PA-1/UV-531/SBR復合改性瀝青抗老化性能評價

閔天府，蘇延桂，劉延金

(青海大學土木工程學院，青海 西寧 810016)

青海地處西北寒旱區(qū)，紫外線輻射強、氣溫低、風速大等氣候特征導致瀝青路面過早老化，路用性能嚴重降低。莫延英[1]通過對青海省高等級公路瀝青路面病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，裂縫、泛油、坑槽與翻漿等是瀝青路面的主要病害；黃班瑪[2]對尖扎縣和瑪多縣嚴冬期出現(xiàn)的路面裂縫病害進行了研究，認為嚴冬期溫度驟降是導致瀝青路面溫縮裂縫的成因；楊凱[3]、艾長發(fā)等[4]研究表明，青海地區(qū)氣溫低、紫外線輻射強，易導致瀝青發(fā)生老化，縮短瀝青路面使用壽命，并指出開裂破壞是瀝青路面病害的主要形式；張恒龍等[5]研究發(fā)現(xiàn)，SBS改性瀝青老化后平均分子量會隨重組分(瀝青質(zhì)和膠質(zhì))含量的增加而增大；代震[6]研究發(fā)現(xiàn)，瀝青四組分與其微觀結(jié)構(gòu)具有很強的線性關(guān)聯(lián)，隨著老化程度加劇，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的含量會增加；另外，有關(guān)研究也表明[7～9]，紫外線和低溫開裂是引起瀝青路面老化及破壞的主要原因。劉紅瑛等[10]、馬峰等[11]研究了PPA/SBR復合改性瀝青的高低溫性能，得到PPA/SBR復合改性瀝青能改善PPA改性瀝青高溫抗老化性能的結(jié)論；張恒龍等[12]研究發(fā)現(xiàn)，抗剝落劑(M1、T9和LOF-6500)有利于提升膠粉改性瀝青的低溫性和延展性；申愛琴等[13]通過對PA-1型瀝青和LX-6525型瀝青的研究發(fā)現(xiàn)，抗剝落劑能促進瀝青官能團的變化，使低溫性能得到提高，適合寒冷地區(qū)道路使用；光穩(wěn)定劑可提高瀝青的抗紫外線老化性能，且不會對瀝青的化學結(jié)構(gòu)產(chǎn)生實質(zhì)性影響[14～15]。

本研究采用抗剝落劑PA-1(以下簡稱PA-1)、抗紫外線劑UV-531(以下簡稱UV-531)、低溫性能提升劑SBR(以下簡稱SBR)設(shè)計不同改性瀝青方案，進行抗老化性能及高低溫性能研究，為提高青海地區(qū)道路瀝青路面路用性能提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究選用蘭煉70#原油瀝青，性能測試主要技術(shù)指標如表1所示。

PA-1技術(shù)指標：凝固點<0 ℃，密度0.95～0.99 g/cm3,pH>7；UN-531技術(shù)指標：熔點48～49 ℃，相對密度1.19 g/cm3(25 ℃)，透光率300～400 nm≥93(甲苯含量10 g/100 mL);SBR技術(shù)指標：分子量200 000～300 000,粒度830 μm,門尼黏度50～70 Pa·s。

1.2 試驗方法

分別將PA-1、TX-2、SBR、桐油、UV-531、納米TiO2按質(zhì)量分數(shù)1%對基質(zhì)瀝青改性。結(jié)合四組分試驗結(jié)果，通過開展三大指標(針入度、軟化點和延度)、布什黏度、動態(tài)剪切流變(Dynamic Shear Rheometer，DSR)及低溫彎曲梁流變(Bending Beam Rheometer，BBR)試驗，對六種改性瀝青進行性能評價?？管囖H因子G*/sinδ(復數(shù)模量/相位角正弦值)可反映瀝青高溫抗永久變形能力，以G*/sinδ作為高溫性能評價指標，利用BBR在-12、-18和-24 ℃三種溫度下進行低溫試驗。由于S/m(蠕變勁度/蠕變模量)值可表征瀝青低溫延塑性，因此將S/m值作為低溫性能評價指標。本試驗篩選出三種優(yōu)質(zhì)改性劑，按照2%的總摻量進行1∶1兩摻復配，通過相同評價方法，篩選出抗老化性能提升最顯著的兩摻復配改性瀝青；并設(shè)置不同摻量梯度的三摻復配方案，通過相同評價方法，確定最佳復配方案，得到終配改性瀝青，并對其性能進行評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 基質(zhì)瀝青和改性瀝青四組分結(jié)果及分析

