基于微觀分析的SBS改性瀝青老化力學性能研究

植豪文

(佛山市公路橋梁工程監測站,廣東佛山 528041)

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基于微觀分析的SBS改性瀝青老化力學性能研究

植豪文

(佛山市公路橋梁工程監測站,廣東佛山 528041)

摘要:利用紅外光譜法和熒光顯微方法探究SBS改性瀝青老化前后化學組分和微觀結構的變化,對原樣、短期老化和長期老化SBS改性瀝青進行微觀研究分析,結合SBS改性瀝青不同老化階段的動態力學性能,從微觀角度分析SBS改性瀝青不同老化階段宏觀力學性能產生的原因。

關鍵詞:公路;SBS改性瀝青;熒光顯微鏡;紅外光譜;流變力學

SBS改性瀝青具有良好的高溫抗車轍性、低溫抗裂性及溫度敏感性等,是高等級路面最常用的改性瀝青。由于SBS改性瀝青的應用時間不長,目前研究主要集中于其力學使用性能,對其力學形成的微觀機理還沒有足夠的分析研究。該文通過紅外光譜法、熒光顯微法,結合動態流變性能試驗,從化學組分和微觀結構角度分析SBS改性瀝青不同老化階段動態力學性能的形成及變化機理。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用SBS改性瀝青由試驗室制成:加熱殼牌70#基質瀝青至160～170℃后添加4.5%SBS改性劑及適量穩定劑,高速剪切儀以4 000 r/min的速度高速剪切40 min;然后在170～180℃溫度下高速剪切60 min,最后于160℃烘箱內溶脹發育4 h制得SBS改性瀝青。按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的試驗方法測定其技術指標(見表1),均符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求。

1.2 試驗方法

(1)樣品老化。采用旋轉薄膜烘箱(RTFOT)法對SBS改性瀝青進行85 min老化,獲取短期老化樣品;之后繼續對樣品施加20 h的壓力老化(PAV),獲取長期老化樣品。

(2)動態流變力學分析。分別對SBS改性瀝青的原樣、短期老化樣品及長期老化樣品進行動態剪切流變試驗(DSR),探究SBS改性瀝青老化前后的高溫抗車轍性能。

(3)紅外光譜法。采用Bruker傅里葉變換紅外光譜儀對老化前后SBS改性瀝青樣品進行紅外光譜分析,其分辨率為4 cm-1,掃描次數32次,光譜采集范圍400～4 000 cm-1。將樣品滴于載玻片上,稍微加熱,取微量樣品涂于KBr鹽片上,然后進行紅外光譜檢測。

表1 SBS改性瀝青檢測結果

(4)熒光顯微分析。采用落射式熒光顯微鏡探究SBS改性瀝青老化前后微觀形貌的變化。將載玻片與蓋玻片用鉻酸溶液浸泡30 min后清洗干凈并烘干備用。加熱改性瀝青至160℃使其呈流動態,利用玻璃棒滴于載玻片上,蓋上蓋玻片,置于160℃烘箱中直至其融化變平;置于室溫冷卻后,平放存于培養皿中,并防止傾斜。將樣品置于熒光顯微鏡物鏡下,調整放大倍數,利用藍光光源激發樣品并成像。

2 試驗結果與分析

2.1 動態流變力學性能分析

分別對基質瀝青及SBS改性瀝青老化前后樣品進行動態剪切流變試驗,檢測老化前后樣品在不同溫度(58、64、70、76、82℃)下的高溫性能指標,結果見表2與表3。

表2 基質瀝青老化前后高溫性能指標

表3 SBS改性瀝青老化前后高溫性能指標

表2表明基質瀝青老化后,復數剪切模量G?持續增加,相位角則連續降低,彈性上升而粘性下降。這是由于基質瀝青主要是熱氧老化,在老化過程中碳碳雙鍵等不飽和鍵與氧發生化學反應,形成羧基、酮等含氧官能團,導致大量飽和分、芳香分向膠質與瀝青質轉變。根據膠團理論,膠質與瀝青質的增加致使瀝青由原溶膠型瀝青轉變為凝膠型瀝青,抗車轍能力提高,這也可從動態剪切流變試驗所得抗車轍因子的規律得到驗證。分析短期老化和長期老化對基質瀝青的影響可以發現,無論在何種高溫下,基質瀝青在經過短期老化后,其動態流變性能已發生很大轉變,相對于短期老化,動態流變性能在長期老化階段幾乎不發生變化,說明基質瀝青的老化主要發生在短期老化階段。而實驗室短期老化試驗(RTFOT)是模擬瀝青在拌和攤鋪過程中的老化,說明基質瀝青在瀝青混合料生產階段已幾乎發生完全老化,對以后路用性能影響很大。因此,需要對基質瀝青進行改性。

分析表3所示SBS改性瀝青老化前后高溫性能指標,發現SBS改性瀝青老化后的G?、車轍因子等在不同高溫下都有增加而相位角不斷減小,說明隨著老化程度的增加,SBS改性瀝青的高溫抗車轍能力不斷提高,彈性增加而粘性減小。SBS改性瀝青在老化過程中其高溫性能的變化趨勢與基質瀝青類似,但仔細分析不同老化階段,發現SBS改性瀝青經過短期老化后其動態流變性能沒有發生多大變化,與原樣SBS相差無幾;而相比原樣,長期老化后SBS動態流變性能發生很大變化。說明SBS改性瀝青的老化主要發生在長期老化階段。

