SBR/PP復(fù)合聚合物及SBS改性瀝青混合料疲勞特性研究*

張平, 何延兵

(1.長沙理工檢測咨詢有限責(zé)任公司, 湖南 長沙 410076;2.湖南省江杉高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司, 湖南 長沙 410076)

交通荷載、環(huán)境條件及材料差異等均可能導(dǎo)致瀝青路面發(fā)生車轍、水損害、疲勞破壞等病害[1-3]。影響瀝青混合料疲勞性能的因素有許多,瀝青膠結(jié)料是關(guān)鍵因素之一。由于普通基質(zhì)瀝青無法承受較大的交通荷載,須摻入添加劑來改善其性能,提高其抗疲勞性能。聚合物改性劑主要通過改善瀝青膠結(jié)料的物理、化學(xué)及流變性能增強(qiáng)瀝青混合料的抗疲勞、抗車轍等性能[4-5]。道路施工領(lǐng)域最常用的聚合物有苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、丁苯橡膠(SBR)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等。已有研究表明,瀝青混合料中使用5%左右的聚合物改性能使其具有較好的抗疲勞性能[6-7]。但聚合物與瀝青膠結(jié)料的相容性較差,在瀝青膠結(jié)料中其性能不穩(wěn)定,常采用與瀝青膠結(jié)料和聚合物相容性較好的納米黏土來改善其不穩(wěn)定性[8-9]。

復(fù)合聚合物是使用兩種及以上聚合物制備而成的聚合物組合物[10]。目前熱塑性彈性體聚合物(如SBS)改性瀝青已取得了較好的成效[11-12],對SBR/PP復(fù)合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及低溫抗裂性也進(jìn)行了一定研究[13-14],但未開展疲勞性能研究。本文采用不同組分比例的SBR與PP組合制成復(fù)合聚合物對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性,以相同條件下SBS改性瀝青作為對照,通過瀝青混合料間接拉伸強(qiáng)度及疲勞試驗、直接拉伸強(qiáng)度及疲勞試驗,對比分析SBR/PP復(fù)合聚合物和SBS改性瀝青混合料的疲勞特性。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

(1) 瀝青。選用同一批次的東海牌70#基質(zhì)瀝青,參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》對其性能指標(biāo)進(jìn)行測試,結(jié)果見表1,均符合規(guī)范要求。

表1 東海牌70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)檢測結(jié)果

(2) 集料。集料選用湖南懷化某采石場的石灰?guī)r集料,根據(jù)JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》進(jìn)行集料性能指標(biāo)測試,結(jié)果見表2,均符合規(guī)范要求。

表2 集料性能指標(biāo)檢測結(jié)果 單位:%

(3) 級配。按JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行級配設(shè)計,級配曲線見圖1。

圖1 瀝青混合料級配曲線

1.2 聚合物改性劑

選擇兩類聚合物改性劑,分別為單一的SBS聚合物改性劑、由SBR與PP組合而成的復(fù)合聚合物改性劑。復(fù)合聚合物中SBR與PP摻配比例分別為75∶25、50∶50和25∶75,分別稱為A型聚合物、B型聚合物、C型聚合物。考慮到采用聚合物改性存在穩(wěn)定性問題,在改性劑中加入納米黏土改善其穩(wěn)定性。

1.3 配合比設(shè)計

(1) 改性瀝青制備。兩種改性瀝青的制備采用同樣的方式。先將70#基質(zhì)瀝青快速升溫至流動狀態(tài),將基質(zhì)瀝青和不同摻量聚合物混合后手動攪拌10 min,然后在160 ℃溫度下用高速剪切儀以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌45 min;加入納米黏土剪切15 min,在170 ℃溫度下發(fā)育60 min得到改性瀝青。共制備改性劑摻量為4%、5%、6%的聚合物改性瀝青12種。

(2) 最佳油石比確定。采用馬歇爾試驗方法進(jìn)行體積設(shè)計,以4.5%為目標(biāo)空隙率確定最佳油石比。以5%作為初始油石比,按照0.5%的間隔分別制作油石比為4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%的5組試件進(jìn)行馬歇爾試驗,根據(jù)試驗結(jié)果,確定復(fù)合聚合物改性瀝青的最佳油石比為5.4%、SBS改性瀝青的最佳油石比為5.1%。

