廢舊聚酯纖維改性瀝青的物理及流變性能

謝路璐,曾俐豪,2

(1.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著現(xiàn)代材料技術(shù)的發(fā)展,纖維材料因具有可延長基體物質(zhì)使用壽命的優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于材料加固[1]。同時,纖維材料在道路工程領(lǐng)域也取得了較好的應(yīng)用效果,如SMA用木質(zhì)素纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等在道路瀝青材料中應(yīng)用效果顯著[2]。在瀝青混合料中,纖維主要與瀝青結(jié)合,纖維的吸附與均勻分布形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可有效提升瀝青混合料路用性能,進而延長瀝青路面的服役壽命[3]。

隨著我國“雙碳目標”戰(zhàn)略的推進,對交通領(lǐng)域這一碳排放“大戶”提出了更高的發(fā)展要求,這使得廢舊材料的應(yīng)用得到了更廣泛的推廣[4-5]。聚酯纖維(CPF)俗稱“滌綸”,屬于高分子化合物,廣泛應(yīng)用于紡織行業(yè),是日常生活生產(chǎn)中常見的廢舊材料。目前已有部分研究對其在瀝青路面中應(yīng)用進行了探討,如Wu等[6]研究了老化對聚酯纖維瀝青混合料低溫抗裂性和水穩(wěn)定性的影響;Mohammad等[7]對木質(zhì)素磺酸鈣/聚酯纖維復合改性瀝青混合料凍融損傷與抗斷裂性能進行了評價;Gang等[8]對玻璃/聚酯纖維復配改性瀝青混合料的綜合路用性能進行了分析。但總體而言,現(xiàn)有研究主要集中于CPF改性瀝青混合料性能評價,對各類瀝青改性效果的影響研究相對較少。

本文擬選取90#、70#及SBS三種目前應(yīng)用廣泛的瀝青類型,采用針入度、軟化點及135 ℃高溫黏度等典型物理性能指標,結(jié)合動態(tài)剪切流變儀溫度掃描流變性能指標對不同CPF摻量下各瀝青改性效果進行綜合評價,進而為CPF在瀝青改性方面的有效利用提供理論參考與指導。

1 材料與方法

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

考慮應(yīng)用的廣泛性,本文使用了三種類型的瀝青,包括兩類基質(zhì)瀝青(90#與70#基質(zhì)瀝青)以及SBS改性瀝青。各瀝青主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 瀝青主要技術(shù)指標表

1.1.2 聚酯纖維

本研究使用的聚酯纖維來源于廢舊枕芯,經(jīng)干法清洗與篩選獲得。其主要技術(shù)指標表2所示。

表2 聚酯纖維主要技術(shù)指標表

1.1.3 改性瀝青制備

采用濕法工藝進行CPF改性瀝青制備,CPF摻量取瀝青質(zhì)量分數(shù)的0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。制備采用高速剪切機進行,剪切速率為3 000 r/min。測試溫度統(tǒng)一選取為160 ℃,剪切過程采用雙溫度計進行監(jiān)測。前期探索性試驗表明,制備時間為30 min后,各項指標趨于穩(wěn)定。為減少制備過程導致的瀝青老化,取該時間作為各試樣后續(xù)分析剪切時間。

1.2 試驗方法

1.2.1 物理性能測試

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011),分別對不同CPF摻量下三種類型瀝青進行針入度(T 0604-2011)、軟化點(T 0606-2011)、布氏旋轉(zhuǎn)黏度(T 0625-2011)測試[9]。

1.2.2 溫度掃描試驗

采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)進行溫度掃描測試,測試溫度分別為40 ℃、46 ℃、52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃和82 ℃,所有試樣采用未老化瀝青試樣。溫度掃描采用直徑為25 mm的測試板,板間距為1 mm,測試應(yīng)力為0.12 kPa。試驗分別得到復數(shù)剪切模量G*與相位角δ,并據(jù)此計算得到各試樣的車轍因子G*/sinδ。其中,G*定義為最大剪切應(yīng)力與最大剪切應(yīng)變的比值,可評價剪切載荷施加時抗變形能力;δ定義為所施加的應(yīng)力與所產(chǎn)生的應(yīng)變之間的滯后關(guān)系,可表征瀝青粘彈性比例的變化特征。綜合指標G*/sinδ可表征瀝青在不同工況下的抗永久變形能力,是瀝青性能分級的重要指標。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性能

選取90#基質(zhì)瀝青、70#基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青,分別對各種瀝青在不同CPF摻量下的針入度、軟化點和黏度等3項物理指標進行測試,測試結(jié)果及分析如下。

2.1.1 針入度

針入度作為我國瀝青分級標準指標,主要反映瀝青的硬度及稠度,90#基質(zhì)瀝青、70#基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青在不同CPF摻量下的針入度測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 三組瀝青在不同CPF摻量下的針入度測試結(jié)果示意圖

由圖1可知:

