SBS和Hon7686改性瀝青高溫流變性能對比研究

莫龍梅

(廣西北投交通養(yǎng)護(hù)科技集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

SBS改性瀝青具有良好的性能，能大幅度提高瀝青和瀝青混合料高溫性能和低溫性能，在我國的改性瀝青市場中占據(jù)了絕大部分的份額[1]。但SBS改性瀝青也存在改性難度大、熱儲存性差、施工溫度高等缺點(diǎn)[2]。美國霍尼韋爾公司研發(fā)了一種新型改性劑Hon7686，價格與SBS改性劑相差無幾，具有顯著提高瀝青混合料高溫性能而不影響低溫性能的優(yōu)點(diǎn)[3]。相較SBS改性瀝青，Hon7686改性瀝青對施工溫度要求較低，與基質(zhì)瀝青的施工溫度相差無幾。Hon7686是一種新型多功能改性劑，國內(nèi)研究者對此進(jìn)行了一些研究，包括Hon7686改性瀝青的施工工藝和溫拌性能[4-6]。由于Hon7686改性瀝青具有溫拌劑的功能，能降低瀝青混合料的施工溫度，國內(nèi)研究者嘗試將其與SBS改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，取得了良好的效果[7-8]。針對Hon7686改性瀝青混合料性能，國內(nèi)也有相關(guān)研究報道[9]。

盡管國內(nèi)對Hon7686改性瀝青研究較多，但研究多是針對Hon7686改性瀝青的施工性能以及與SBS改性瀝青的復(fù)合改性效果，對其高溫流變性能不僅關(guān)注較少，在方法上也多采用常規(guī)指標(biāo)如針入度、軟化點(diǎn)、60 ℃動力黏度等進(jìn)行表征。上述評價方法用于工程實(shí)踐中尚可，但用于科學(xué)研究中往往不能準(zhǔn)確區(qū)分不同摻量進(jìn)行改性瀝青的高溫流變性能的差別。動態(tài)剪切流變試驗?zāi)軠y試瀝青結(jié)合料的復(fù)數(shù)模量與相位角，而高溫下的復(fù)數(shù)模量與相位角能表征瀝青的高溫流變性能，更能揭示瀝青的粘彈本質(zhì)[10]。此外，多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗已被證明能較好地評價瀝青結(jié)合料的高溫性能[11-13]。因此，有必要采用動態(tài)剪切流變試驗和多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗，評價Hon7686改性瀝青和SBS改性瀝青的高溫流變性能，為相關(guān)工程選擇合適的改性瀝青提供參考。

1 改性瀝青制備和試驗方法

1.1 改性瀝青制備

以70#瀝青為基質(zhì)瀝青配制Hon7686改性瀝青和SBS改性瀝青。Hon7686改性劑為白色粉末狀，酸性，堆積密度為625 kg/m3，熔點(diǎn)為137 ℃。Hon7686改性瀝青按照改性劑占基質(zhì)瀝青質(zhì)量比計，設(shè)置3%、4%、5%三種摻量。SBS改性劑為獨(dú)子山石化所生產(chǎn)，星型結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定劑采用硫磺穩(wěn)定劑。以SBS占基質(zhì)瀝青質(zhì)量比計，設(shè)置3%、4%、5%三種摻量。SBS改性瀝青的制備方法為：將基質(zhì)瀝青加熱至180 ℃，加入SBS改性劑，采用高速剪切機(jī)剪切30 min，再用攪拌機(jī)攪拌60 min，最后加入穩(wěn)定劑再攪拌90 min。Hon7686改性瀝青制備方法為：將基質(zhì)瀝青加熱到160 ℃，加入Hon7686改性劑粉末，用高速剪切機(jī)剪切30 min。

