聚合物改性瀝青材料延衰性能與作用機(jī)理研究

邸志偉,劉俊龍

(1.山西路橋第六工程有限公司,山西 太原 030006;2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

1 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展,道路交通逐漸成為國(guó)家發(fā)展和戰(zhàn)略的重要組成部分。瀝青路面由于其具有良好的路用性能、行車舒適性及施工便利性而逐漸成為我國(guó)道路的主要應(yīng)用形式之一[1-2]。然而,在路面的長(zhǎng)期應(yīng)用過程中,光照、溫度及濕度等自然環(huán)境的耦合作用下瀝青路面會(huì)產(chǎn)生不同程度的病害,進(jìn)而造成瀝青路面使用性能、安全性及耐久性的明顯劣化[3-4]。在眾多自然環(huán)境因素中,光照輻射是引起其長(zhǎng)期老化的主要原因之一,由于光照中的紫外輻射能量能夠誘發(fā)瀝青膠結(jié)料中部分化學(xué)鍵的斷裂,引起瀝青中羰基、亞砜基等基團(tuán)的累積,進(jìn)而促使瀝青中化學(xué)組分產(chǎn)生轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致瀝青膠體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降,最終造成瀝青路面材料質(zhì)地變硬,從而導(dǎo)致一系列病害的產(chǎn)生,對(duì)瀝青路面的服役耐久性產(chǎn)生負(fù)面影響[5-6]。因此,采用合理的技術(shù)手段有效控制瀝青路面的紫外老化對(duì)緩解其長(zhǎng)期老化造成的性能劣化具有重要意義。

基于此,優(yōu)選丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈樹脂(ASA)作為瀝青改性劑,制備丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈樹脂改性瀝青,對(duì)樹脂改性瀝青進(jìn)行不同時(shí)間的紫外老化處理,借助線型振幅掃描試驗(yàn)深入分析丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈樹脂對(duì)瀝青膠結(jié)料疲勞特性的影響規(guī)律,采用差式掃描熱試驗(yàn)系統(tǒng)研究丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈樹脂改性瀝青的玻璃化溫度等熱物性指標(biāo),明確和揭示了丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈樹脂對(duì)于瀝青膠結(jié)料紫外老化行為的控制效應(yīng)及機(jī)理,為聚合物在瀝青路面紫外老化控制中的良好應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

2.1 基質(zhì)瀝青

選用70#基質(zhì)瀝青作為改性載體,技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)

2.2 聚合物改性劑

丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈樹脂(ASA)是由丙烯腈、苯乙烯和丙烯酸橡膠組成的三元共聚物,由于沒有引入不含雙鍵的丙烯酸酯橡膠,其耐候性有所改善。ASA樹脂及分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈及其分子結(jié)構(gòu)式

2.3 聚合物改性瀝青的制備

首先將瀝青加熱至130 ℃至熔融態(tài),稱取一定質(zhì)量的瀝青置于潔凈的容器中;將定量的聚合物改性劑加入熔融的瀝青中,采用高速剪切儀對(duì)混合物進(jìn)行剪切攪拌,攪拌速率為2 500 rad/min,攪拌時(shí)間為15 min;攪拌完成后將瀝青放入120 ℃烘箱中溶脹發(fā)育,溶脹結(jié)束后即可完成改性瀝青的制備。

2.4 試驗(yàn)方法

(1)紫外老化試驗(yàn)

紫外老化試驗(yàn)按照最不利狀況進(jìn)行,試驗(yàn)紫外老時(shí)間按照我國(guó)西部地區(qū)的紫外輻射強(qiáng)度和輻射量進(jìn)行計(jì)算(太陽光年輻射強(qiáng)度約為7 000 MJ/m2·a,紫外線輻射強(qiáng)度占5%～6%)。室內(nèi)紫外輻照設(shè)備的輻射強(qiáng)度約為375 W/m2,按照對(duì)照關(guān)系可計(jì)算總紫外老化時(shí)間為305 h,具體將305 h劃分為4個(gè)紫外老化時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

(2)線型振幅掃描試驗(yàn)

線型振幅掃描試驗(yàn)(LAS)采用試驗(yàn)溫度18 ℃,8 mm平板間距為1 mm。LAS試驗(yàn)第一步:頻率掃描,控制應(yīng)變模式,應(yīng)變0.1%,掃描頻率0.2～30 Hz,記錄每個(gè)頻率的剪切模量和相位角;LAS試驗(yàn)第二步:振幅掃描,采用控制應(yīng)變模式,10 Hz加載頻率,先在0.1%的應(yīng)變下對(duì)試樣預(yù)加載100個(gè)周期(10 s),然后在1%～30%應(yīng)變水平中以1%的線性增長(zhǎng)連續(xù)加載。

(3)差式掃描熱試驗(yàn)

DSC試驗(yàn)采用低溫差示掃描量熱儀進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)試樣質(zhì)量約為9 mg,盛樣皿為鋁制。DSC試驗(yàn)的測(cè)試溫度具體為-40～180 ℃,試驗(yàn)升溫速率約為10 ℃/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 線型振幅掃描試驗(yàn)研究

