高黏改性瀝青制備及流變性能研究

唐艷輝

(廣西北投公路建設投資集團有限公司,廣西 南寧 530001)

0 引言

瀝青路面以其行車舒適、維修便捷、施工方便而廣泛應用于我國高等級公路。隨著時代和技術(shù)的發(fā)展,原有的密級配瀝青混合料逐漸暴露出許多缺點,尤其是雨天不能快速排水而產(chǎn)生行車安全的隱患。為解決這一問題,排水瀝青路面應運而生。排水瀝青路面起源于德國,并在歐洲得到大規(guī)模應用[1],排水瀝青路面用于提升雨天行車安全性,同時考慮到其降噪的優(yōu)點,多應用于人口稠密的城市道路。由此可見,相比傳統(tǒng)的瀝青路面,排水瀝青路面有明顯的排水降噪優(yōu)勢。我國的排水瀝青路面于20世紀80、90年代在上海、廣東、黑龍江等地有小規(guī)模應用,但由于技術(shù)限制,效果不是很好。2001—2004年,公路科學研究院承擔了交通運輸部西部項目《山區(qū)公路瀝青面層排水技術(shù)的研究》課題研究,解決了我國排水路面的設計、強度和施工等方面問題,為排水瀝青路面在我國的大規(guī)模應用奠定了良好的技術(shù)基礎[2]。國內(nèi)外主要采用高黏改性瀝青作為排水瀝青路面的膠結(jié)料,且高黏改性瀝青具有較強的粘結(jié)性能,在提升瀝青混合料空隙率的前提下可保障混合料的路用性能不受影響。我國學者對高黏瀝青開展了大量研究,叢卓紅等[3]分析了不同標號、不同性質(zhì)瀝青摻加高黏改性劑TPS后的性能變化規(guī)律,獲得了高黏改性瀝青的最佳摻量。袁東東等[4-5]對比分析SBS改性瀝青、高黏瀝青、橡膠瀝青的流變性能,認為高黏改性瀝青的高低溫性能均優(yōu)于SBS和橡膠改性瀝青,并分析了高黏瀝青在熱氧老化作用下的性能變化規(guī)律,得出結(jié)論:熱氧老化作用下,高黏瀝青輕質(zhì)組分揮發(fā)、高黏劑溶脹、降解。李夢怡[6]對高黏瀝青的流變性能展開分析,得出結(jié)論:高黏劑對高黏瀝青的高溫PG分級有提升作用,但對低溫PG分級無改善作用。上述研究表明高黏瀝青相比普通瀝青及其他改性瀝青具有一定的性能優(yōu)勢,但高黏瀝青對瀝青低溫性能的改善作用有爭議。因此,本文以70#道路石油瀝青、抗氧化劑、增塑劑、SBS改性劑、穩(wěn)定劑配制高黏改性瀝青,采用正交試驗獲得最佳配方,并對比分析所配制高黏改性瀝青、日本TPS高黏瀝青以及SBS改性瀝青的高低溫流變性能及零剪切黏度,以期在提升高黏改性瀝青高溫性能的同時改善其低溫性能。與此同時,日本TPS高黏改性瀝青價格昂貴,不利于排水路面的大規(guī)模推廣應用,而本研究的開展對工程實踐中優(yōu)選價格合適、性能優(yōu)良的高黏改性瀝青具有一定的參考作用。

1 試驗部分

1.1 材料及儀器

以中海70#A級道路石油瀝青為基質(zhì)瀝青,相關技術(shù)指標見表1。SBS改性劑為市場上購買的成品,相關技術(shù)指標見表2。抗氧劑主要成分為受阻酚類高分子量型抗氧劑和亞磷酸酯類抗氧劑,由二者復配制成。穩(wěn)定劑主要成分為改性樹脂。

表1 70#A級瀝青基本指標表

表2 SBS改性劑基本參數(shù)表

1.2 高黏改性瀝青制備

1.2.1 高黏改性瀝青制備方法

以70#A級瀝青為基質(zhì)瀝青,將其加熱到150 ℃后,加入SBS改性劑,采用高速剪切儀在5 000 r/min的速率下旋轉(zhuǎn)剪切30 min,然后分別加入相應重量增塑劑、穩(wěn)定劑、抗氧化劑,在高速剪切儀4 000 r/min的剪切速率下旋轉(zhuǎn)剪切20 min,放入170 ℃烘箱中采用錫紙封閉發(fā)育30 min。