瀝青各組分相互作用形成的結(jié)構(gòu)體系會顯著影響瀝青的黏稠性。重組分(瀝青質(zhì)+膠質(zhì))占比越大，抗老化性能越好，因此可通過四組分含量來分析瀝青老化機理和老化程度(圖1)。圖1中，A、B、C、D、E、F分別表示1.0%UV-531改性瀝青、1.0%PA-1改性瀝青、1.0%SBR改性瀝青、1.0%PA-1+1.0%UV-531改性瀝青、1.0%PA-1+1.0%UV-531+1.0%SBR改性瀝青和0.7%PA-1+1.6%UV-531+1.0%SBR改性瀝青。

根據(jù)瀝青化學組分分析結(jié)果顯示，隨著改性劑的加入，重組分含量有所增加，說明改性劑可促使瀝青膠體結(jié)構(gòu)更趨向于凝膠型，此時瀝青質(zhì)和由膠質(zhì)形成的膠團含量都很高，能提高瀝青的抗老化性能。比較各種改性復配方案發(fā)現(xiàn)，改性瀝青F重組分含量提高33.35%，抗老化效果最顯著。

為了更好地分析四個組分之間相互作用對瀝青膠體穩(wěn)定性的影響，采用不穩(wěn)定指數(shù)Ic進行評價。

Ic=[瀝青質(zhì)+飽和分]/[膠質(zhì)+芳香分]

Ic越小，說明膠體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，性能改變也越小。由圖2可知，Ic受瀝青類型影響顯著，基質(zhì)瀝青Ic為1.72，改性瀝青F Ic為0.72,說明改性瀝青F不僅具有很好的抗老化性能，而且膠體結(jié)構(gòu)也更穩(wěn)定。

2.2 單摻改性瀝青性能試驗

2.2.1 三大指標及旋轉(zhuǎn)黏度試驗 對摻量為1%的六種改性瀝青物理力學性能進行評價，結(jié)果見表2。由表2可知，A、B、C三種改性瀝青殘留針入度比分別提高11.1%、5.8%和12.3%，延度保留率分別提高16.7%、22.9%和19.8%。隨著改性劑的加入，瀝青具有較高附著力，抗老化性能顯著提升，原因是由于改性劑的加入使瀝青中的四個組分被重新分配后達到新的平衡，抑制了瀝青老化進程[16]。

表2 單摻改性瀝青三大指標和旋轉(zhuǎn)黏度指標評價結(jié)果

2.2.2 低溫性能試驗 由文獻[17]可知，加入改性劑會引起瀝青四個組分達到新的平衡狀態(tài)，導致低溫抗裂性改變。采用S/m值評價瀝青低溫性能，S/m值越小，瀝青低溫抗裂性越好。對比圖3a和圖3b發(fā)現(xiàn)，經(jīng)短期老化后(5 h TFOT)，改性瀝青S/m值均明顯降低，并且在-18 ℃后變化幅度變緩，說明此時改性瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)此時達到相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。同時在三種溫度下，短期老化瀝青S/m值比未老化S/m值降低1.8%，說明改性瀝青低溫抗裂性優(yōu)越。

圖3 S/m值隨溫度變化曲線圖

2.2.3 溫度掃描試驗 本試驗采用溫度為46～82 ℃，頻率掃描范圍為0.1～100 rad/s，應變值為10%的應變控制模式。本試驗利用G*/sinδ作為評價指標，研究改性瀝青的高溫性能，結(jié)果見圖4。

圖4 G*/sin δ隨溫度變化曲線圖

由圖4可知，基質(zhì)瀝青的G*/sinδ隨著溫度的升高逐漸降低，而三種改性瀝青的G*/sinδ均隨著溫度的升高呈先降低后增加趨勢，具有一致的規(guī)律性，且在高溫區(qū)域遠高于基質(zhì)瀝青，其原因是高溫條件下瀝青黏性起主導作用，此時黏結(jié)力降低，導致抗變形能力減弱。黏彈性成分比例發(fā)生變化，說明三種改性劑的加入會顯著提高瀝青的高溫穩(wěn)定性。