分析可知,不同老化時(shí)間下70#基質(zhì)瀝青的LAS曲線,均出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力峰值,達(dá)到峰值前的總體增長(zhǎng)速率較快,峰值達(dá)到后便迅速降低,趨于平緩。與之相比,老化152.5 h的70#基質(zhì)瀝青存在應(yīng)力峰值現(xiàn)象,但是峰值處出現(xiàn)了之前其他紫外老化時(shí)間下LAS曲線未曾出現(xiàn)的應(yīng)力二次變化峰,之后峰值降低,并逐漸趨于平緩。而在228 h紫外老化70#基質(zhì)瀝青的LAS曲線中,峰值的出現(xiàn)后也出現(xiàn)了一個(gè)類似于152.5 h曲線的二次應(yīng)力變化峰,但二次變化的幅度要明顯弱于152.5 h,而應(yīng)力值降低至最低值時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值也減小到5%左右。紫外老化引起的70#基質(zhì)瀝青的線性振幅掃描曲線變化具有一定的特異性,但總體抗疲勞性能出現(xiàn)了一定程度的劣化,這與紫外老化引起的瀝青膠體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)具有一定的關(guān)系。后續(xù)需結(jié)合聚合物改性瀝青的LAS曲線進(jìn)行綜合分析。

分析可知,不同紫外老化時(shí)間條件下ASA聚合物改性瀝青的LAS曲線中,紫外老化76.25 h的ASA聚合物改性瀝青在應(yīng)變值0～5%內(nèi)迅速達(dá)到應(yīng)力峰值,然后應(yīng)力急速衰減,在6.4%左右開始出現(xiàn)短暫的平滑區(qū),而后應(yīng)力值繼續(xù)加速減小,在10%左右達(dá)到應(yīng)力最小值區(qū)域,并逐漸趨于平緩。該過程的變化與之前所做的70#基質(zhì)瀝青的LAS曲線有相似之處,同樣出現(xiàn)尖銳的應(yīng)力峰值、應(yīng)力二次變化區(qū)以及變化平緩區(qū)。152.5 h和228 h的LAS曲線則均只表現(xiàn)出了應(yīng)力峰值,并未出現(xiàn)應(yīng)力的二次變化區(qū)域。在對(duì)比圖也可以看出,紫外老化時(shí)間較短ASA聚合物改性瀝青的應(yīng)力峰值越高,而應(yīng)變值相應(yīng)越低。當(dāng)紫外老化時(shí)間達(dá)305 h時(shí)曲線中的應(yīng)力二次變化特征又再次出現(xiàn)。

3.2 聚合物改性瀝青差式掃描熱分析

由圖2及表2分析可知,70#基質(zhì)瀝青差式掃描熱曲線的吸熱峰面積較大,同時(shí)吸熱峰的總體數(shù)量相對(duì)較多,這表明70#瀝青經(jīng)紫外輻射產(chǎn)生老化后,其熱穩(wěn)定性出現(xiàn)了較大程度的劣化,二者主要是由于紫外輻射誘發(fā)瀝青中四組分比例的變化,具體為瀝青質(zhì)含量明顯增大,芳香分和膠質(zhì)等輕組分的含量相對(duì)下降,從而導(dǎo)致瀝青材料質(zhì)地變硬,抗變形能力出現(xiàn)了顯著的下降。在溫度繼續(xù)升高過程中,70#基質(zhì)瀝青剩余部分還未發(fā)生變化,表現(xiàn)為吸熱峰較小的平緩曲線。

圖2 70#基質(zhì)瀝青不同紫外老化時(shí)間下的DSC曲線圖

表2 不同紫外老化時(shí)間下70#基質(zhì)瀝青的DSC結(jié)果

由圖3及表3分析可知,不同紫外老化時(shí)間下ASA聚合物改性瀝青的差式掃描熱曲線變化趨勢(shì)基本一致,曲線總體較為平滑,吸熱峰數(shù)量相對(duì)較少。相對(duì)70#基質(zhì)瀝青其峰值寬度普遍更寬,這表明其吸熱峰面積相比更大。而差式掃描熱曲線越平緩,吸熱峰越小,瀝青表現(xiàn)越穩(wěn)定,這表明在紫外老化處理后的ASA改性瀝青樣品的熱穩(wěn)定性仍能夠保持在較高的水平,明顯優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青,這也驗(yàn)證了ASA聚合物改性劑良好的抗老化改善效果。而同時(shí),紫外老化時(shí)間與ASA聚合物改性瀝青的熱穩(wěn)定性有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 ASA改性瀝青不同紫外老化時(shí)間下的DSC曲線圖

表3 不同紫外老化時(shí)間下ASA改性瀝青的DSC結(jié)果

4 結(jié) 論

主要研究結(jié)論如下。

(1)紫外老化引起的70#基質(zhì)瀝青線性振幅掃描曲線的變化具有一定程度的特異性,但總體抗疲勞性能出現(xiàn)了一定程度的劣化,這與紫外老化引起的瀝青膠體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)具有一定的關(guān)系。

(2)紫外老化時(shí)間較短ASA聚合物改性瀝青的應(yīng)力峰值越高,而應(yīng)變值相應(yīng)越低。當(dāng)紫外老化時(shí)間達(dá)305 h時(shí)曲線中的應(yīng)力二次變化特征又再次出現(xiàn)。

(3)70#基質(zhì)瀝青差式掃描熱曲線的吸熱峰面積較大,同時(shí)吸熱峰的總體數(shù)量相對(duì)較多,這表明70#瀝青經(jīng)紫外輻射產(chǎn)生老化后,其熱穩(wěn)定性出現(xiàn)了較大程度的劣化。

(4)在紫外老化處理后的ASA改性瀝青樣品的熱穩(wěn)定性仍能夠保持在較高的水平,明顯優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青,這也驗(yàn)證了ASA聚合物改性劑良好的抗老化改善效果。而同時(shí),紫外老化時(shí)間與ASA聚合物改性瀝青的熱穩(wěn)定性有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。