偶聯(lián)改性SBS復(fù)合改性瀝青性能試驗(yàn)研究*

李 強(qiáng) 錢(qián)普舟 馬丁紅 安豐偉

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司 新型道路材料國(guó)家工程研究中心 南京 211112;2.甘肅公路航空旅游研究院有限公司 蘭州 730000)

瀝青混合料在拌和、攤鋪、碾壓等施工過(guò)程,以及道路服役過(guò)程中,會(huì)受到熱氧老化的影響,使瀝青混合料的抗裂性降低,從而加劇瀝青路面開(kāi)裂和松動(dòng)等問(wèn)題的發(fā)生[1-3]。這將不可避免地影響道路的耐久性和服務(wù)功能,直接導(dǎo)致瀝青路面生命周期的縮短,進(jìn)而增加道路維護(hù)成本。因此,明確瀝青的流變機(jī)理,選擇合適的改性劑,以增加對(duì)路面病害的抵抗力,對(duì)于提高公路服務(wù)質(zhì)量,促進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[4]。

一般來(lái)說(shuō),纖維、聚合物、納米材料,以及高分子材料是瀝青改性中經(jīng)常使用的主要材料,偶聯(lián)劑類瀝青改性劑應(yīng)用較少,偶聯(lián)改性劑與其他類型改性劑復(fù)合改性瀝青的研究鮮有報(bào)道[5]。鑒于此,本文以SBS改性瀝青為基礎(chǔ),研究偶聯(lián)改性劑與SBS復(fù)配改性瀝青的物理性質(zhì)、流變性能,以及黏度,以期改善混合料路用性能,提高瀝青路面使用壽命。

1 原材料

1) 瀝青。采用SBS改性瀝青作為復(fù)配瀝青,其技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表1。

2) 改性劑。采用高抗飛散改性劑(AR-HVA),AR-HVA是典型的偶聯(lián)劑型改性劑,其特點(diǎn)是將偶聯(lián)劑“分子橋”引入到瀝青介質(zhì)中,可以極大改善無(wú)機(jī)物與有機(jī)物之間的界面作用,使改性后的瀝青膠結(jié)料與石料表面形成牢固的附著力,從而提升石料的抗脫落性。成分主要有高分子共聚物、合成樹(shù)脂、偶聯(lián)劑等,外觀為藍(lán)色粉末狀。

表1 瀝青技術(shù)性質(zhì)

2 復(fù)合改性瀝青制備

根據(jù)偶聯(lián)劑與瀝青之間形成化學(xué)鍵的基本原理,摻量過(guò)少鍵合效果不佳,摻量過(guò)多經(jīng)濟(jì)成本提高,且溶解難度增大,改性效果下降,因此本研究AR-HVA改性劑的摻量初定0%,3%,6%,9%,12%。

將不同比例的AR-HVA改性劑通過(guò)高速剪切機(jī)復(fù)配到SBS改性瀝青中,制備過(guò)程如下:將SBS改性瀝青放入180 ℃烘箱中加熱2 h,待瀝青完全軟化呈流動(dòng)態(tài)后倒入高速剪切機(jī),并迅速將一定比例的改性劑倒入瀝青中,以3 000 r/min剪切30 min,直至改性劑充分均勻地融進(jìn)瀝青,確保無(wú)明顯的色差或顆粒狀物質(zhì),顯微鏡下改性劑無(wú)聚集或分散現(xiàn)象,最后將攪拌后的瀝青放至160 ℃的烘箱中發(fā)育1 h左右備用。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 物理性質(zhì)

三大指標(biāo)是評(píng)價(jià)瀝青黏結(jié)力高、低溫穩(wěn)定性、黏稠度,以及延展性的基礎(chǔ)指標(biāo)[6],本文采用三大指標(biāo)測(cè)試復(fù)合改性瀝青的物理性質(zhì),測(cè)試方法參照J(rèn)TG E20-2011 《瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[7]。

針入度可用來(lái)衡量瀝青黏結(jié)劑的高溫稠度變化,復(fù)合改性瀝青針入度隨改性劑摻量變化的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 改性劑摻量對(duì)改性瀝青針入度的影響

