廢舊PP/SBR復合改性瀝青流變及疲勞特性分析

趙香玲，張 浩，米國興，趙 毅

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，陜西 渭南 714000；2.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710000；3.西安新視窗科技有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

瀝青路面受到快速增長重載交通和氣候變化影響，不斷出現(xiàn)高溫永久變形、疲勞損傷和低溫開裂等早期病害[1-3]。因而國內(nèi)外研究人員逐漸關(guān)注通過聚合物改性方式以提高基質(zhì)瀝青性能。丁苯橡膠(SBR)是由苯乙烯和丁二烯單體嵌段共聚再接枝苯乙烯而得到的橡膠類聚合物[4]。作為有效的瀝青改性劑，SBR能顯著增強基質(zhì)瀝青黏度和黏聚性能，有效改善低溫蠕變性能，但由于其高溫彈性抗變形能力較弱，因此在夏熱地區(qū)應用較少[5-6]。任鈺芳等[7]通過湖瀝青TLA和SBR復配對瀝青進行改性，發(fā)現(xiàn)TLA可顯著改善高溫抗變形能力和感溫性，而SBR可抵消TLA對低溫性能和抗老化性能的不利影響。張濤等[8]系統(tǒng)研究了多聚磷酸/SBR復合改性瀝青在寬溫域內(nèi)高低溫和抗老化性能，結(jié)果表明其經(jīng)過熱老化和紫外老化后低溫抗裂性和抗疲勞耐久性均得到顯著改善。聚丙烯(PP)作為熱塑性樹脂類改性劑已得到廣泛使用，其能有效改善瀝青的高溫抗變形及彈性恢復性能[9-11]。劉瀅等[12]利用開煉機煉成SBR/PP熱塑性彈體進行瀝青改性，結(jié)果表明經(jīng)改性后瀝青混合料的高低溫性能和抗水損害能力均得到顯著提升。然而，目前針對PP/SBR復合改性瀝青高低溫流變及疲勞性能進行系統(tǒng)分析的研究較少。同時，廢舊PP的回收利用一定程度上能緩解污染問題，具有一定研究意義。

本研究將利用Brookfield黏度(RV)、頻率掃描(Frequency sweep，F(xiàn)rS)、溫度掃描(Temperature sweep，TeS)、多應力蠕變恢復(Multiple Stress Creep Recovery，MSCR)分析其復合改性瀝青的高溫流變及彈性變形恢復能力；利用線性振幅掃描(Linear Amplitude Sweep，LAS)分析其抗疲勞損傷性能；利用低溫彎曲梁流變(Bending Beam Rheological，BBR)對其低溫蠕變性能進行系統(tǒng)分析評價，并確定其最佳配比組成及增強機理。

1 試驗部分

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青為SK-90#(技術(shù)指標見表1)；選用相同規(guī)格PP原料通過注塑過程在澆口、流道口收集材料，后經(jīng)實驗室粉碎處理得到廢舊PP(性能指標見表2)；SBR選用丁苯橡膠粉末高聚物改性劑，其性能指標見表3。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標

表2 廢舊PP 技術(shù)指標

表3 SBR技術(shù)指標

1.2 制備方法

SBR改性瀝青和復合改性瀝青的制備流程為：①在160 ℃油浴系統(tǒng)下將基質(zhì)瀝青持續(xù)加熱至熔融狀態(tài)，將質(zhì)量分數(shù)4% SBR丁苯橡膠粉末加入瀝青中攪拌溶脹30 min，待溶脹完全后保持160 ℃油浴溫度，利用WRH270型高速剪切機以4 000 r/min速率對改性瀝青進行高速剪切30 min，之后在160 ℃下密封溶脹發(fā)育30 min，即得到SBR改性瀝青。②利用160 ℃油浴加熱系統(tǒng)將基質(zhì)瀝青持續(xù)加熱至熔融狀態(tài)，將不同摻量(質(zhì)量分數(shù)為2%、4%、6%、8%)廢舊PP分別加入瀝青中，在160 ℃恒溫下恒溫溶脹30 min；再分別加入質(zhì)量分數(shù)4%SBR粉末并繼續(xù)溶脹30 min；將油浴系統(tǒng)控溫至170 ℃，利用WRH270型高速剪切機以4 000 r/min速率持續(xù)剪切40 min，最后進行40 min的160 ℃持續(xù)恒溫發(fā)育以獲得廢舊PP/SBR復合改性瀝青。

