TLA/SBS復(fù)合改性瀝青性能研究

高信春

(1.福建省高速公路達(dá)通檢測有限公司,福州 350108;2.福建省高速技術(shù)咨詢有限公司,福州 350018;3.福建省高速公路工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350018)

瀝青路面作為一種無接縫的連續(xù)式路面結(jié)構(gòu),具有很多的優(yōu)勢,如:路用性能優(yōu)異,行車體驗(yàn)感好并且易于維修,在世界各地的城市道路和高等級公路中占有很大比例[1-3]。在服役過程中,瀝青受雨水、光、氧、熱等自然環(huán)境的綜合影響,造成瀝青材料老化。老化后的瀝青宏觀性能變硬、變脆,不能很好地裹覆集料,路面極易發(fā)生掉粒等病害,進(jìn)而發(fā)展成坑槽,在雨水的綜合作用下,發(fā)生水損害[4,5]。尤其是在我國南方濕熱地區(qū),由于具有高溫多雨的氣候環(huán)境特點(diǎn),在重交通的復(fù)合作用下,路面極易發(fā)生車轍和水損病害[6-8]。因此提高瀝青的抗滑性能對維持路面性能、延長路面使用壽命和保障路面安全性有重要作用。

在瀝青中加入添加劑以改善瀝青老化性能是一種普遍方式,常用添加劑有聚合物類、纖維類、無機(jī)化合物和天然瀝青等。聚合物類材料之一苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)與瀝青混合后可形成良好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高瀝青的高低溫性能和老化性能。天然瀝青主要有湖瀝青和巖瀝青,其中最有名的湖瀝青是位于南美洲特立尼達(dá)島的特立尼達(dá)湖瀝青(TLA)。TLA主要成分與石油瀝青相似,因此與石油瀝青具有較好的相容性。TLA各組成的比例與石油瀝青有較大區(qū)別,TLA中的瀝青質(zhì)含量比較高,故而軟化點(diǎn)高,相比普通基質(zhì)瀝青具有更好的高溫性能,因此可以被用作改性劑用于改善瀝青的物理性能[9,10]。

選取SBS和TLA對70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性制備TLA/SBS復(fù)合改性瀝青,并對改性前后瀝青的物理性能和流變性能進(jìn)行研究,然后分別采用TFOT(薄膜加熱試驗(yàn))和PAV模擬TLA/SBS復(fù)合改性瀝青短期和長期老化,并對其老化性能進(jìn)行分析,探索TLA和SBS的加入對瀝青性能的影響規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

采用的特立尼達(dá)湖瀝青(TLA)和基質(zhì)瀝青的主要性能指標(biāo)檢測情況見表1。

表1 TLA與基質(zhì)瀝青的主要技術(shù)性能指標(biāo)

采用的SBS主要性能指標(biāo)檢測情況見表2。

表2 SBS1301的性能指標(biāo)

1.2 樣品制備

1)將基質(zhì)瀝青置于160 ℃烘箱加熱至完全熔融備用。

2)將湖瀝青搗碎備用。

3)在基質(zhì)瀝青中加入不同摻量(0、10%、20%、30%和40%)TLA,在180 ℃條件下進(jìn)行普通攪拌30 min。

4)加入5%SBS進(jìn)行高速剪切1 h,溫度控制在180～190 ℃,轉(zhuǎn)速控制為4 000 r/min;然后在180 ℃條件下進(jìn)行普通攪拌2 h。

1.3 試樣老化

1)短期熱氧老化。按照《石油瀝青薄膜烘箱試驗(yàn)法》(GB/T 5304—2001)采用薄膜加熱試驗(yàn)(TFOT)模擬瀝青的短期熱氧老化,將裝有50 g樣品的老化盤放置在163 ℃的烘箱中5 h進(jìn)行老化。

2)長期熱氧老化。采用《瀝青加速老化試驗(yàn)法(PAV法)》(SH/T 0774—2005)中的壓力老化試驗(yàn)(PAV)模擬瀝青的長期老化。PAV老化的試驗(yàn)條件:在溫度為100 ℃、壓力為2.1 MPa的條件下老化20 h,儀器型號:PAV9500,生產(chǎn)廠家:美國Prentex公司。

1.4 試驗(yàn)方法

1)物理性能測試。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的方法分別測試瀝青樣品的軟化點(diǎn)、針入度和延度。

2)流變測試(DSR)。采用動態(tài)剪切流變儀(Anton Paar, MCR 102)測試瀝青樣品的流變性能,加載頻率為10 rad/s,應(yīng)變值為0.5%,溫度區(qū)間為30～120 ℃,溫度增量為2 ℃/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性能分析