由圖1可知,隨著改性劑摻量的增大,改性瀝青針入度呈線性下降趨勢(shì),改性劑摻量為12%時(shí),相較摻量0%,其針入度降低14.4%,仍在規(guī)范值40(0.1 mm)～60(0.1 mm)之間。分析原因可知,改性劑的加入調(diào)和了SBS改性瀝青的黏度,并隨著摻量的增加,改性劑以網(wǎng)狀分子鏈形態(tài)與SBS顆粒結(jié)合在一塊,在瀝青中呈現(xiàn)更穩(wěn)定的高分子網(wǎng)結(jié)構(gòu),包裹了瀝青相周圍,增大了瀝青黏結(jié)劑的稠度和黏度,因此針入度有所下降。

軟化點(diǎn)可用來(lái)衡量瀝青黏結(jié)劑的高溫穩(wěn)定性,復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)隨改性劑摻量變化的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 改性劑摻量對(duì)改性瀝青軟化點(diǎn)的影響

由圖2可知,隨著改性劑摻量的增大,改性瀝青軟化點(diǎn)呈線性上升趨勢(shì),改性劑摻量12%時(shí),相較摻量0%,其軟化點(diǎn)增大33.1%,與規(guī)范值60 ℃相比提升了80%以上。軟化點(diǎn)極大地增加意味著改性瀝青的高溫穩(wěn)定性能顯著提升,軟化點(diǎn)的增大也與改性劑增大了瀝青的黏度有關(guān),高黏稠度的瀝青黏結(jié)劑軟化難度增大,從而提高了軟化點(diǎn)。

延度可用來(lái)衡量瀝青黏結(jié)劑的低溫延展性變化,復(fù)合改性瀝青延度隨改性劑摻量變化的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 改性劑摻量對(duì)改性瀝青延度的影響

由圖3可知,隨著改性劑摻量的增大,改性瀝青延度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),且隨摻量增加延度上升速率更大,改性劑摻量12%時(shí),相較摻量0%延度增大38.5%,遠(yuǎn)超規(guī)范值20 cm,說(shuō)明改性劑加入后,SBS改性瀝青的拉伸變形能力得到了顯著改善。進(jìn)一步增大改性劑摻量,延度仍持續(xù)增大,原因在于隨著改性劑的摻加,瀝青黏結(jié)劑勁度和穩(wěn)定性仍有提升空間,且黏結(jié)劑與SBS混合后形成的網(wǎng)狀分子鏈更加緊密,對(duì)延展性和變形能力的提升較大。

3.2 流變性能

三大指標(biāo)可用于簡(jiǎn)單判定瀝青的物理性質(zhì),但無(wú)法表征瀝青在多因素作用下的流變特性。而瀝青作為一種典型的黏彈性材料,流變性質(zhì)隨應(yīng)力、應(yīng)變,以及溫度變化顯著,因此為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的高溫性能,通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀研究瀝青黏結(jié)劑的流變學(xué)特性,并以復(fù)數(shù)剪切模量G*和車轍因子G*/sinδ評(píng)價(jià)不同改性劑摻量下改性瀝青的高溫性能[8]。

復(fù)數(shù)剪切模量物理意義是瀝青黏結(jié)劑的最大剪應(yīng)力和最大剪應(yīng)變的比值,可用來(lái)表征瀝青黏結(jié)劑承受重復(fù)剪切荷載的能力[9]。不同改性劑摻量的復(fù)合改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量隨溫度變化的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知,隨著溫度增大,復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量逐漸減小,這是由于高溫狀態(tài)下瀝青黏結(jié)劑處于塑性流動(dòng)狀態(tài),黏彈性質(zhì)下降導(dǎo)致。改性劑摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量影響較大,隨改性劑摻量的增大,復(fù)數(shù)剪切模量逐漸提升,瀝青的抗剪切變形能力明顯改善。以夏季高溫路面最不利條件溫度70 ℃為例,此時(shí)相比普通SBS改性瀝青,6%改性劑摻量的復(fù)合改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量增大了268%,12%改性劑摻量的復(fù)合改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量增大了470%,這是因?yàn)楦唣じ男詣┑膿饺霕O大地提升了瀝青體系中彈性成分比例,抗高溫剪切荷載能力提升。