2.3 兩摻復配改性瀝青性能試驗

以單摻改性瀝青為基礎(chǔ)，將PA-1、UV-531和SBR三種改性劑進行兩摻復配改性研究。

交通環(huán)境是安全設(shè)施設(shè)計過程中需特別重視的關(guān)鍵因素，也是交通設(shè)計者最容易忽略的一個因素，由此引發(fā)的交通事故也時有發(fā)生。道路情況、所使用的交通工具組合、氣候環(huán)境和季節(jié)性氣候變化、不同的人群對交通環(huán)境都有很大的影響。因此，設(shè)計交通安全設(shè)施時，應以適宜本地生活習慣、工作環(huán)境的交通參與者為參照物，采取共享交通資源的方式，盡量引導人們積極參與交通安全工程中，確保平安出行。

2.3.1 三大指標及旋轉(zhuǎn)黏度試驗 由表3可知，在三種兩摻復配改性瀝青中，1.0%PA-1+1.0%UV-531改性瀝青殘留針入度比、延度保留率分別提高8.6%和27.8%，黏度老化指數(shù)下降幅度達到2.4%。結(jié)合四組分分析結(jié)果，1.0%PA-1+1.0%UV-531改性瀝青的重組分含量提高27.54%，輕組分含量降低6.96%。瀝青的黏度增大，流動時內(nèi)部會產(chǎn)生更大的內(nèi)摩擦阻力，使1.0%PA-1+1.0%UV-531改性瀝青的抗老化性能得到顯著改善。

表3 兩摻改性瀝青三大指標和旋轉(zhuǎn)黏度指標評價結(jié)果

2.3.2 低溫性能試驗 由圖5可知，兩摻復配改性瀝青S/m值在-24～-12 ℃時隨著溫度的升高而降低，但呈現(xiàn)出不同的變化速率。對比分析兩種狀態(tài)下三種改性瀝青S/m值隨溫度的變化規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，只有1.0%PA-1+1.0%UV-531改性瀝青的S/m值在-12、-18和-24 ℃下均小于基質(zhì)瀝青的S/m值，且隨著老化過程的持續(xù)，S/m值隨溫度的升高，呈現(xiàn)更加穩(wěn)定的降低趨勢，說明1.0%PA-1+1.0%UV-531改性瀝青的低溫抗裂性最好。

圖5 S/m值隨溫度變化曲線圖

2.3.3 溫度掃描試驗 將兩摻改性瀝青和基質(zhì)瀝青的G*/sinδ隨溫度變化的主曲線進行對比分析發(fā)現(xiàn)(圖6)，基質(zhì)瀝青G*/sinδ在未老化狀態(tài)下隨著溫度的升高不斷降低，經(jīng)短期老化后，G*/sinδ非常小。兩摻改性瀝青在兩種狀態(tài)下G*/sinδ均隨溫度的升高先降低，然后在60～82 ℃范圍呈上升趨勢，說明高溫范圍內(nèi)瀝青主要是黏性起主導作用，此時黏附力也顯著提高。兩摻改性瀝青G*/sinδ在60～82 ℃遠高于基質(zhì)瀝青，且在短期老化狀態(tài)下的變化趨勢更加穩(wěn)定，高溫變形能力更佳。

圖6 G*/sin δ隨溫度變化曲線圖

2.4 三摻復配改性瀝青性能試驗

在兩摻復配改性瀝青試驗基礎(chǔ)上，按照不同摻量梯度設(shè)計試驗組，通過對基礎(chǔ)性能及高低溫性能的研究，確定改性瀝青最佳復配方案。

2.4.1 三大指標及旋轉(zhuǎn)黏度試驗 由表4可知，PA-1摻量在0.7%時，殘留針入度比提升27.1%，延度保留率提升47.7%，黏度老化指數(shù)下降4.3%，改善效果最佳。UV-531摻量在1.6%時，殘留針入度比提升14.1%，延度保留率提升47.8%，黏度老化指數(shù)下降3.8%，改善效果較為顯著。SBR的摻量在1.0%時，殘留針入度提升6.6%，延度保留率和黏度老化指數(shù)和其他摻量變化幅度基本持平。通過以上試驗結(jié)果，將三種摻量作為最佳摻量復配F瀝青。