(1)總體而言,三種瀝青針入度均隨CPF摻量增大呈現(xiàn)一定的降低趨勢。針入度降低,顯示瀝青稠度增加。這是由于瀝青被CPF裹覆后形成了交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提升了瀝青表面對外荷載的抗力性能[10],表明CPF加入后增強了瀝青之間的聚合效果,具有提升瀝青及瀝青混合料路用性能的潛力。

(2)對比三種瀝青針入度變化幅度,90#、70#兩種基質(zhì)瀝青針入度變化幅度相對較大,而SBS改性瀝青降幅較小。相較無CPF瀝青,當摻量達到2%時,90#與70#基質(zhì)瀝青針入度分別降低41(0.1 mm)、34(0.1 mm),降幅分別達到47.7%與52.3%,而SBS改性瀝青針入度降低了13(0.1 mm),降幅僅為28.9%。這可能是由于相較基質(zhì)瀝青,SBS改性瀝青中瀝青已與SBS改性劑形成良好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),CPF的摻入并不能有效與瀝青交聯(lián),致使CPF對SBS改性瀝青針入度影響效果并不顯著。

2.1.2 軟化點

軟化點一般與瀝青混合料高溫抗永久變形能力有關(guān),是瀝青重要的高溫性能指標。90#基質(zhì)瀝青、70#基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青在不同CPF摻量下的軟化點測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 三組瀝青在不同CPF摻量下的軟化點測試結(jié)果示意圖

由圖2可知,軟化點與針入度變化規(guī)律相反,隨著CPF摻量增加,三組瀝青軟化點均增大,且兩組基質(zhì)瀝青變化幅度顯著高于SBS改性瀝青。相較無CPF瀝青,當摻量達到2%時,90#與70#基質(zhì)瀝青軟化點分別增加10.0 ℃、12.1 ℃,增幅達到21.5%與24.8%,而SBS改性瀝青軟化點僅增大2.3 ℃,增幅僅為3.1%。這是由于纖維改性劑與瀝青形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),可顯著改善瀝青的高溫性能[11]。此外,SBS作為目前最常用的瀝青改性劑,對包括高溫性能在內(nèi)的瀝青綜合性能均有顯著提升[12]。因此,CPF與SBS組成的復合改性并不能使SBS改性瀝青軟化點得到更大更高。

一般來說,瀝青針入度和軟化點值可反映其相對黏度。在高溫下,低針入度和高軟化點的瀝青一般具有較好的承力與抗變形性能。因此總體而言,CPF的摻入可提升瀝青的抗永久變形能力。

2.1.3 高溫黏度

黏度作為瀝青的重要指標,與瀝青混合料抗永久變形能力具有一定的關(guān)聯(lián)性。同時,瀝青高溫黏度作為瀝青混合料施工溫度確定的重要依據(jù),對瀝青作業(yè)參數(shù)的確定具有一定的指導意義。采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度計對不同CPF摻量下的瀝青135 ℃黏度進行測試,測試結(jié)果如下頁圖3所示。由圖3可知:

圖3 三組瀝青在不同CPF摻量下的135 ℃黏度測試結(jié)果示意圖

(1)隨著CPF摻量增大,三組瀝青高溫黏度均顯著增加。這是由于布氏旋轉(zhuǎn)黏度測試過程中,CPF與瀝青吸附形成的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增大了對轉(zhuǎn)子周期性運動的抵抗能力,致使黏度增大。比較三組瀝青黏度增幅,相較無CPF的對照組,當CPF摻量達到2%時,90#基質(zhì)瀝青、70#基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青黏度增幅分別增大22.2倍、24.8倍及7.7倍。

(2)隨著CPF摻量增大,三組瀝青黏度增長曲線呈現(xiàn)不同的變化趨勢。基質(zhì)瀝青在CPF摻量較小(0.5%以內(nèi))時,增幅相對較緩。其中,90#瀝青在CPF摻量在0.5%～1.5%時黏度顯著增大,之后黏度增幅趨緩。而70#瀝青在摻量>0.5%后黏度變化呈現(xiàn)顯著的線性增長。SBS改性瀝青雖然初始黏度較大,但摻入CPF后,其黏度在全摻量范圍內(nèi)仍呈線性增長?？紤]黏度增大會顯著增加瀝青混合料的施工溫度,綜合前述CPF對SBS改性瀝青指標的提升效果,應(yīng)慎重考慮采用CPF與SBS的復配工藝進行瀝青改性,或應(yīng)嚴格控制復配改性劑的摻量。

(3)基于運輸質(zhì)量控制及施工和易性考慮,美國AASHTO標準及我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)均要求改性瀝青135 ℃黏度<3.0Pa·s(圖3中虛線)[13]。以此為依據(jù),若將CPF作為工廠化改性瀝青使用,90#及70#基質(zhì)瀝青CPF摻量應(yīng)分別控制在1.0%、0.5%,而SBS改性瀝青則不宜摻加CPF。需要說明的是,上述摻量限制是基于將CPF改性瀝青作為工廠化成品瀝青使用所進行的考量。當采用拌和站現(xiàn)場改性時,CPF摻量控制可參照SMA混合料中木質(zhì)素纖維使用工藝。