圖4 改性劑摻量對(duì)改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量的影響

已有研究將G*/sinδ定義為車轍因子,用于評(píng)價(jià)瀝青黏結(jié)劑的高溫抗車轍性能,車轍因子越大則高溫性能越好。不同改性劑摻量的復(fù)合改性瀝青車轍因子隨溫度變化的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 改性劑摻量對(duì)改性瀝青車轍因子的影響

由圖5可知,隨著溫度升高,復(fù)合改性瀝青的車轍因子逐漸減小,這說(shuō)明隨溫度升高,瀝青逐漸軟化,瀝青中黏性成分比例增大,高溫使改性瀝青分子力及分子間的交聯(lián)作用下降,高分子鏈動(dòng)態(tài)柔性增加,瀝青逐漸由彈性向黏性轉(zhuǎn)化,不可恢復(fù)變形增大,車轍因子減小。改性劑摻加后瀝青黏結(jié)劑的車轍因子均有不同程度的提高,以夏季高溫路面最不利條件溫度70 ℃為例,此時(shí)相比普通SBS改性瀝青,6%改性劑摻量的復(fù)合改性瀝青車轍因子增大了225%,12%改性劑摻量的復(fù)合改性瀝青車轍因子增大了718%,說(shuō)明摻加改性劑后SBS瀝青高溫抗變形能力顯著增強(qiáng)。原因在于隨著改性劑的加入,高分子結(jié)構(gòu)與SBS相互交錯(cuò)形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提高了瀝青的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,黏度和稠度增大,高溫條件下瀝青變形更加困難。

3.3 黏度

瀝青混合料主要靠瀝青的黏度將集料結(jié)合在一起形成強(qiáng)度,因此黏度決定了瀝青集料間的黏結(jié)能力和施工和易性,不僅反映了瀝青混合料的高、低溫穩(wěn)定性,同時(shí)與瀝青路面的抗老化耐久性息息相關(guān)。黏度過(guò)小則瀝青混合料性能難以保證,而黏度過(guò)大則瀝青混合料拌和壓實(shí)困難,因此國(guó)際上通常以60℃動(dòng)力黏度作為道路石油瀝青分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),其次將170 ℃的旋轉(zhuǎn)黏度作為控制瀝青混合料施工和易性的黏度標(biāo)準(zhǔn)[10]。

復(fù)合改性瀝青60 ℃動(dòng)力黏度和170 ℃旋轉(zhuǎn)黏度隨改性劑摻量變化的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 改性劑摻量對(duì)改性瀝青黏度的影響

由圖6可知,隨著改性劑摻量的增加,復(fù)合改性瀝青的60 ℃動(dòng)力黏度和170 ℃旋轉(zhuǎn)黏度均呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的趨勢(shì),改性劑摻量從3%提高到12%,60 ℃動(dòng)力黏度和170 ℃旋轉(zhuǎn)黏度分別增長(zhǎng)了114%和195%,可見(jiàn)改性劑的摻入能夠大幅度提高瀝青自身黏度。其次,盡管摻加改性劑后瀝青的170 ℃旋轉(zhuǎn)黏度增長(zhǎng)迅速,但在3%～12%改性劑摻量的范圍時(shí),170 ℃的旋轉(zhuǎn)黏度仍小于3.0 Pa·s,滿足瀝青混合料施工和易性能要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了偶聯(lián)改性劑摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青物理性質(zhì)、流變性能和黏度的影響,主要結(jié)論如下。

1) 隨著改性劑摻量的增大,改性瀝青針入度線性下降,軟化點(diǎn)和延度逐漸增大,復(fù)合改性瀝青的黏度和延展性有所增大。

2) 偶聯(lián)改性劑的高分子結(jié)構(gòu)與SBS相互交錯(cuò)形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提高了瀝青的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,復(fù)數(shù)剪切模量和車轍因子逐漸提升,瀝青的抗剪切變形能力明顯改善。

3) 復(fù)合改性瀝青的60 ℃動(dòng)力黏度和170 ℃旋轉(zhuǎn)黏度均呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì),改性劑摻量3%～12%時(shí),復(fù)合改性瀝青能夠滿足瀝青混合料施工和易性能要求。