2.1.1 TLA摻量對SBS改性瀝青針入度的影響

TLA摻量與SBS改性瀝青針入度的關(guān)系曲線如圖1所示。由圖1可以看出,隨著TLA摻量的增加,SBS改性瀝青針入度迅速減小。與SBS改性瀝青相比,加入10%TLA的改性瀝青,其針入度值減小了20.8%,以后每增加10%的摻量,針入度值依次減小的幅度為16.3%、18.5%和24.4%。由此可以看出,TLA的摻加使SBS改性瀝青針入度的減小幅值均較大,其中當(dāng)摻量為30%～40%時,針入度減小幅值最大。這是由于TLA中含有比SBS改性瀝青更多的瀝青質(zhì),瀝青質(zhì)在瀝青中起到稠化的作用,同時TLA中含有較多的灰分(34.4%)也是TLA/SBS復(fù)合改性瀝青針入度較低的一個重要原因。

2.1.2 TLA摻量對SBS改性瀝青軟化點(diǎn)的影響

TLA摻量與SBS改性瀝青軟化點(diǎn)的關(guān)系曲線如圖2所示。從圖2中可以看出,對于SBS改性瀝青,加入TLA后,其軟化點(diǎn)是增加的,且在摻量為10%～30%時,增加的幅度較大,說明TLA的加入使得SBS改性瀝青的高溫性能大幅度提高。對于SBS改性瀝青而言,摻量從10%～40%來看,其軟化點(diǎn)增加的幅度依次為18.7%、16.7%、18.4%和0.9%,即軟化點(diǎn)變化幅度較大的點(diǎn)發(fā)生在TLA摻量為10%～30%處。

2.1.3 TLA摻量對SBS改性瀝青延度的影響

因TLA自身脆性比較大,5 ℃時的延度較難測出,采用25 ℃作為試驗(yàn)溫度進(jìn)行TLA/SBS復(fù)合改性瀝青延度測試。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到25 ℃下瀝青的延度值、最大拉力值和拉伸柔度值隨TLA摻量的變化趨勢如圖3和圖4所示。

在試驗(yàn)溫度為25 ℃的情況下,當(dāng)TLA摻量為20%～40%時,隨著TLA摻量的增加,瀝青延度和拉伸柔度值逐漸減小,最大拉力值是逐漸增大的,這符合一般性結(jié)論:延度值越小,峰值力越大。從低溫性能的常用評價指標(biāo)延度和拉伸柔度來看,TLA的摻量越多,延度和拉伸柔度的值越小,即摻加TLA對瀝青的低溫性能是不利的,而且摻量越大,對瀝青的低溫性能越不利,這主要是由于TLA中灰分的影響。

TLA的摻量不同,對三項(xiàng)指標(biāo)的影響程度也不同,當(dāng)TLA摻量從10%以10%的增幅增加到40%時,延度的減小幅度依次為-14.2%、-8.7%和48.1%,最大拉力的增加幅度依次為-5.2%、67.4%和110.4%,拉伸柔度的減小幅度依次為-19.3%、34.3%和75.4%。其中,延度值變化較為緩慢的TLA摻量區(qū)間為20%～30%,區(qū)間30%～40%變化最大;拉力變化較為顯著的TLA摻量區(qū)間為30%～40%,在10%～20%區(qū)間變化不大;拉伸柔度變化隨著TLA摻量的增加,其減小幅度逐漸增大。

綜合TLA/SBS復(fù)合改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度的性能變化規(guī)律,當(dāng)TLA摻量為30%時,改性瀝青物理性能最佳,因此在接下來的研究過程中,TLA摻量確定為30%。

2.1.4 流變性能

對基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和SBS+30%TLA復(fù)合改性瀝青進(jìn)行動態(tài)剪切流變試驗(yàn)得到的溫度掃描模式下的復(fù)數(shù)剪切模量(G*)變化情況如圖5所示。由圖5可以看出,隨著溫度的不斷升高,基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和SBS+30%TLA復(fù)合改性瀝青的G*逐漸降低,主要是溫度的升高會改變?yōu)r青材料的粘彈性狀態(tài),由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)為粘性狀態(tài)。由圖5可知,SBS改性瀝青較基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)模量有所提高,在30～100 ℃溫度區(qū)間,SBS+30%TLA復(fù)合改性瀝青是三者中復(fù)數(shù)模量最高的,溫度超過100 ℃后,5%SBS+30%TLA復(fù)合改性瀝青與未添加TLA的SBS改性瀝青的G*幾乎相同。說明SBS的加入可以提高基質(zhì)瀝青的G*,TLA的加入進(jìn)一步提高了瀝青的G*,使得瀝青分子流動變形減弱,這與TLA含有較多瀝青質(zhì)有關(guān),使得瀝青的剛性增強(qiáng),從而使得瀝青具有更高的模量。