1.4 試件制備

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》,采用馬歇爾擊實法成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度及疲勞試驗,試件直徑為101.6 mm±0.25 mm,高度為63.5 mm±1.3 mm。采用輪碾法成型車轍板試件,再將其切割為長度250 mm±5 mm、寬度50 mm±5 mm、厚度50 mm±5 mm的小梁試件,進(jìn)行直接拉伸強(qiáng)度及疲勞試驗。

1.5 試驗設(shè)計

(1) 間接拉伸強(qiáng)度及疲勞試驗。采用萬能試驗機(jī)進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度及疲勞試驗,萬能試驗機(jī)測試精度為±1%。在萬能試驗機(jī)上放置間接拉伸壓條,將馬歇爾試件放置于壓條上,上下壓條與試件直徑位于同一條垂線上,與升降臺垂直。強(qiáng)度與疲勞試驗溫度均為15 ℃,加載頻率為10 Hz,強(qiáng)度試驗加載速率為50 mm/min。疲勞試驗采用應(yīng)力控制模式,應(yīng)力比S分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6。

(2) 直接拉伸強(qiáng)度及疲勞試驗。采用萬能試驗機(jī)進(jìn)行直接拉伸強(qiáng)度及疲勞試驗,采用環(huán)氧樹脂將直接拉伸試件黏合在直接拉伸試驗?zāi)＞呱?保證試件不產(chǎn)生偏心。試驗溫度為15 ℃,加載頻率為10 Hz,強(qiáng)度試驗加載速率為50 mm/min。疲勞試驗采用應(yīng)力控制模式,應(yīng)力比S分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)度特性

2.1.1 間接拉伸強(qiáng)度

不同聚合物摻量下兩種改性瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度試驗結(jié)果見圖2。

圖2 聚合物改性瀝青混合料間接拉伸強(qiáng)度試驗結(jié)果

從圖2可以看出:同一摻量下,A型與B型聚合物改性瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度高于SBS改性瀝青混合料,其中B型聚合物改性瀝青混合料強(qiáng)度提高22%～28%,摻量為5%時提升約28%;C型聚合物改性瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度略低于SBS改性瀝青混合料。聚合物相同時,隨著聚合物摻量的增加,改性瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,摻量為5%時改性瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度最高。

2.1.2 直接拉伸強(qiáng)度試驗

不同聚合物摻量下兩種改性瀝青混合料的直接拉伸強(qiáng)度試驗結(jié)果見圖3。

圖3 聚合物改性瀝青混合料直接拉伸強(qiáng)度試驗結(jié)果

由圖3可知:同一摻量下,A型與B型聚合物改性瀝青混合料的直接拉伸強(qiáng)度高于SBS改性瀝青混合料,其中B型聚合物改性瀝青混合料的強(qiáng)度提高19%～32%,摻量為5%時提高約32%;C型聚合物改性瀝青混合料的直接拉伸強(qiáng)度略低于SBS改性瀝青混合料。聚合物相同時,隨著聚合物摻量的增加,改性瀝青混合料的直接拉伸強(qiáng)度變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,摻量為5%時直接拉伸強(qiáng)度最高。

2.2 疲勞特性

根據(jù)上面的分析,聚合物摻量為5%時瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度和直接拉伸強(qiáng)度達(dá)到峰值。故采用摻量為5%的聚合物改性瀝青開展間接拉伸疲勞試驗與直接拉伸疲勞試驗,探究瀝青混合料的疲勞壽命N變化規(guī)律。

2.2.1 間接拉伸疲勞壽命

不同聚合物摻量下兩種改性瀝青混合料的間接拉伸疲勞壽命N試驗結(jié)果見圖4。

圖4 聚合物改性瀝青混合料間接拉伸疲勞壽命試驗結(jié)果

從圖4可以看出:4種聚合物改性瀝青混合料的間接拉伸疲勞壽命存在較大差異,A型和B型聚合物改性瀝青混合料的間接拉伸疲勞壽命高于SBS改性瀝青混合料,SBR摻配比例為75%時,間接拉伸疲勞壽命提高35%～55%;C型聚合物改性瀝青混合料的間接拉伸疲勞壽命略低于SBS改性瀝青混合料。

采用S-N疲勞方程[見式(1)]將間接拉伸疲勞壽命Nf與應(yīng)力比S在雙對數(shù)坐標(biāo)中進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果見圖5,擬合參數(shù)見表3。