1.2.2 正交試驗設計

以抗氧化劑、增塑劑、SBS改性劑、穩(wěn)定劑制備高黏改性瀝青,每個影響因素設置4個水平,以4因素4水平進行高黏改性瀝青制備研究。各因素水平所對應的摻量見表3;采用SPSSAU軟件設計正交表,結(jié)果見表4。本文所涉及抗氧化劑、增塑劑、SBS改性劑、穩(wěn)定劑以及TPS高黏改性劑的摻量均為外摻。

表3 研究因素水平表

表4 正交試驗方案表

1.2.3 正交試驗結(jié)果與分析

選擇60 ℃動力黏度、彈性恢復兩個評價指標對高黏瀝青進行試驗,試驗結(jié)果見表5。采用SPSSAU軟件進行極差分析,分析結(jié)果見表6～7。為直觀展示各因子對評價指標的影響,繪制各因子水平均值曲線圖,見圖1和圖2。從表6和圖1可知,在60 ℃動力黏度的評價指標下,抗氧化劑、增塑劑、SBS改性劑、穩(wěn)定劑的最佳水平分別為3、2、4、3,即抗氧劑摻量為0.15%、增塑劑摻量為0.1%、SBS改性劑摻量為9%、穩(wěn)定劑摻量為0.3%。而根據(jù)下頁表7和圖2,抗氧化劑、增塑劑、SBS改性劑、穩(wěn)定劑的最佳水平分別為3、4、3、3,各添加劑的摻量水平在彈性恢復指標下最優(yōu)為:抗氧劑摻量為0.15%、增塑劑摻量為0.2%、SBS改性劑摻量為8%、穩(wěn)定劑摻量為0.3%。從分析結(jié)果可知,兩個評價指標下各添加劑的最優(yōu)摻量水平相差較小,其中抗氧化劑和穩(wěn)定劑的摻量在兩個評價指標下的最優(yōu)摻量水平一致。試驗結(jié)果表明,各因素各水平下高黏改性瀝青彈性恢復指標相差較小,而60 ℃動力黏度試驗結(jié)果數(shù)值相差較大。因此,考慮到60 ℃動力黏度與彈性恢復指標實際測試結(jié)果,最終確定高黏瀝青配方為:抗氧劑摻量為0.15%、增塑劑摻量為0.1%、SBS改性劑摻量為9%、穩(wěn)定劑摻量為0.3%。

圖1 60 ℃動力黏度因子水平均值曲線圖

圖2 彈性恢復因子水平均值曲線圖

表5 評價指標試驗結(jié)果表

表6 60 ℃動力黏度極差分析表

表7 彈性恢復指標極差分析表

2 試驗結(jié)果及分析

對比分析所配制的高黏改性瀝青、日本TPS高黏改性瀝青、SBS改性瀝青的高低溫流變性能及零剪切黏度,其中SBS改性瀝青為中海牌成品改性瀝青,日本TPS高黏改性瀝青為TPS高黏改性劑摻入本文所選用70#A級道路石油瀝青配制而成,摻量為10%。為便于繪制圖表,本文所配制的高黏改性瀝青以H-1代替。

2.1 高溫流變性能

采用動態(tài)剪切流變儀進行高溫流變性能試驗,試驗溫度區(qū)間為58 ℃～94 ℃,間隔溫度設置為6 ℃,分別對短期老化前后的高黏改性瀝青以及SBS改性瀝青開展試驗,短期老化方式采用RTFOT。試驗結(jié)果見圖3、圖4和表8。由圖3、圖4可知:短期老化前后,所配制的H-1高黏改性瀝青車轍因子均優(yōu)于SBS改性瀝青,且與TPS高黏改性瀝青相當。美國SHRP計劃對瀝青結(jié)合料的高溫PG分級的標準為:原樣瀝青≥1.0 kPa,短期老化后≥2.2 kPa。根據(jù)該標準,H-1高黏改性瀝青與TPS高黏改性瀝青高溫PG分級結(jié)果相當,比SBS改性瀝青高溫PG分級多3個等級,高溫性能相比SBS改性瀝青有大幅度提升。對比分析TPS高黏改性瀝青與H-1高黏改性瀝青,在原樣狀態(tài)下二者車轍因子相差較小,短期老化后明顯拉開了差距,且H-1高黏改性瀝青高于TPS高黏改性瀝青,證明本文自研H-1高黏改性瀝青的抗短期老化性能優(yōu)于TPS高黏改性瀝青。

