基于MSCR與測(cè)力延度試驗(yàn)的阻燃改性瀝青高低溫性能評(píng)價(jià)

劉安剛 周慶福 胡義成 劉青海 王松林

(湖北長(zhǎng)江路橋有限公司1) 武漢 430077) (中建三局城市投資運(yùn)營(yíng)有限公司2) 武漢 430070) (武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院3) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心4) 武漢 430063)

0 引 言

阻燃劑目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在我國(guó)隧道瀝青路面工程中.在應(yīng)用過(guò)程中，不僅需要使瀝青與瀝青混合料達(dá)到良好的阻燃效果，還需要考慮瀝青與瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍性能和低溫抗裂性能[1-2].

JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)程》)規(guī)定采用環(huán)球法來(lái)測(cè)定瀝青的軟化點(diǎn)，并將其作為瀝青的高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo).使用軟化點(diǎn)評(píng)價(jià)SBS改性瀝青高溫性能時(shí)，由于具有較高的指標(biāo)要求，生產(chǎn)中需要加入更多的膠結(jié)劑.我國(guó)SBS改性瀝青中蠟含量普遍偏高，很容易導(dǎo)致瀝青軟化點(diǎn)的測(cè)量值要高于實(shí)際值.另外，軟化點(diǎn)本質(zhì)上是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)，沒(méi)有考慮瀝青作為黏彈性材料的流變性能，無(wú)法有效反映改性瀝青的彈性恢復(fù)能力.因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外采用多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(multi-tress creep recovery，MSCR)試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能，可以更好地反映出改性瀝青的非線(xiàn)性黏彈性響應(yīng)[3].

目前，我國(guó)規(guī)范主要以延度這一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能.但隨著道路材料、施工技術(shù)的不斷改進(jìn)，單一的延度控制指標(biāo)無(wú)法對(duì)瀝青的低溫性能作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià).因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出采用測(cè)力延度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的低溫抗裂性能.文獻(xiàn)[4]認(rèn)為，通過(guò)積分計(jì)算測(cè)力延度試驗(yàn)得到的韌性比，可以很好的評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫抗裂性能.文獻(xiàn)[5]對(duì)七種代表性改性瀝青進(jìn)行大量測(cè)力延度試驗(yàn)，驗(yàn)證了拉伸柔量這一指標(biāo)評(píng)價(jià)改性瀝青低溫性能的合理性.國(guó)內(nèi)外大量測(cè)力延度試驗(yàn)研究表明，測(cè)力延度試驗(yàn)可以更有效地評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫性能[6-7].

文中對(duì)不同阻燃劑種類(lèi)與摻量的七組SBS改性瀝青進(jìn)行多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，分析阻燃改性瀝青在不同的應(yīng)力水平與溫度條件下的黏彈性響應(yīng)變化規(guī)律，測(cè)量不同阻燃改性瀝青的蠕變恢復(fù)百分率R與不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr來(lái)對(duì)比分析七組阻燃改性瀝青的高溫穩(wěn)定性能.通過(guò)瀝青測(cè)力延度試驗(yàn)測(cè)得的延伸量、拉伸柔量f以及韌性比R等指標(biāo)，分析七種阻燃改性瀝青在短期老化后的低溫拉伸特性及拉伸變化機(jī)理.

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1瀝青

選用湖北某公司生產(chǎn)的I-D改性瀝青，性能指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

1.1.2阻燃劑

阻燃劑包括有機(jī)阻燃劑和無(wú)機(jī)阻燃劑兩類(lèi)，其中有機(jī)阻燃劑為無(wú)鹵阻燃劑AP428，無(wú)機(jī)阻燃劑為將氫氧化鋁(ATH)和氫氧化鎂(MH)進(jìn)行一定比例的復(fù)配制得的氫氧化物復(fù)配阻燃劑，性能指標(biāo)見(jiàn)表2.