利用DSR測得的不同樣品在30～120 ℃溫度范圍內(nèi)相位角(δ)變化情況如圖6所示。從圖6中可以看出,3個瀝青樣品的δ隨溫度升高逐漸增大。這是由于瀝青是一種粘彈性材料,對溫度較敏感,溫度變化時,瀝青流動狀態(tài)也發(fā)生變化,由彈性向粘性轉(zhuǎn)變,從而使得相位角隨著溫度的升高而逐漸增大。SBS和TLA的加入使得瀝青的相位角(δ)有所減小,表明SBS和TLA的添加使得瀝青在溫度變化過程中彈性成分比例增加。SBS融于瀝青后與瀝青分子形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),有效阻礙高溫下瀝青分子的運(yùn)動,最終表現(xiàn)為相位角減小,變形后的恢復(fù)能力增強(qiáng)。但同時TLA的加入也稀釋了SBS的作用,因此TLA/SBS改性瀝青的相位角大于SBS改性瀝青的相位角。

基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和SBS+30%TLA復(fù)合改性瀝青的車轍因子隨溫度的變化情況如圖7所示。從圖7中可以看出,隨著溫度的升高,基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和SBS+30%TLA復(fù)合改性瀝青的車轍因子降低。SBS改性瀝青較基質(zhì)瀝青的車轍因子有所提高,在30～100 ℃溫度區(qū)間內(nèi),SBS+30%TLA復(fù)合改性瀝青是三者中車轍因子最高的。TLA的加入使得基質(zhì)瀝青的車轍因子增加,顯著提高瀝青抵抗高溫車轍變形。

2.2 老化性能

計(jì)算基質(zhì)瀝青、5%SBS改性瀝青和30%TLA/5%SBS復(fù)合改性瀝青經(jīng)過不同老化方式后的殘留針入度比、軟化點(diǎn)變化及粘度老化指數(shù)的結(jié)果如表3所示。其中

表3 老化后老化指標(biāo)值的計(jì)算結(jié)果

殘留針入度比(%)=老化后針入度/老化前針入度

(1)

軟化點(diǎn)變化=老化后軟化點(diǎn)-老化前軟化點(diǎn)

(2)

粘度老化指數(shù)(%)=(老化后粘度-老化前粘度)/老化前粘度

(3)

由表3可知,老化后,SBS改性瀝青和TLA/SBS復(fù)合改性瀝青的殘留針入度比增加,軟化點(diǎn)變化降低,粘度老化指數(shù)降低,說明改性后的瀝青老化性能相較于基質(zhì)瀝青有所改善。與SBS改性瀝青相比,加入TLA后,TLA/SBS復(fù)合改性瀝青的殘留針入度比、軟化點(diǎn)變化和粘度老化指數(shù)均下降,TFOT老化的下降值分別為7.6%、2.8 ℃和8%,PAV老化的下降值分別為4%、8.3 ℃和26%,表明TLA的加入可進(jìn)一步改善SBS改性瀝青的老化性能,且對瀝青長期老化的改善作用更明顯。

3 結(jié) 論

a.對4種湖瀝青摻量(10%,20%,30%和40%)下的TLA/SBS復(fù)合改性瀝青的性能研究表明,隨著TLA摻量的增加,瀝青的針入度減小,軟化點(diǎn)增加,改性瀝青的高溫穩(wěn)定性不斷得到提高。但同時,改性瀝青的延度隨著湖瀝青摻量增加而減小,因此湖瀝青的摻量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi),以避免對其延展性產(chǎn)生較大影響,建議TLA摻量控制為30%。

b.從30%TLA/SBS復(fù)合改性瀝青溫度掃描試驗(yàn)可以得出,與基質(zhì)瀝青相比,30%TLA/SBS改性瀝青的復(fù)數(shù)模量提高,相位角降低,車轍因子增大,說明TLA的加入能夠有效阻礙瀝青分子的運(yùn)動,瀝青抵抗高溫變形能力增強(qiáng),這對于南方高溫地區(qū)湖瀝青改性瀝青路面的應(yīng)用具有積極的意義。

c.TLA的加入使得基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青短期老化和長期老化后的性能劣化程度減小,主要表現(xiàn)為殘留針入度比變大,軟化點(diǎn)差變小,粘度老化指數(shù)變小,表明TLA提高了基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的老化性能,尤其對瀝青長期老化的改善作用更明顯。