1.2 試驗方法

1.2.1 動態(tài)剪切流變試驗

動態(tài)剪切流變試驗測試原理為：對瀝青施加正弦剪切應(yīng)力或應(yīng)變，儀器記錄其應(yīng)變或應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)獲得復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ。美國SHRP計劃以車轍因子G*/sinδ表征瀝青結(jié)合料高溫性能，并以此作為瀝青高溫分級標(biāo)準(zhǔn)。高溫分級要求原樣瀝青G*/sinδ≥1.0 kPa，同時RTFOT后的瀝青G*/sinδ≥2.2 kPa。試驗采用應(yīng)變控制模式，原樣瀝青應(yīng)變水平為12%，RTFOT瀝青應(yīng)變水平為10%，試驗溫度為64 ℃～82 ℃，間隔6 ℃。

1.2.2 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗

多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(multiple stress creep recovery，MSCR)通過施加周期性的荷載，測試瀝青的蠕變恢復(fù)能力，以表征瀝青的高溫性能。荷載有兩個應(yīng)力水平，分別為0.1 kPa和3.2 kPa，0.1 kPa應(yīng)力水平循環(huán)加載20個周期，3.2 kPa應(yīng)力水平循環(huán)加載10個周期[14]。每個周期加載1 s，卸載9 s，整個試驗連續(xù)進(jìn)行，持續(xù)時間為300 s。在0.1 kPa水平下瀝青結(jié)合料處于線性粘彈區(qū)間范圍，而在3.2 kPa應(yīng)力水平下瀝青結(jié)合料處于非線性粘彈區(qū)間范圍，因此設(shè)置上述兩個應(yīng)力水平可同時獲得瀝青結(jié)合料在線性和非線性粘彈區(qū)間的力學(xué)性能。多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗根據(jù)AASHTO MP19-10[15]規(guī)范要求進(jìn)行，試樣采用RTFOT后的瀝青，RTFOT根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)要求進(jìn)行[16]?？紤]到夏天路面溫度在50 ℃～70 ℃，因此溫度設(shè)置為52 ℃～76 ℃，間隔6 ℃。

多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗以0.1 kPa、3.2 kPa水平下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1、Jnr3.2評價瀝青結(jié)合料的高溫性能，其值越低表明瀝青高溫性能越優(yōu)；以應(yīng)力敏感性指標(biāo)Jnrdiff評價瀝青結(jié)合料的應(yīng)力敏感性，其值越高表明瀝青對應(yīng)力變化越敏感。相關(guān)指標(biāo)計算方法見AASHTO MP19-10規(guī)范。

2 結(jié)果與分析

2.1 動態(tài)剪切流變試驗

2.1.1 復(fù)數(shù)模量

由圖1、圖2可知：

圖1 原樣瀝青復(fù)數(shù)模量G*-溫度曲線圖

圖2 RTFOT瀝青復(fù)數(shù)模量G*-溫度曲線圖

不管是原樣還是短期老化狀態(tài)，SBS改性瀝青和Hon7686改性瀝青復(fù)數(shù)模量均隨著溫度升高而急劇下降，溫度是瀝青結(jié)合料剛度下降的主要原因。相同摻量水平下，Hon7686改性瀝青的復(fù)數(shù)模量均高于SBS瀝青，表明Hon7686改性瀝青相較SBS改性瀝青在高溫下具有更高的高溫抗變形能力。

2.1.2 相位角

由圖3、圖4可知：

原樣Hon7686改性瀝青相位角隨溫度變化規(guī)律較為復(fù)雜，與摻量有很大關(guān)系。3%摻量的Hon7686改性瀝青相位角隨溫度升高而平穩(wěn)增大，表明Hon7686改性瀝青由彈性逐漸往黏性方向發(fā)展；4%摻量的Hon7686改性瀝青相位角隨著溫度升高反而逐漸減小，往彈性體方向發(fā)展；5%摻量的Hon7686改性瀝青相位角隨溫度升高幾乎無變化。其原因可能在于Hon7686改性瀝青在低摻量時，Hon7686改性劑與基質(zhì)瀝青的化學(xué)反應(yīng)對其高溫流變性能影響有限，因此性質(zhì)接近基質(zhì)瀝青；而摻量提高導(dǎo)致Hon7686改性瀝青隨溫度升高,反而因為改性劑與基質(zhì)瀝青產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致其高溫流變性能復(fù)雜。