圖5 不同類型聚合物改性瀝青混合料間接拉伸疲勞壽命與應(yīng)力比的擬合結(jié)果

表3 不同類型改性瀝青混合料間接拉伸疲勞壽命與應(yīng)力比的擬合參數(shù)

Nf=k(1/S)n

(1)

從圖5、表3可以看出:4種聚合物改性瀝青混合料的間接拉伸疲勞壽命與應(yīng)力比在雙對數(shù)坐標(biāo)系中表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)關(guān)系,R2值均超過0.90。隨著復(fù)合聚合物中SBR摻配比例的增加,改性瀝青混合料的間接拉伸疲勞壽命增長,說明提高復(fù)合聚合物中SBR摻配比例有助于改善瀝青混合料的疲勞壽命。參數(shù)n能反映改性瀝青混合料的應(yīng)力敏感性,n值的大小排序為A型聚合物改性瀝青混合料

2.2.2 直接拉伸疲勞壽命

不同聚合物摻量下兩種改性瀝青混合料直接拉伸疲勞壽命試驗結(jié)果見圖6,直接拉伸疲勞壽命與應(yīng)力比的擬合結(jié)果見圖7,擬合參數(shù)見表4。

圖6 聚合物改性瀝青混合料直接拉伸疲勞壽命試驗結(jié)果

圖7 不同類型聚合物改性瀝青混合料直接拉伸疲勞壽命與應(yīng)力比的擬合結(jié)果

表4 不同類型聚合物改性瀝青混合料直接拉伸疲勞壽命與應(yīng)力比的擬合參數(shù)

從圖6可以看出:4種聚合物改性瀝青混合料的直接拉伸疲勞壽命的變化趨勢與間接拉伸疲勞壽命相似。復(fù)合聚合物中SBR摻配比例為50%或75%時,直接拉伸疲勞壽命高于SBS改性瀝青混合料;SBR摻配比例達(dá)到75%時,直接拉伸疲勞壽命提升30%～45%。C型聚合物改性瀝青混合料的直接拉伸疲勞壽命低于SBS改性瀝青混合料。

從圖7、表4可以看出:4種聚合物改性瀝青混合料的直接拉伸疲勞壽命與應(yīng)力比存在較好的線性關(guān)系,R2值均超過0.85。隨著復(fù)合聚合物中SBR摻配比例的增加,改性瀝青混合料的直接拉伸疲勞壽命得到改善;A型聚合物改性瀝青混合料的應(yīng)力敏感性最低,應(yīng)力敏感性由高到低為C型聚合物改性瀝青混合料>SBS改性瀝青混合料>B型聚合物改性瀝青混合料>A型聚合物改性瀝青混合料;與間接拉伸疲勞壽命相比,直接拉伸疲勞壽命的應(yīng)力敏感性略高。

3 結(jié)論

對3種不同組合比例的SBR/PP復(fù)合聚合物及SBS改性瀝青混合料開展強(qiáng)度和疲勞性能試驗,得出以下結(jié)論:

(1) 聚合物改性瀝青混合料中聚合物摻量對間接拉伸強(qiáng)度與直接拉伸強(qiáng)度影響顯著,4種聚合物改性瀝青混合料的聚合物最佳摻量均為5%。

(2) SBR摻配比例為50%的SBR/PP復(fù)合改性瀝青混合料的直接拉伸強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度高于其他3種聚合物改性瀝青混合料,5%摻量下,相較于SBS改性瀝青混合料,其間接拉伸強(qiáng)度與直接拉伸強(qiáng)度分別提高28%、32%。

(3) 最佳摻量下,隨SBR摻配比例的增加,SBR/PP復(fù)合聚合物改性瀝青混合料的間接拉伸疲勞壽命和直接拉伸疲勞壽命均增加,SBR摻配比例為75%時間接拉伸疲勞壽命和直接拉伸疲勞壽命相比于SBS改性瀝青混合料提高約40%。

(4) 4種聚合物改性瀝青混合料疲勞性能對應(yīng)力的敏感性大小為C型聚合物改性瀝青混合料> SBS改性瀝青混合料>B型聚合物改性瀝青混合料>A型聚合物改性瀝青混合料,建議采用5%摻量的A型復(fù)合聚合物改善瀝青混合料的強(qiáng)度及疲勞特性。