表4 三摻改性瀝青三大指標和旋轉(zhuǎn)黏度評價指標結(jié)果

2.4.2 低溫性能試驗 由圖7可知，0.7%PA-1+1.0%UV-531+1.0%SBR改性瀝青S/m值在兩種狀態(tài)下的變化幅度分別達到-47.7%和-64.7%，且曲線變化更穩(wěn)定，說明低溫抗裂性和低溫穩(wěn)定性有顯著提升。1.0%PA-1+1.6%UV-531+1.0%SBR改性瀝青在兩種狀態(tài)下的S/m值變化幅度分別達到-37.2%和-56.9%。1.0%PA-1+1.0%UV-531+1.0%SBR改性瀝青在兩種狀態(tài)下S/m值變化幅度分別達到-33.3%和-42.9%，且S/m值受老化影響較小，說明低溫抗裂性得到顯著提升。因此按0.7%PA-1+1.6%UV-531+1.0%SBR制備的復配改性瀝青具有最佳的低溫抗裂性。

圖7 S/m值隨溫度變化曲線圖

2.4.3 溫度掃描試驗 由圖8可見，經(jīng)短期老化后(5 h TFOT)，基質(zhì)瀝青G*/sinδ降低明顯，不同摻量的三摻復配改性瀝青的G*/sinδ明顯呈指數(shù)增長，且保持相對穩(wěn)定，這與單摻改性瀝青和兩摻改性瀝青變化規(guī)律一致。說明改性劑在高溫作用下能保持瀝青結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，使高溫性能更優(yōu)越。

圖8 G*/sin δ隨溫度變化曲線圖

2.5 改性瀝青F與基質(zhì)瀝青性能分析

表5 基質(zhì)瀝青與終配瀝青不同老化狀態(tài)基本性能指標對比表

圖9和圖10分別為S/m值隨著溫度變化曲線圖和溫度掃描G*/sinδ曲線圖。

圖9 S/m值隨溫度變化曲線圖

圖10 溫度掃描G*/sin δ曲線圖

由圖9可知，在-12、-18和-24 ℃三種溫度下，改性瀝青F在未老化、短期老化狀態(tài)下的S/m值均小于基質(zhì)瀝青，且隨溫度升高而降低，下降斜率更加平緩，說明在這兩種狀態(tài)下改性瀝青F低溫性能優(yōu)越。相對于基質(zhì)瀝青，改性瀝青F的S/m值在三種狀態(tài)下平均降低-35.6%、-53.6%和-22.6%，表明改性瀝青F具有更好的低溫抗裂性。由圖10可知，在46～82 ℃范圍內(nèi)進行掃描時，改性瀝青F在高溫區(qū)域的G*/sinδ大于基質(zhì)瀝青的G*/sinδ，且呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，在未老化、短期老化和長期老化狀態(tài)下，G*/sinδ斜率明顯變緩，說明按該方案對瀝青進行復合改性，老化對瀝青高溫穩(wěn)定性的影響變小，瀝青抗老化性能提高。

3 討論與結(jié)論

針對改性瀝青抗老化性能的研究，目前大多數(shù)學者[3，8，12]通過基礎(chǔ)性能試驗、BBR試驗與DSR試驗相結(jié)合的方式對改性瀝青抗老化性能進行評價。本研究基于青海地區(qū)特殊的自然環(huán)境，提出將四組分試驗與以上試驗相結(jié)合的方法，研究青海地區(qū)瀝青路面抗老化性能，得到以下結(jié)論：(1)改性劑會促使瀝青膠體結(jié)構(gòu)更趨向于凝膠型，能提高瀝青質(zhì)和由膠質(zhì)形成的膠團含量，從而提升瀝青抗老化性能。0.7%PA-1+1.6%UV531+1.0%SBR改性瀝青重組分含量提升33.35%，不穩(wěn)定指數(shù)(Ic為0.72)下降最明顯；(2) 0.7%PA-1+1.0%UV-531+1.0%SBR改性瀝青中三種改性劑共同作用使四個組分達到新的平衡狀態(tài)，延緩了瀝青老化過程，同時S/m值變化曲線下降斜率更平緩，三種狀態(tài)下平均降低-35.6%、-53.6%，-22.6%，說明其具有更好的低溫抗裂性和低溫穩(wěn)定性；(3)通過46～82 ℃溫度掃描試驗發(fā)現(xiàn)，0.7%PA-1+1.0%UV-531+1.0%SBR改性瀝青G*/sinδ遠高于基質(zhì)瀝青，隨著老化過程的進行，G*/sinδ增加速率明顯減小，表明瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)在高溫作用下能保持相對穩(wěn)定，具有較好的高溫性能。