圖3 原樣瀝青相位角δ-溫度曲線圖

圖4 RTFOT瀝青相位角δ-溫度曲線圖

RTFOT后的Hon7686改性瀝青相位角變化較為規(guī)律，體現(xiàn)為相位角隨摻量增大而減小，隨溫度升高而增大。RFFOT后的Hon7686改性瀝青與其原樣狀態(tài)相位角規(guī)律相差較大，正說明了Hon7686改性瀝青經(jīng)過短期老化之后，Hon7686改性劑與基質(zhì)瀝青的化學(xué)反應(yīng)基本已經(jīng)完成，不會出現(xiàn)相位角異常的現(xiàn)象。

不管原樣SBS瀝青還是RTFOT后的SBS瀝青，相位角均隨溫度升高而逐漸增大。值得注意的是，相位角并非隨著SBS改性劑摻量增大而減小，而是在4%處出現(xiàn)異常。4%摻量的SBS改性瀝青相位角小于3%摻量和5%摻量的SBS改性瀝青。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是由于穩(wěn)定劑的存在，導(dǎo)致SBS改性瀝青在4%摻量處出現(xiàn)異常。

2.1.3 車轍因子

由圖5和圖6可知：

SBS改性瀝青與Hon7686改性瀝青車轍因子G*/sinδ均隨著溫度升高而逐漸減小，證明高溫是瀝青結(jié)合料產(chǎn)生永久變形的主要原因。相比于SBS改性瀝青，無論是原樣還是短期老化，Hon7686改性瀝青的車轍因子更加優(yōu)異，表明Hon7686改性瀝青在線性粘彈區(qū)間的高溫性能優(yōu)于相同摻量水平的SBS改性瀝青。

圖5 原樣瀝青車轍因子-溫度曲線圖

圖6 RTFOT瀝青車轍因子-溫度曲線圖

綜合SBS改性瀝青與Hon7686改性瀝青復(fù)數(shù)模量、相位角、車轍因子隨溫度的變化情況，可以認(rèn)為Hon7686改性瀝青在線性粘彈區(qū)間的高溫性能優(yōu)于相同摻量水平的SBS改性瀝青。

2.2 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗

2.2.1 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?/p>

不同溫度下SBS改性瀝青和Hon7686改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯嗖钐?，繪制在同一個圖中難以對這兩種改性瀝青進(jìn)行正確的對比。因此，將兩種改性瀝青在52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1和Jnr3.2分別放在圖7～10中。路面溫度一般很難達(dá)到76 ℃，所以未對76 ℃下兩種改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1和Jnr3.2進(jìn)行對比。

從圖7和圖8可以看出，相同摻量水平下，Hon7686改性瀝青0.1 kPa應(yīng)力水平不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr0.1在所試驗的溫度水平下優(yōu)于SBS改性瀝青，但在3%摻量水平和70 ℃條件下略差于SBS改性瀝青，這與該摻量水平下Hon7686改性瀝青性質(zhì)近于基質(zhì)瀝青有關(guān)。在4%、5%摻量下，Hon7686改性瀝青的Jnr0.1明顯優(yōu)于同摻量水平SBS改性瀝青。上述現(xiàn)象表明整體上，Hon7686改性瀝青在低應(yīng)力水平(0.1 kPa)下高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青。