表2 阻燃抑煙劑物理性質(zhì)

1.1.3制備阻燃改性瀝青

將1 kg左右SBS改性瀝青放在110 ℃烘箱中進(jìn)行1 h脫水處理，在180 ℃的烘箱中保溫1 h，倒入瀝青罐，啟動(dòng)高速剪切儀，轉(zhuǎn)速500 r/min，將稱(chēng)取好的阻燃劑倒入瀝青罐中，全部倒入后逐漸將剪切儀轉(zhuǎn)速升至5 000 r/min，高速剪切15 min，最后再將轉(zhuǎn)速調(diào)制1 000 r/min，低速剪切10 min驅(qū)趕氣泡，后將瀝青罐冷卻至室溫即可制得阻燃瀝青試樣.阻燃改性瀝青配置方案見(jiàn)表3.

表3 阻燃改性方案

1.2 試驗(yàn)

1.2.1多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)

根據(jù)AASHTO-TP70,使用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱對(duì)改性瀝青試樣進(jìn)行短期老化處理，使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(dynamic shear rheological，DSR)來(lái)進(jìn)行MSCR試驗(yàn).考慮到我國(guó)大部分地區(qū)夏季路面的最高溫度范圍以及Superpave規(guī)范的分級(jí)溫度，試驗(yàn)選取四個(gè)試驗(yàn)溫度分別為：58，64，70和76 ℃，選取轉(zhuǎn)子的直徑為25 mm，轉(zhuǎn)子與夾具下平行板之間的間距設(shè)置為1 mm.為了模擬輕、重交通兩種荷載工況，試驗(yàn)選取0.1和3.2 kPa兩個(gè)應(yīng)力水平，以一次蠕變-恢復(fù)試驗(yàn)(加載1 s，卸載9 s)為一個(gè)周期，進(jìn)行10個(gè)周期的蠕變-恢復(fù)試驗(yàn).0.1和3.2 kPa兩個(gè)應(yīng)力水平之間的重復(fù)蠕變-恢復(fù)過(guò)程無(wú)間隙，單個(gè)試樣的整個(gè)MSCR試驗(yàn)共20個(gè)周期，耗時(shí)300 s，DSR自動(dòng)采集試驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)試驗(yàn)周期樣品的應(yīng)變數(shù)據(jù).圖1為MSCR試驗(yàn)中應(yīng)變隨加載時(shí)間變化示意圖.

圖1 MSCR試驗(yàn)典型的蠕變恢復(fù)曲線(xiàn)

MSCR試驗(yàn)得到的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為蠕變恢復(fù)百分率R以及不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr，即

(1)

(2)

式中：σ為施加的應(yīng)力水平，等于0.1或3.2 kPa；N為加載周期.

1.2.2測(cè)力延度試驗(yàn)

試驗(yàn)方法參照《規(guī)程》，試驗(yàn)的設(shè)備為SYD-4508型延伸度試驗(yàn)器.繪制拉伸曲線(xiàn)見(jiàn)圖2.

圖2 測(cè)力延度試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)圖

由圖2可知:①ab階段為彈性形變階段，曲線(xiàn)近似線(xiàn)性上升，表示的是SBS該改性瀝青在低溫下的彈性變形；②bc階段為塑性階段，表示的是SBS改性瀝青受到的拉力超過(guò)其最大彈性極限拉力峰值Fmax后，材料到達(dá)屈服點(diǎn)，開(kāi)始產(chǎn)生塑形頸縮變形；③cd階段為蠕變階段，這個(gè)階段的瀝青的拉伸變形增加幅度變小，試件中間細(xì)頸部分長(zhǎng)度逐漸增加，直至拉斷.

選擇延伸量、拉伸柔量f、韌性比R三個(gè)指標(biāo)來(lái)對(duì)七種改性方案的低溫抗開(kāi)裂進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).延伸量D為拉伸曲線(xiàn)的最大延伸位移，即斷裂點(diǎn)d點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移，該值就是瀝青在5 ℃下的延度值.拉伸柔量f為

f=Fmax/D

(3)

令第二階段bc段曲線(xiàn)直線(xiàn)部分切線(xiàn)與橫坐標(biāo)交點(diǎn)為e點(diǎn)，第三階段cd段d點(diǎn)在橫坐標(biāo)的投影為f點(diǎn)，則S1為abe的面積，S2為bcdfe的面積，韌性比R為

(4)

2 阻燃抑煙改性瀝青高溫性能分析與評(píng)價(jià)

2.1 不可恢復(fù)蠕變模量Jnr

表4～5為七組阻燃改性瀝青在0.1和3.2 kPa兩個(gè)應(yīng)力水平、58、64、70和76 ℃四個(gè)試驗(yàn)溫度下的Jnr值.