2.2 流變性能

為評估CPF改性瀝青的高溫抗車轍性能,采用DSR對三組在不同CPF摻量的瀝青進行溫度掃描測試。對各組瀝青車轍因子(G*/sinδ)進行計算,測算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知:

(a)90#瀝青

(1)隨著溫度升高,車轍因子與溫度在半對數(shù)坐標下呈現(xiàn)顯著的線性變化規(guī)律,該規(guī)律與常用基質(zhì)及改性瀝青變化規(guī)律一致。就作用機理而言,表明CPF改性后瀝青并未改變其粘彈特性[14],即溫度升高,CPF改性瀝青彈性性能降低、黏性比重增大。此時,抗變形性能逐漸降低,且該變化趨勢在半對數(shù)坐標下呈現(xiàn)典型的線性降低趨勢。

(2)隨CPF摻量增加,三組瀝青車轍因子均呈現(xiàn)增大現(xiàn)象,且具有隨CPF摻量增加繼續(xù)增大的趨勢。上述現(xiàn)象表明,CPF的加入可增強瀝青內(nèi)部聚合性能,有效提升各溫度下改性瀝青的抗變形能力,這與前述針入度及軟化點試驗結(jié)論相一致。另外,比較三種瀝青車轍因子大小,各溫度下車轍因子大小關(guān)系為:SBS改性瀝青>70#基質(zhì)瀝青>90#基質(zhì)瀝青。

為進一步量化分析CPF對不同瀝青流變性能的影響,對各摻量下瀝青PG分級高溫失效溫度進行分析。根據(jù)SHRP標準中PG等級高溫分級規(guī)定,以未老化瀝青車轍因子在1.0 kPa對應(yīng)溫度為其高溫失效溫度,并以6 ℃為步長周期,確定PG分級高溫指標。分別對圖4中車轍因子變化曲線進行分析,以車轍因子為1.0 kPa曲線(圖4中虛線)對應(yīng)溫度為失效溫度,計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 聚酯纖維改性瀝青高溫失效溫度對比柱狀圖

由圖5可知,隨CPF摻量增大,PG分級高溫失效溫度均得到提升。90#、70#及SBS改性瀝青高溫失效溫度分別提升8.7 ℃、6.0 ℃與4.5 ℃,表明CPF的摻入可使三組瀝青服役于更高溫環(huán)境地區(qū)。對比發(fā)現(xiàn),CPF對針入度最大的90#瀝青高溫失效溫度提升最為顯著,而對SBS改性瀝青高溫失效溫度提升幅度相對最低。

參照SHRP標準PG分級標準,對上述各組瀝青進行PG高溫分級,分級結(jié)果如表3所示。

表3 CPF改性瀝青PG分級高溫等級表

(1)對比發(fā)現(xiàn),當CPF摻量達到1.0%后,90#與70#兩組基質(zhì)瀝青高溫等級均提升一個等級。其中,當CPF摻量達到1.5%時,70#瀝青高溫等級達到SBS改性瀝青水平。表明CPF對基質(zhì)瀝青高溫流變性能具有良好的提升效果,具有較好的推廣應(yīng)用潛力。

(2)而隨著CPF摻量增加,SBS改性瀝青高溫失效溫度雖然增大,但其高溫等級并未改變。這是由于SBS改性瀝青初始高溫等級較高,即使大摻量的CPF也并不能使其高溫等級得到顯著提升。結(jié)合前述試驗結(jié)果綜合分析,隨著CPF摻量增加,SBS改性瀝青針入度、軟化點雖呈一定增大趨勢,但增幅相對較緩。而CPF的摻入,使其黏度急劇增大,這將使混合料施工溫度大幅提升,進而加劇瀝青施工階段老化,并加大拌和、攤鋪過程中能源消耗。因此,CPF并不適用于與SBS改性瀝青復配使用。

3 結(jié)語

以不同摻量廢舊聚酯纖維(CPF)對90#基質(zhì)瀝青、70#基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青進行改性,選取針入度、軟化點及135 ℃高溫黏度等物理性能指標,結(jié)合基于DSR溫度掃描的車轍因子對改性效果進行評價,得到如下結(jié)論:

(1)隨著CPF摻量增大,三組瀝青的針入度降低、軟化點提升,但SBS改性瀝青指標變化幅值遠小于90#與70#基質(zhì)瀝青。

(2)三組瀝青黏度均隨CPF摻量增加大幅提升,若將CPF改性瀝青進行工廠化應(yīng)用,應(yīng)分別控制90#與70#基質(zhì)瀝青中CPF摻量在1.0%與0.5%以內(nèi)。

(3)DSR溫度掃描試驗表明,隨CPF摻量增大,三組瀝青高溫流變性能均得到提升,且90#與70#基質(zhì)瀝青提升更為顯著,建議二者摻量為1.5%。

(4)CPF并未提升SBS改性瀝青PG高溫等級,且對針入度與軟化點提升幅值較小,但使高溫黏度急劇增大,不建議CPF與SBS改性瀝青復配使用。