圖3 原樣狀態(tài)車轍因子變化曲線圖

圖4 短期老化狀態(tài)車轍因子變化曲線圖

表8 高溫PG分級結(jié)果表

2.2 低溫流變性能

采用BBR試驗評價高黏改性瀝青及SBS改性瀝青的低溫流變性能,試驗結(jié)果見表9。從表9可知,H-1高黏改性瀝青S值略低于TPS高黏改性瀝青,m值略高于TPS高黏改性瀝青,但二者的低溫PG分級結(jié)果一致,因此H-1高黏改性瀝青的低溫性能略優(yōu)于TPS改性瀝青,證明本文所采用配方有效提升了高黏改性瀝青的低溫性能。值得注意的是,兩種高黏瀝青低溫性能均優(yōu)于SBS改性瀝青?？紤]到瀝青結(jié)合料的低溫性能與其抗裂性能、韌性等均有一定相關性,因此在用于排水路面時不宜采用SBS改性瀝青,而應選用高黏改性瀝青。

表9 BBR試驗結(jié)果表

2.3 零剪切黏度

由于瀝青結(jié)合料具有典型的非牛頓流體的特性,因此在路面材料領域多采用零剪切黏度指標評價高黏改性瀝青的高溫性能。零剪切黏度試驗的剪切頻率范圍為0～100 s-1,試驗結(jié)果見圖5。從圖5可知,H-1與TPS高黏改性瀝青的黏度在各剪切頻率范圍內(nèi)均高于SBS改性瀝青,因此二者的高溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青,結(jié)論與前文高溫流變性能試驗結(jié)果一致。

圖5 零剪切黏度試驗結(jié)果曲線圖

采用Carreau模型對高黏改性瀝青、SBS改性瀝青的零剪切黏度試驗結(jié)果曲線進行擬合,Carreau模型見式(1),擬合結(jié)果見表10。從表10可知,H-1高黏改性瀝青零剪切黏度均高于TPS高黏改性瀝青與SBS改性瀝青,因此本文所采用的高黏改性瀝青配方有效提升了高黏改性瀝青的高溫性能。

表10 零剪切黏度Carreau模型擬合結(jié)果表

(1)

式中:η0——零剪切黏度(Pa·s);

η∞——剪切速率無窮大時所對應的黏度(Pa·s);

χ——剪切速率(s-1);

p——材料參數(shù),無量綱;

κ——調(diào)整松弛時間,無量綱。

2.4 材料造價分析

根據(jù)現(xiàn)有資料,TPS改性劑價格為4萬元/t[7]。自研H-1型高黏改性劑所需的原材料為抗氧化劑、增塑劑、SBS改性劑、穩(wěn)定劑,根據(jù)現(xiàn)有的市場造價確定H-1高黏改性瀝青的造價見表11。本文所涉及的TPS高黏改性瀝青,其TPS改性劑的摻量為10%,按照4萬元/t的價格計算本文TPS高黏改性瀝青的造價為7 500元。H-1高黏改性瀝青的造價僅為TPS高黏改性瀝青的58.7%,且性能與TPS高黏改性瀝青相當。因此,H-1高黏改性瀝青不僅性能優(yōu)良,在造價方面也有極大的優(yōu)勢。

表11 H-1高黏改性瀝青造價表

3 結(jié)語

本文以抗氧化劑、增塑劑、SBS改性劑、穩(wěn)定劑配制高黏改性瀝青,通過正交試驗獲得高黏改性瀝青的最優(yōu)配方,并對比分析所配制的H-1高黏改性瀝青與日本TPS高黏改性瀝青、SBS改性瀝青的高低溫流變性能、零剪切黏度,試驗結(jié)果表明:

(1)采用SPSSAU軟件設計正交表,并開展分析,各添加劑對高黏瀝青的60 ℃動力黏度的試驗結(jié)果數(shù)值影響較大,最終以60 ℃動力黏度下各因素最佳水平作為添加劑的摻量參考依據(jù),得出最佳摻量:抗氧劑摻量為0.15%、增塑劑摻量為0.1%、SBS改性劑摻量為9%、穩(wěn)定劑摻量為0.3%。

(2)高低溫流變性能試驗結(jié)果表明,所配制的H-1高黏瀝青高低溫流變性能遠優(yōu)于SBS改性瀝青,且與TPS高黏改性瀝青性能相當。零剪切黏度試驗結(jié)果表明,所配制的高黏瀝青零剪切黏度優(yōu)于SBS改性瀝青以及TPS高黏改性瀝青。

(3)按照正交試驗所獲得的H-1高黏改性瀝青性能優(yōu)良,成本低于TPS高黏改性瀝青,具備大規(guī)模推廣應用的經(jīng)濟性基礎。