1.3 性能測試

參考規(guī)范ASTM D4402M-15，利用Brookfield黏度計使用27#轉(zhuǎn)子測試改性瀝青在115、135、155、175 ℃的黏度變化。

參考規(guī)范ASTM D7175-15、AASHTO T350和AASHTO TP 101-15，利用Anton Parr SmartPave-102 DSR分別對改性瀝青進行FrS、TeS、MSCR和LAS試驗，選用25 mm轉(zhuǎn)子，以1 mm平行板間距進行測試；FrS以58 ℃為參考溫度；TeS在10 rad/s振蕩荷載下，以6 ℃為間隔的46～82 ℃內(nèi)進行；MSCR在58 ℃，多重應力水平下(τ=0.1 kPa和3.2 kPa)進行加、卸載循環(huán)測試并計算平均恢復率R(τ)和不可恢復蠕變?nèi)崃縅nr(τ)和不可恢復蠕變?nèi)崃坎钪当菾nr(diff)等；LAS試驗在19 ℃下先進行負載頻率0.1～30 Hz的頻掃試驗，再在控制應變模式和10 Hz恒頻下進行300 s內(nèi)0%～30%線性增加的振蕩應變振幅的振幅掃描試驗。

參考規(guī)范ASTM D6648-08，利用Cannon TE-BBR儀測試改性瀝青在-24、-18、-12、-6 ℃的低溫勁度模量(Sm)和蠕變速率(m)。

2 結(jié)果與討論

2.1 RV分析

不同PP/SBR改性瀝青的老化前后黏度隨測試溫度的變化規(guī)律如圖1所示。由圖可以看出瀝青老化后黏度顯著增加，這主要是因為老化過程造成瀝青中輕質(zhì)組分如芳香族化合物揮發(fā)或氧化為膠質(zhì)組分，而膠質(zhì)組分又繼續(xù)氧化為瀝青質(zhì)，致使膠漿勁度增加[13]。隨著試驗溫度的增加，各膠漿黏度均呈現(xiàn)降低趨勢，這是因為瀝青屬于溫度敏感黏彈性材料，其內(nèi)部彈性成分會因較高熱量而部分散失，致使膠漿中黏性成分上升而彈性成分下降；隨著PP摻量的增加，改性瀝青膠漿的黏度逐漸增加，即復合改性瀝青更多表現(xiàn)出塑料類特性，這主要由于改性劑PP在膠漿中充分吸附輕質(zhì)油分而發(fā)生明顯溶脹作用，且其內(nèi)部組分與PP分子鏈產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)形成架構(gòu)體系，限制了瀝青基質(zhì)的流動[14]?？傮w上，改性瀝青黏度均滿足標準(AASHTO M 332-14)要求(即RV135 ℃-max=3 Pa·s)[15]，即說明其在拌和施工過程中具有良好的流動性。

(a)老化前

2.2 FrS分析

對比不同PP/SBR改性瀝青的58 ℃FrS試驗結(jié)果(見圖2)，可以看出：不同瀝青的G*/sinδ隨縮減頻率的增大而逐漸增大，即高縮減頻率對應低測試溫度，膠漿彈性成分增加而黏性成分減少，從而更多表現(xiàn)出彈性體特性，高溫抗變形性能凸顯；相比之下，在低頻內(nèi)則更多呈現(xiàn)黏性。這就是車轍等病害經(jīng)常出現(xiàn)在長縱坡路段的原因，即車速越低，車輛荷載持續(xù)時間越長，越容易出現(xiàn)車轍；對比瀝青老化前后，PP摻加可使較寬的縮減頻率范圍內(nèi)膠漿G*/sinδ值增加，且PP摻量越大效果越顯著。這是因為PP改性劑改變了膠漿的黏彈性成分，且相同縮減頻率(測試溫度)下PP在膠漿中的溶脹和與瀝青各組分的交聯(lián)互穿限制了瀝青基質(zhì)運動，增大了膠漿體系內(nèi)聚力，從而增強體系抵抗變形能力，即達到相同變形時需要更大外力[14，16-17]。此外，老化前后瀝青FrS結(jié)果變化規(guī)律大致相同，且老化后膠漿G*/sinδ值顯著高于老化前，這與RV試驗結(jié)果規(guī)律相符。