表4 Mscr試驗(yàn)的Jnr結(jié)果(0.1 kPa)

由表4～5可知：①隨著試驗(yàn)溫度的升高，阻燃改性瀝青的Jnr值逐漸變大，說(shuō)明溫度越高，改性瀝青的殘余變形就越大，高溫抗變形能力也就越弱；②隨著有機(jī)阻燃劑AP428摻量的增加，各個(gè)試驗(yàn)溫度下改性瀝青的Jnr值逐漸下降，表明改性瀝青的抗永久變形能力提高，但是下降的幅度逐漸縮小，有機(jī)阻燃劑摻量較高時(shí)，摻量的變化對(duì)改性瀝青的高溫抗變形能力影響較??；③在3.2 kPa應(yīng)力水平下，改性瀝青的Jnr值均有所增加，說(shuō)明荷載是影響改性瀝青高溫抗變形能力的一個(gè)重要因素，在低荷載情況下改性瀝青的抗變形能力更好，這與瀝青路面在實(shí)際服役條件下，承受較大的輪胎壓力容易產(chǎn)生較深的永久變形的情況是一致的.④對(duì)比七組數(shù)據(jù)，改性瀝青的殘余變形從小到大以此為：SBS+14%AP428>SBS+15%ATH+5%MH>SBS>SBS+10%ATH+10%MH>SBS+18%AP428>SBS+10%AP428>SBS+5%ATH+15%MH

表5 MSCR試驗(yàn)Jnr結(jié)果(3.2 kPa)

2.2 蠕變恢復(fù)百分率R

表6～7為七組阻燃改性瀝青在0.1和3.2 kPa應(yīng)力水平下的R值.

表6 MSCR試驗(yàn)R結(jié)果(0.1 kPa)

表7 MSCR試驗(yàn)R結(jié)果(3.2 kPa)

由表6～7可知：①七組阻燃改性瀝青在0.1和3.2 kPa兩個(gè)應(yīng)力水平下的R值都隨試驗(yàn)溫度的升高呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，說(shuō)明溫度的升高改變了改性瀝青的黏彈性組成，溫度越高，改性瀝青的彈性恢復(fù)越小，抗變形能力也就越差，這與Jnr值結(jié)果一致.②改性瀝青在0.1 kPa應(yīng)力水平下的R值大于3.2 kPa應(yīng)力水平的R值，表明改性瀝青在低應(yīng)力作用下的彈性恢復(fù)性能比高應(yīng)力作用下的彈性恢復(fù)性能高，改性瀝青的累積形變也隨應(yīng)力的增大而增大.③對(duì)比七組改性瀝青的R值，彈性恢復(fù)性能從高到低排序?yàn)椋篠BS+14%AP428>SBS+15%ATH+5%MH>SBS>SBS+10%ATH+10%MH>SBS+18%AP428>SBS+10%AP428>SBS+5%ATH+15%MH.

3 阻燃抑煙改性瀝青低溫抗開(kāi)裂性能分析

不同阻燃劑種類(lèi)與摻量的七組阻燃改性瀝青的測(cè)力延度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 不同阻燃改性方案下SBS改性瀝青的測(cè)力延度曲線(xiàn)

由圖3可知：阻燃劑摻量主要影響SBS改性瀝青的最大拉力和延伸量，少量添加阻燃劑就可極大幅度地改變改性瀝青的延度拉力峰值和延伸量.無(wú)機(jī)氫氧化物復(fù)配阻燃劑不能有效地增強(qiáng)改性瀝青的低溫性能，反而使得改性瀝青在低溫情況下更容易斷裂，分析其原因是氫氧化物與瀝青之間有較好的相容性，兩者之間雖然無(wú)法發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是氫氧化物表面對(duì)瀝青有吸附作用，降低兩者之間的張力，使瀝青稠度增加，并逐漸變脆變硬，因此延伸量逐漸降低.

