聚合物高黏改性瀝青改性機(jī)理與性能試驗(yàn)研究

楊三強(qiáng)，劉 璐，蘇勝昔，孫 爽

(1.河北省土木工程監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)創(chuàng)新中心 河北大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710000；3.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北 石家莊 050011)

0 引言

近年來，隨著雄安新區(qū)的建設(shè)和環(huán)繞京津兩地衛(wèi)星城國家頂層規(guī)劃方案的出臺(tái)與實(shí)施，雄安新區(qū)海綿城市建設(shè)速度加快。新區(qū)周邊的公園、廣場(chǎng)、行車道等硬化面積急劇增長(zhǎng)，造成水體循環(huán)變差，綠化面積減少，間接或直接影響整個(gè)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。在此背景下，海綿透水瀝青路面材料的研究與應(yīng)用已刻不容緩。譚憶秋[1]等通過動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)，從5個(gè)角度分析了常用改性劑對(duì)瀝青的改性效果，證明了從能量角度評(píng)價(jià)瀝青的黏彈特性的可行性；董澤蛟[2]等通過改變改性順序和改性劑摻量，研究其對(duì)復(fù)合改性瀝青的影響；魏學(xué)成[3]、楊三強(qiáng)[4]等研究了不同膠粉摻量下改性瀝青的變化；陳瑤[5]等的研究表明，影響透水瀝青路面路用性能的關(guān)鍵指標(biāo)是瀝青的布氏黏度，隨著布氏黏度的增大，混合料的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性將顯著增加。鑒于此，本文依托河北省自然科學(xué)基金“高動(dòng)水壓孔隙水下透水瀝青混合料海綿效應(yīng)機(jī)理及微觀特征研究”項(xiàng)目，借助瀝青傳統(tǒng)指標(biāo)試驗(yàn)、布氏黏度試驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)制備測(cè)試瀝青試樣，通過SEM電鏡掃描，研究各添加劑對(duì)改性瀝青的性能影響，以及對(duì)兩種不同基質(zhì)瀝青的改性效果。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

高黏改性瀝青是海綿城市透水路面瀝青混合料改性劑的核心原材料。大量研究表明，影響高黏改性瀝青的主要因素有瀝青品質(zhì)、改性組分材料與摻量[6-10]。以改性瀝青的布氏黏度為主要指標(biāo)，同時(shí)測(cè)定材料物理指標(biāo)的變化規(guī)律，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)與數(shù)值分析，得到聚合物改性瀝青的最優(yōu)配伍成分。

1.1 原材料試驗(yàn)方案

基質(zhì)瀝青采用中石化70#瀝青和中石化90#瀝青，加入80目橡膠粉、SBS、TPS等外摻組分，以針入度、軟化點(diǎn)、15 ℃延度、5 ℃延度和布氏黏度為指標(biāo)，開展聚合物高黏改性瀝青的配伍性試驗(yàn)與性能指標(biāo)測(cè)試。外摻組分種類如表1所示。

以廢舊橡膠粉為主，配以黏結(jié)性樹脂和相容劑與其他成分組成的改性產(chǎn)品，將基質(zhì)瀝青加熱到(175±5)℃，加入各種添加劑，利用高速剪切乳化機(jī)以2 000 r/min的轉(zhuǎn)速，低速恒溫剪切10 min，再以5 000 r/min的轉(zhuǎn)速高速剪切45 min。

表1 外摻組分種類Table 1 Class of admixtures外摻組分化學(xué)成分廢舊橡膠粉聚合物改性劑SBSTPSEVA萜烯樹脂添加劑穩(wěn)定劑相容劑(芳香油40#)

1.2 改性瀝青配伍試驗(yàn)方案

基于國內(nèi)外相關(guān)研究成果[11-14]，為研究基質(zhì)瀝青類型對(duì)改性瀝青性能的影響，本試驗(yàn)采用的基質(zhì)瀝青為中石化70#瀝青和中石化90#瀝青，改性瀝青配伍試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 改性瀝青配伍試驗(yàn)方案Table 2 Modified asphalt compatibility test plan方案類型基質(zhì)瀝青膠粉(80目)/%SBS/%TPS/%EVA/%萜烯樹脂/%穩(wěn)定劑/%相容劑(芳香油40#)/%A70#1580040.25B70#078000.26C70#1278000.28D70#1278300.24

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 不同基質(zhì)瀝青指標(biāo)分析

基質(zhì)瀝青指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果見表3，4組分組成如表4所示。

表3 基質(zhì)瀝青指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 Matrix asphalt index test results指標(biāo)類型針入度/(0.1 mm)軟化點(diǎn)/℃15 ℃延度/mm5 ℃延度/mm60 ℃動(dòng)力黏度/(Pa·s)70#基質(zhì)瀝青79.550.51 70034118090#基質(zhì)瀝青8844.61 200272160

表4 基質(zhì)瀝青4組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 4 Mass fraction of four components in matrix asphalt4組分70#90#S7.528.04At28.415.03Ar40.136.15R22.115.41

