀝青對(duì)SBS改性瀝青高溫性能的改善效果比較顯著,但當(dāng)溫度較高時(shí),巖瀝青對(duì)SBS改性瀝青高溫性能的改善效果較小.

2.2 老化條件下試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 復(fù)數(shù)模量

老化條件和不同巖瀝青摻量下SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物復(fù)數(shù)模量的變化如圖6所示.

圖6 老化條件下不同溫度復(fù)數(shù)模量

由圖6可知：不同巖瀝青摻量和不同溫度條件下,老化后SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)模量均大于未被老化的情況.隨著巖瀝青摻量的增加,各溫度條件下SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物的復(fù)數(shù)模量呈增大趨勢(shì).當(dāng)巖瀝青摻量為12%時(shí),60、70、82 ℃溫度下SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物的復(fù)數(shù)模量分別是SBS改性乳化瀝青的3.51倍、3.37倍和3.22倍.

2.2.2 相位角

老化條件和不同巖瀝青摻量下SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物相位角的變化如圖7所示.

圖7顯示不同巖瀝青摻量和不同溫度條件下,老化后SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青的相位角大于未被老化的情況,隨著巖瀝青摻量的增大,該特點(diǎn)表現(xiàn)得更加顯著.不同巖瀝青摻量下,相位角均隨溫度的升高出現(xiàn)不同程度的上升,摻加巖瀝青的改性瀝青上升趨勢(shì)較SBS改性瀝青更加明顯,這是因?yàn)闉r青在高溫下表現(xiàn)出黏性材料的特征.而隨著巖瀝青摻量的增大,瀝青的流動(dòng)性變?nèi)?彈性增強(qiáng),當(dāng)巖瀝青摻量為12%時(shí),60、70、82 ℃溫度下SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物的相位角分別較SBS改性瀝青減小6.93%、6.40%和5.15%.

圖7 老化條件下不同溫度相位角

2.2.3 車轍因子

老化條件和不同巖瀝青摻量下SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青蒸發(fā)殘留物車轍因子的變化如圖8所示.

圖8 老化條件下不同溫度車轍因子

SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青經(jīng)薄膜老化后不同巖瀝青摻量下改性瀝青的車轍因子均大于未被老化的情況.這是由于瀝青老化后其材料的黏性降低,塑性增強(qiáng)的原因.圖8顯示,隨著巖瀝青摻量的增加,車轍因子總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì).60、70、82 ℃溫度下,12%巖瀝青摻量的車轍因子分別是SBS改性瀝青的3.65倍、3.50倍和3.32倍.

隨著溫度的增加,不同巖瀝青摻量下復(fù)合改性瀝青的車轍因子逐漸減小,0%和12%巖瀝青摻量下,82 ℃溫度條件下的車轍因子分別較60 ℃下減小82.9%和81.2%.這是因?yàn)殡S著溫度的增加,改性瀝青的黏性增大,材料整體的抗變形能力降低.

3 結(jié)論

1) 老化后SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)模量均大于未被老化的情況.

2) 老化后SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青的相位角大于未被老化的情況.隨著巖瀝青摻量的增大,該特點(diǎn)表現(xiàn)的更加顯著.

3) SBS-巖瀝青復(fù)合改性瀝青經(jīng)薄膜老化后不同巖瀝青摻量下改性瀝青的車轍因子均大于未被老化的情況.