圖7 52 ℃和58 ℃下Jnr0.1對比柱狀圖

圖8 64 ℃和70 ℃下Jnr0.1對比柱狀圖

圖9 52 ℃和58 ℃下Jnr3.2對比柱狀圖

圖10 64 ℃和70 ℃下Jnr3.2對比柱狀圖

從圖9和圖10可以看出，相同摻量水平下，Hon7686改性瀝青在較低溫度(52 ℃、58 ℃)、較高摻量(4%、5%)下的Jnr3.2略優(yōu)于SBS改性瀝青，而在較高溫度(64 ℃、70 ℃)下的Jnr3.2均比SBS改性瀝青差。因此，高應(yīng)力水平下，Hon7686改性瀝青只有在溫度不太極端(52 ℃、58 ℃)、摻量較高的情況下，與SBS改性瀝青對比Jnr3.2才具有優(yōu)勢。

綜合而言，在低應(yīng)力水平下，Hon7686改性瀝青整體優(yōu)于SBS改性瀝青，而在高應(yīng)力水平下，Hon7686改性瀝青僅在較低溫度和較高摻量水平下才優(yōu)于SBS改性瀝青。

2.2.2 恢復(fù)率

從圖11和圖12可以看出，不管是0.1 kPa還是3.2 kPa應(yīng)力水平，相同摻量水平下SBS改性瀝青恢復(fù)率均優(yōu)于Hon7686改性瀝青。同時，Hon7686改性瀝青恢復(fù)率隨摻量變化較SBS瀝青劇烈。表明3%～5%摻量范圍內(nèi)，Hon7686改性瀝青與SBS改性瀝青相比，力學(xué)響應(yīng)對摻量變化更為敏感。

圖11 0.1 kPa應(yīng)力水平下恢復(fù)率曲線圖

圖12 3.2 kPa應(yīng)力水平下恢復(fù)率曲線圖

2.2.3 應(yīng)力敏感性

將SBS改性瀝青和Hon7686改性瀝青應(yīng)力敏感性指標(biāo)Jnrdiff匯總于表1。

從表1中可以看出，Hon7686改性瀝青的應(yīng)力敏感性指標(biāo)遠(yuǎn)大于SBS瀝青。同時，兩種改性瀝青的應(yīng)力敏感性指標(biāo)隨溫度變化規(guī)律大致為隨溫度升高而增大。而Hon7686改性瀝青在70 ℃和76 ℃處出現(xiàn)反常，表明Hon7686改性瀝青在剪切荷載作用下其力學(xué)響應(yīng)較為復(fù)雜，受溫度的影響較大。

表1 SBS和Hon7686改性瀝青Jnrdiff數(shù)值匯總表

3 結(jié)語

本文通過動態(tài)剪切流變試驗和多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗，測試了3%、4%、5%摻量的SBS改性瀝青和3%、4%、5%摻量的Hon7686改性瀝青，分析了兩種改性瀝青在64 ℃～82 ℃區(qū)間的復(fù)數(shù)模量、相位角、車轍因子和52 ℃～76 ℃區(qū)間的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?、恢?fù)率、應(yīng)力敏感性，得出以下主要結(jié)論：

(1)無論是原樣狀態(tài)還是RTFOT狀態(tài)，Hon7686改性瀝青的車轍因子、復(fù)數(shù)模量均高于SBS改性瀝青，高溫下具有更高的剛度，但Hon7686改性瀝青的相位角隨溫度變化規(guī)律相較SBS改性瀝青略顯復(fù)雜。

(2)同摻量水平下，各溫度下Hon7686改性瀝青在0.1 kPa應(yīng)力水平下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃績?yōu)于SBS改性瀝青，而3.2 kPa應(yīng)力水平下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭谳^低溫度(52 ℃、58 ℃)、較高摻量(4%、5%)時才相對SBS改性瀝青有優(yōu)勢。與此同時， Hon7686改性瀝青相較SBS改性瀝青具有更大的應(yīng)力敏感性。

(3)在實(shí)際工程中，考慮到Hon7686改性瀝青施工溫度低于SBS改性瀝青，可在高溫天氣不極端、交通量較小的應(yīng)用場景代替SBS改性瀝青。