(a)老化前

2.3 TeS分析

不同瀝青的復數(shù)模量(G*)和相位角(δ)隨測試溫度變化情況如圖3所示。由圖3可以看出：隨著溫度的上升，瀝青膠漿的G*逐漸減小而δ值逐漸變大，這是因為溫度攀升使得瀝青分子鏈更加活躍，且分子間作用力和相互交聯(lián)作用減弱，內(nèi)部的彈性成分減少而黏性成分增加，膠漿逐漸變得柔軟[16]。然而PP的摻量，老化前后改性瀝青的G*值逐漸增大而δ值逐漸降低，如：在58 ℃下相較于4%SBR瀝青，老化前復合改性膠漿的G*和δ變化率分別為46.17%和-0.47%(4%SBR+2%PP),100.68%和-0.93%(4%SBR+4%PP),127.08%和-1.30%(4%SBR+6%PP),153.13%和-1.63%(4%SBR+8%PP)，即再次證實PP改善了SBR改性瀝青高溫抗變形能力和彈性恢復性能。分析原因：PP吸收了膠漿中多余的自由瀝青而溶脹，降低溫度敏感性并增加了結(jié)構(gòu)瀝青成分；同時PP分子鏈在體系內(nèi)部通過交聯(lián)糾纏效應形成互穿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且摻量越大PP分子鏈密集化程度越高，從而改善了瀝青高溫性能[14，17]；此外,總體上老化后瀝青G*值增加而δ值降低即膠漿勁度增加,這是由熱氧老化導致部分瀝青輕質(zhì)組分減少,以及部分PP分子鏈裂解、支化和交聯(lián)造成的[17-18]。

(a)老化前

參考規(guī)范AASHTO M 320-17[19]，針對TeS試驗的G*/sinδ值利用式(1)確定對應的臨界溫度TG*/sin δ值以表征瀝青膠漿高溫性能，具體試驗結(jié)果見表4所示?？梢钥闯鲭S著PP摻量的增加，改性瀝青的臨界溫度逐漸上升，例如與4%SBR改性瀝青相比，其TG*/sin δ值分別增加2.29 ℃(4%SBR+2%PP),4.80 ℃(4%SBR+4%PP),7.92 ℃(4%SBR+6%PP),9.08 ℃(4%SBR+8%PP)。

表4 不同PP/SBR改性瀝青臨界溫度

(1)

2.4 MSCR分析

對不同PP/SBR改性瀝青進行58 ℃MSCR試驗，以分析其高溫彈性變形性能，在多重應力水平(0.1 kPa和3.2 kPa)下累計剪應變-時間(γ-t)曲線見圖4。由圖4可以看出：相比與0.1 kPa，應力水平3.2 kPa下膠漿的γ值顯著提升，這說明路面易受車輛荷載影響，重載車輛更易導致嚴重路面變形；同時，重復荷載會造成路面剪應變增加。以SBR改性瀝青為例，經(jīng)多重應力水平(0.1 kPa和3.2 kPa)重復荷載作用后γ值分別為148.22%和6 227.23%，這就可以解釋為何重復車輛荷載容易造成路面車轍。此外可以看出：PP的摻加顯著降低了改性瀝青的γ值，即增大了膠漿的彈性恢復能力，這與前述FrS測試結(jié)果一致。這一現(xiàn)象是因為PP吸收瀝青輕質(zhì)組分并產(chǎn)生溶脹作用，且SBR-PP產(chǎn)生分子鏈交聯(lián)互穿并團聚膠漿組分，以分散緩沖外界荷載沖擊能，從而使膠漿體系在高溫下更穩(wěn)定，其高溫抗永久變形能力得以改善[17-18，20]。