提取七組阻燃改性瀝青試樣在測(cè)力延度試驗(yàn)拉伸破壞全過(guò)程的原始數(shù)據(jù)，韌性比R與拉伸柔量f隨阻燃劑摻量變化見(jiàn)圖4.

圖4 不同阻燃改性方案下SBS改性瀝青的韌性比R與拉伸柔量f

由圖4可知：①隨著AP428摻量的增加，SBS改性瀝青的韌性比R呈先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，當(dāng)AP428的摻量為14%時(shí)達(dá)到最大，當(dāng)摻量繼續(xù)增加到18%，SBS改性瀝青的韌性比反而降低了17%，延度結(jié)果與韌性比R結(jié)果有很好的一致性.添加ATH & MH復(fù)配的無(wú)機(jī)阻燃劑后，隨著大顆粒MH比例的增加，SBS改性瀝青的韌性比R逐漸降低.分析韌性比R降低的主要原因，是有機(jī)阻燃劑AP428與無(wú)機(jī)氫氧化物阻燃劑均為粉狀添加劑，加入瀝青后替代了部分礦粉，與瀝青混合后形成了瀝青膠漿；添加阻燃劑后，SBS改性瀝青在彈性變形階段的拉力峰值均明顯增加，這說(shuō)明阻燃劑的添加可以有效的提高瀝青承受荷載的能力，但隨著粉膠比繼續(xù)增大，阻燃劑顆粒在瀝青基體中受到的摩阻力逐漸減小，填料之間的相互作用明顯，所形成的瀝青膠漿稠度逐漸增大，導(dǎo)致其低溫延展性以及韌性逐漸降低.②隨著有機(jī)阻燃劑與無(wú)機(jī)阻燃劑中大顆粒MH摻量的增加，SBS改性瀝青拉伸破壞過(guò)程中的拉伸柔量f逐漸增加.

綜合以上峰值拉力、斷裂拉力、延伸量、韌性比R和拉伸柔量f等測(cè)力延度計(jì)算指標(biāo)，7種阻燃改性方案下改性瀝青低溫抗裂性能從好到壞的排序依次是：SBS+14%AP428>SBS+18%AP428>SBS+10%AP428>SBS>SBS+15%ATH+5%MH>SBS+10%ATH+10%MH>SBS+5%ATH+15%MH.

4 結(jié) 論

1) 對(duì)7種阻燃改性瀝青在0.1和3.2 kPa兩個(gè)應(yīng)力水平下的MSCR試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，添加14%有機(jī)阻燃劑AP428的SBS改性瀝青的平均回復(fù)率最大，并且隨溫度改變量最小.7種阻燃改性瀝青試樣的高溫彈性恢復(fù)性能從高到低排序?yàn)椋篠BS+14%AP428>SBS+15%ATH+5%MH>SBS>SBS+10%ATH+10%MH>SBS+18%AP428>SBS+10%AP428>SBS+5%ATH+15%MH

2) 通過(guò)計(jì)算韌性比R和拉伸柔量f，發(fā)現(xiàn)添加有機(jī)阻燃劑的SBS改性瀝青的整體低溫性能要優(yōu)于添加無(wú)機(jī)阻燃劑的SBS改性瀝青，其中添加14%有機(jī)阻燃劑APA428的SBS改性瀝青的韌性比最大，無(wú)添加的SBS改性瀝青的拉伸柔量最小.對(duì)比峰值拉力、斷裂拉力、延伸量等其他測(cè)力延度指標(biāo)，在七種阻燃改性方案的SBS改性瀝青中，低溫抗裂性能最佳的為添加14%有機(jī)阻燃劑AP428的SBS改性瀝青.

3) 綜上所述，考慮到瀝青與瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍性能和低溫抗裂性能，應(yīng)選擇阻燃劑的種類(lèi)為有機(jī)阻燃劑AP428，適宜摻量為瀝青質(zhì)量的14%.