由表3對(duì)比分析可知，70#基質(zhì)瀝青與90#基質(zhì)瀝青相比，針入度較低，軟化點(diǎn)、延度和60 ℃黏度較高。因此，70#瀝青具有更好的黏度和塑性，對(duì)溫度較不敏感，在高溫下，更能保持原有的路用性能。90#基質(zhì)瀝青針入度較高，具有更好的流動(dòng)性。不同瀝青具有不同瀝青組分，不同的組分使瀝青具有不同的性能和指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果。

2.2 改性瀝青指標(biāo)分析

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)中選擇4種改性劑方案，對(duì)70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行高黏改性，進(jìn)行5種指標(biāo)檢驗(yàn)，見表5。

表5 改性瀝青指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果Table 5 Modified asphalt index inspection results編號(hào)方案類型基質(zhì)瀝青針入度/mm軟化點(diǎn)/℃5 ℃延度/mm15 ℃延度/mm布氏黏度/(Pa·s)1A67.472.724.9263.752B70#基質(zhì)瀝青70.867.944.7654.134.643C62.0775.8541.3756.31.914D60.438033.638.93.03 檢測(cè)方法T0604T0606T0605T0605T0602 技術(shù)要求≥40≥80≥30≥80≥3.03

根據(jù)表5，對(duì)比分析改性瀝青1和改性瀝青2可知，在基質(zhì)瀝青均為70#基質(zhì)瀝青時(shí)，用TPS作為改性劑的延度和布氏黏度要比用膠粉作為改性劑時(shí)較高，且其布氏黏度可以滿足技術(shù)要求，但其軟化點(diǎn)略低。TPS是一種熱塑性彈性體，當(dāng)受熱融于熱瀝青中，當(dāng)達(dá)到一定摻量要求時(shí)，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而可以增大基質(zhì)瀝青瀝青的延度和黏度。

對(duì)比分析改性瀝青1、2和3可知，同時(shí)采用廢舊膠粉和TPS作為改性劑，相比于只用膠粉和只用TPS改性劑，其軟化點(diǎn)和延度均有所提高，但其改性后的布氏黏度與技術(shù)要求的差距更大。

對(duì)比分析改性瀝青3和改性瀝青4，在膠粉和TPS作為改性劑的基礎(chǔ)上加入3%含量的EVA，其布氏黏度得到提高，軟化點(diǎn)也相應(yīng)提高，但其延性指標(biāo)降低，塑性變差，EVA與瀝青相溶性較好，體系不易與瀝青分離。改性劑之間存在配伍特性，改性劑組合類型不同，會(huì)顯著影響改性瀝青的改性效果。

2.3 優(yōu)化改性瀝青性能分析

一般認(rèn)為透水瀝青路面水損壞機(jī)理，主要依據(jù)的是黏附性理論，其他指標(biāo)相同的情況下，一定黏度范圍內(nèi)，瀝青黏度越高，瀝青與混合料的黏結(jié)越強(qiáng)，從而可以減少瀝青路面的水損壞，因此瀝青路面對(duì)高黏改性瀝青的黏度要求比較高。不同情況下不同型號(hào)改性瀝青黏度見圖1、圖2。

圖1 70#改性瀝青布氏黏度

圖2 70#、90#瀝青60 ℃動(dòng)力黏度

根據(jù)圖1可知，在基質(zhì)瀝青相同的情況下，方案B可有效提高70#基質(zhì)瀝青的布氏黏度，且達(dá)到技術(shù)要求，故在方案B基礎(chǔ)上進(jìn)行聚合物高黏改性瀝青組分優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了研究相同改性組分對(duì)不同改性瀝青的改性效果，同時(shí)，根據(jù)圖2可知， 90#基質(zhì)瀝青本身具有較低的60 ℃動(dòng)力黏度，黏度具有更大的提升空間，所以聚合物高黏在方案B的基礎(chǔ)上，保持TPS含量不變，依次減少SBS的含量，因?yàn)橄嗳輨┑淖饔檬谴偈固砑觿┡c瀝青更好地相溶，根據(jù)對(duì)添加劑SBS含量的調(diào)整對(duì)相容劑含量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，優(yōu)化調(diào)整后改性瀝青配伍試驗(yàn)方案與指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 優(yōu)化瀝青配伍方案與指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果Table 6 Optimization of asphalt compatibility scheme and index test resul編號(hào)基質(zhì)瀝青方案類型相容劑/%SBS/%穩(wěn)定劑/%TPS/%針入度/mm軟化點(diǎn)/℃5 ℃延度/mm15 ℃延度/mm布氏黏度/(Pa·s)5B670.2847.293.146.977.92.04690#基質(zhì)瀝青E550.2852.794.236.491.99.557F4.34.30.2863.5102.832.979.32.048G3.740.2874.6105.431.271.91.02注: 檢驗(yàn)方法和技術(shù)要求同表5。

由表6可知，TPS組分和SBS組分具有良好的配伍特性，二者結(jié)合可以達(dá)到更優(yōu)的改性效果，同時(shí)，SBS摻量的不同影響整體改性效果，當(dāng)TPS摻量為8%，SBS摻量為5%，相容劑摻量為5%，穩(wěn)定劑摻量為0.2%時(shí)，制備出的改性瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均可以達(dá)到技術(shù)要求。