圖4 在58 ℃下不同PP/SBR改性瀝青的γ-t曲線

由圖5不同改性瀝青在多重應力水平下(0.1 kPa和3.2 kPa)的R(τ)值可以看出：隨著測試溫度的上升，各膠漿在0.1 kPa和3.2 kPa下的R(τ)值均下降，這是由于膠漿彈性成分因高溫高熱而散失，導致黏性成分比例相對增加，瀝青逐漸由彈性形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば孕螒B(tài)，因而抗變形及彈性恢復性能減弱[13]；同時，PP/SBR改性瀝青R(τ)值高于SBR瀝青，且這一趨勢隨著PP摻量增加而愈發(fā)顯著，即說明PP增強了SBR改性瀝青的抗永久變形能力；可以注意到：0.1 kPa下超過70 ℃和3.2 kPa下超過64 ℃時R(τ)值為負，這是因為在這些溫度下瀝青膠漿的黏性特性更加顯著，而彈性特性幾乎消失，因而瀝青膠漿在加載后很難恢復到原有形態(tài)，抗變形能力也幾乎消失。此外，對于相同瀝青膠漿，當應力水平從0.1 kPa增至3.2 kPa時R(τ)值降低。這也與重型車輛荷載會導致道路更大變形的事實相符。

(a)0.1 kPa

由圖6(a)不同改性瀝青在多重應力水平下(0.1 kPa和3.2 kPa)的Jnr(τ)和Jnr(diff)值可以看出：隨測試溫度增加，多重應力水平下不同膠漿Jnr(τ)值均呈上升趨勢，即膠漿應變恢復性能持續(xù)降低，這也與TeS試驗和RV試驗結(jié)果相一致，是由瀝青本身溫度敏感的粘彈性體特性決定的；此外，隨著PP摻量增加，多重應力水平下(0.1 kPa和3.2 kPa)Jnr(τ)值逐漸降低，即膠漿在重復荷載作用下彈性變形恢復性能增強，這是由于PP改變?yōu)r青膠漿的粘彈性成分，在同溫下復合改性瀝青具有更多彈性成分，增強了瀝青膠漿體系內(nèi)聚力。依據(jù)規(guī)范(AASHTO M 332-14)對瀝青膠漿適應交通環(huán)境的劃分要求，分別以Jnr(3.2 kPa)和Jnr(diff)為分級指標[15]，將不同改性瀝青的適應交通等級進行劃分，可以看出2%～8%PP摻量的SBR改性瀝青適用于64℃重載交通及以下，6%-8%PP摻量的SBR改性瀝青適用于58℃特重交通及以下橋面或路面鋪裝層。

(a)Jnr(τ)

2.5 LAS分析

圖7(a)和(b)分別展示不同改性瀝青膠漿黏彈持續(xù)損傷(Viscoelastic Continuum Damage,VECD)的疲勞參數(shù)A和B值和在振幅應變水平2.5% 和 5.0%下失效循環(huán)次數(shù)Nf。A值表示膠漿保持完整性的能力，A值越小|G*cosδ|值越低；B值表示膠漿的應力敏感性，其絕對值越小表明隨著應變水平振幅的增加，膠漿應變敏感性越低，疲勞損傷的衰減率越小。由圖7(a)可以看出隨著PP摻量增加,膠漿維持完整性能力逐漸衰減,且衰減比例逐漸減小。例如:相較于SBR改性瀝青,A值衰減值分別為14.32%(4%SBR+2%PP),19.26%(4%SBR+4%PP),26.44%(4%SBR+6%PP)和 27.87%(4%SBR+8%PP)。同時PP的摻加增加了膠漿的|B|值,即隨著應變水平振幅的增加,應力敏感性增強且疲勞壽命衰減率增加,然而在實際使用中需要瀝青膠漿具有較低的疲勞壽命衰減率。這一現(xiàn)象是由于PP摻加增大了膠漿勁度而致使疲勞抵抗性部分衰減。此外,由圖7(b)可看出:振幅應變水平的增加會造成膠漿的Nf值顯著降低,這驗證了在實際使用中重載交通更易造成瀝青路面疲勞壽命衰減。在2.5%和5.0%振幅應變水平下,PP摻加均造成膠漿Nf值降低。以2.5%應變水平為例,相較于SBR瀝青,復合改性瀝青Nf降低值分別為4.76%(4%SBR+2%PP),11.94%(4%SBR+4%PP),22.13%(4%SBR+6%PP),33.83%(4%SBR+8%PP)；這說明PP可能會削弱膠漿抗疲勞能力并降低其疲勞壽命。這主要是因為在膠漿中PP產(chǎn)生顯著溶脹且內(nèi)部輕質(zhì)油分被吸附，體系內(nèi)部組分與PP分子鏈產(chǎn)生互穿交聯(lián)形成架構(gòu)，致使自由瀝青減少，整個體系呈現(xiàn)高勁度的彈性體特性，因而更易出現(xiàn)疲勞破壞。