由圖3、圖4可知，本次試驗(yàn)所選擇的4種SBS摻量設(shè)計(jì)，其改性瀝青15 ℃延度和布氏黏度指標(biāo)均有提高，其中5.5%SBS摻量的改性瀝青，其15 ℃延度和布氏黏度均能夠滿足技術(shù)要求。相同瀝青品質(zhì)，SBS助劑摻量在TPS各項(xiàng)相同的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高瀝青的延度和布氏黏度。在改性組分中摻入SBS助劑，SBS可吸收瀝青中的輕質(zhì)組分充分溶脹并形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，完善改性效果，使改性瀝青滿足技術(shù)要求，其摻量宜控制在5.5%左右，同時(shí)，相容劑、穩(wěn)定劑摻量宜與SBS摻量相適應(yīng)。

圖3 90# 改性瀝青15 ℃延度

圖4 90# 改性瀝青布氏黏度

對(duì)比分析表4和表6可知，當(dāng)各組分含量相同時(shí)，對(duì)各組分進(jìn)行不同組合，會(huì)產(chǎn)生明顯不同的改性效果。由于各組分成分不同，相溶性也不同， 組合改性時(shí)，往往會(huì)因改性劑之間的不同程度的相溶性和組分差異性而影響改性的整體效果。同時(shí)，相同種類的改性劑，含量的不同也會(huì)影響改性效果，如試驗(yàn)中SBS摻量在5%時(shí)，改性效果最好。因此，在選擇改性劑組分時(shí)，應(yīng)選擇配伍特性較好的組分種類，選擇改性效果最優(yōu)的摻量。

對(duì)比70#、90#基質(zhì)瀝青的4組分組成，二者的膠質(zhì)與輕組分含量相當(dāng)，而70#基質(zhì)瀝青中瀝青質(zhì)的質(zhì)量約是70#基質(zhì)瀝青的2倍。可見基質(zhì)瀝青的瀝青質(zhì)含量越高，越有助于提高改性劑與基質(zhì)瀝青的配伍效果，改性瀝青的布氏黏度將越大。故在制備高黏改性瀝青時(shí)，應(yīng)對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行優(yōu)選，以達(dá)到改性劑用量較小，改性瀝青性能較優(yōu)的目的。

2.4 膠粉改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)分析

用廢舊膠粉作為主要高黏改性瀝青的改性組分受到業(yè)內(nèi)的高度關(guān)注，由表5分析可知，膠粉改瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度均未達(dá)到技術(shù)要求，尤其是延度指標(biāo)與技術(shù)要求相差較大，不易達(dá)到要求。為研究膠粉改性瀝青原理，對(duì)膠粉改性瀝青進(jìn)行微觀觀察，分析其原因，對(duì)膠粉改性瀝青進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)、熱重分析。

通過SEM電鏡觀察膠粉改性瀝青，可觀察到，有效膠粉仍以橡膠相的形式存在于，使其具有橡膠的一部分性質(zhì)，仍以膠粉形式存在的部分稱為有效膠粉。膠粉在SEM電鏡下的微觀形態(tài)見圖5。

(a) 15%膠粉的膠改瀝青的膠粉提取物

通過熱重分析，可得到不同膠粉摻量的改性瀝青中有效膠粉含量與膠粉摻量的關(guān)系，見表7。

表7 有效膠粉含量與膠粉摻量的關(guān)系Table 7 The relationship between the content of effective rubber powder and the content of rubber powder%膠粉摻量有效膠粉含量有效膠粉占摻入膠粉的比例1513.0187.02017.882.22518.581.5

由表7可知，改性瀝青中摻入的膠粉，大部分膠粉未與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，仍以膠粉形式存在，因而膠粉改性瀝青的改性效果受到限制。

3 結(jié)論

本研究依據(jù)布氏黏度試驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)，利用SEM電鏡掃描對(duì)高黏改性瀝青的配伍與性能進(jìn)行了研究， 得出以下試驗(yàn)結(jié)論:

a.通過試驗(yàn)分析，要滿足高黏改性瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，改性劑需要達(dá)到一定的摻量。推薦摻配比例為:TPS摻量為8%，SBS摻量為5%，相容劑摻量為5%，穩(wěn)定劑摻量為0.2%，可達(dá)國標(biāo)要求。

b.在相同改性劑摻量下，基質(zhì)瀝青的瀝青質(zhì)含量越大，改性瀝青黏度越大，二者的配伍性較好。

c.相同瀝青品質(zhì)與TPS摻量下，加入一定摻量SBS助劑摻量能提高瀝青的延度和布氏黏度。SBS助劑摻量宜控制在5.5%左右，同時(shí)，相容劑、穩(wěn)定劑摻量宜與SBS摻量相適應(yīng)。

d.通過SEM電鏡掃描和熱重分析，可知改性瀝青中摻入的膠粉，大部分膠粉未與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，仍以膠粉形式存在，使膠粉改性瀝青的改性效果受到限制。