(a) 疲勞損傷參數(shù)

2.6 BBR分析

圖8展示了不同改性瀝青膠漿BBR試驗指標Sm值和m值隨測試溫度變化情況。可以看出：隨著試驗溫度降低，改性瀝青Sm值逐漸上升而m值下降，即膠漿的低溫蠕變和應力松弛性能減弱，因而瀝青路面在行車荷載的作用下更易受損破壞；相同測試溫度環(huán)境，PP摻量增大使得膠漿的Sm值越大而m值越小，例如：在-6 ℃下，相比與SBR改性瀝青，復合改性瀝青的Sm值和m值變化量為37.62%和-9.56%(4%SBR+2%PP),47.52%和-10.94%(4%SBR+4%PP),72.27%和-16.17%(4%SBR+6%PP),91.02%和-22.39%(4%SBR+8%PP)，即說明PP摻加降低了膠漿應力松弛性能，增強了其脆硬性。這一現(xiàn)象主要因為PP在膠漿體系中充分吸附輕質(zhì)油分而產(chǎn)生溶脹，并且瀝青基質(zhì)組分與PP分子鏈產(chǎn)生交聯(lián)架構(gòu)體系，限制了瀝青基質(zhì)的流動和低溫環(huán)境下的延展性，致使膠漿體系在低溫下變得脆硬，柔韌性降低。通過分析認為只要PP摻量小于6%，其對膠漿低溫性能的影響相對較小[20]。

圖8 不同PP/SBR改性瀝青的BBR結(jié)果

3 結(jié)論

a.在不同測試溫度下，PP的摻加可顯著增加SBR改性瀝青老化前后的黏度，且改性后的黏度仍能滿足規(guī)范中對瀝青膠漿在拌和施工時流動性要求。

b.在SBR改性瀝青中摻加PP可顯著增大膠漿G*和G*/sinδ值，增加彈性組分，顯著改善高溫抗變形能力和彈性恢復性能，且摻量越大增強效果越明顯；2%～8% PP摻量可將其臨界溫度提升2～9 ℃。

c.MSCR試驗結(jié)果表明在多重應力水平和試驗溫度下，PP可顯著增強SBR改性瀝青的高溫抗變形能力和彈性恢復性能，其中2%～8%和6%～8%的PP摻量范圍的SBR改性瀝青分別適用于64 ℃重載交通及以下和58 ℃特重交通及以下橋面或路面鋪裝層。

d.基于LAS試驗結(jié)果，PP摻量增加使得復合改性瀝青逐漸呈現(xiàn)高勁度彈性體特性，致使抗疲勞壽命不斷衰減，但只要PP摻量控制在6%以內(nèi)，膠漿抗疲勞性能衰減相對較小。

e.在低溫條件下，PP摻加會降低SBR瀝青應力松弛性能和低溫蠕變能力，增強其脆硬性。綜合分析復合改性瀝青高低溫流變及疲勞性能，6%PP摻量對SBR改性瀝青的復合改性效果最佳。