2.2 紅外光譜分析

紅外光譜法是一種對吸收紅外光的各種化學物的一種定性與定量分析方法,它根據不同物質會選擇性地吸收紅外光區的電磁輻射以進行結構分析。動態流變性能可體現出SBS改性瀝青的宏觀力學性能,而材料內部組分的變化需通過紅外光譜試驗分析得到,通過化學組分的變化可以從機理上分析宏觀力學性能的產生原因。通過對SBS改性瀝青不同老化階段樣品進行紅外光譜分析,從材料分子組成的角度探究SBS改性瀝青老化前后化學組分和含量的變化,分析短期老化與長期老化對SBS改性瀝青的影響,并以此為依據,分析SBS改性瀝青不同老化階段力學性能的形成機理。

SBS為聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯的嵌段聚合物,其化學組成與瀝青有一定區別(見圖1)。基質瀝青與SBS改性瀝青的紅外光譜見圖2。

圖1 SBS共聚物化學分子式

圖2 基質瀝青與SBS改性瀝青的紅外光譜

從圖2可見:SBS改性瀝青的紅外光譜在699 cm-1處出現基質瀝青未有的特征吸收峰,其歸屬于苯乙烯基苯環單取代峰。根據相關文獻,基質瀝青在810 cm-1處出現有別于SBS的特征吸收峰,其歸屬于瀝青芳香族面外振動。因此,A699/A810可作為SBS含量的半定量分析依據,對SBS改性瀝青不同老化階段的SBS含量進行半定量分析,探索其在不同老化過程中的變化情況。

分別對基質瀝青,SBS改性瀝青原樣、RTFOT 和PAV樣品進行紅外光譜分析,局部紅外光譜對比見圖3。根據圖3只能定性分析不同老化階段SBS改性瀝青均存在SBS,因此利用A699/A810指標對不同老化階段進行半定量分析,探究其含量。半定量分析顯示SBS原樣、RTFOT、PAV的A699/ A810分別為0.53、0.51、0.41,表明SBS改性瀝青經過短期老化后其SBS含量并未發生多少變化,而經過長期老化后SBS含量急劇減少。說明短期老化對SBS改性瀝青內SBS并未造成多大影響,而長期老化會導致SBS的碳碳雙鍵被氧化而遭到破壞,鏈段結構發生斷裂,SBS降解,使SBS改性瀝青的宏觀性能大幅下降。

圖3 基質瀝青及SBS改性瀝青不同老化階段的局部紅外光譜

2.3 熒光顯微分析

由于在改性瀝青中基質瀝青并不會被激發產生熒光,而SBS聚合物改性劑在受到高能光束照射時會產生明顯的熒光效應,可通過熒光現象觀察SBS改性劑在基質瀝青中分布的結構、物相及形態等,以微觀形貌分析SBS改性瀝青的力學性能,建立SBS改性瀝青微觀形態與宏觀力學性能之間的聯系。通過分析SBS改性瀝青不同老化階段的微觀形貌,研究SBS改性瀝青不同老化階段的力學形成機理是一種有效方法。

利用熒光顯微鏡分別對SBS改性瀝青原樣、RTFOT、PAV樣品進行拍照分析,放大倍數為400 倍,并對熒光圖像進行灰度處理,結果見圖4。

從圖4(a)可知:基質瀝青由于不受藍光激發,在熒光顯微圖像中呈黑色,而SBS改性劑在灰度圖中呈白色;基質瀝青與SBS改性劑具有良好的相容性,SBS改性劑在基質瀝青中吸收輕質組分溶脹形成連續相,SBS顆粒相互連接形成空間網狀結構,與基質瀝青構成兩相連續體。由于空間網狀結構的存在,SBS改性瀝青呈彈性體,是使SBS改性瀝青的彈性、復數剪切模量、抗車轍能力較基質瀝青顯著提高的微觀原因。

從圖4(b))可見:經過短期老化后,SBS改性劑在基質瀝青中仍呈空間網狀結構,與SBS改性瀝青原樣熒光顯微圖片相比,短期老化對SBS改性瀝青的空間結構并未有實質性影響。

從圖4(c)可見:經過長期老化后,SBS改性劑形成的空間網狀結構消失,SBS呈顆粒狀分散相,SBS改性瀝青成為單相連續結構。

圖4 SBS改性瀝青老化前后熒光顯微圖片

熒光顯微圖像結果表明:長期老化對SBS改性瀝青產生非常大的影響,致使SBS改性劑發生降解與消散,極大影響了SBS改性瀝青的宏觀力學性能,這與紅外光譜法所得結論相一致。這也從微觀結構上解釋了SBS改性瀝青經過短期老化后其宏觀動態力學性能并未發生明顯變化,而經過長期老化后其力學性能大幅改變的原因。

3 結論

材料的宏觀力學性能與其化學組分和微觀結構緊密相連。該文對比分析了基質瀝青與SBS改性瀝青不同老化階段的動態力學性能,分別從化學組分和微觀結構兩個層面分析了SBS改性瀝青在不同老化階段的宏觀力學性能差別的產生原因,得出以下結論:

(1)不同于基質瀝青老化主要發生在短期老化階段,SBS改性瀝青老化主要發生于長期老化階段,短期老化對其性能影響較小。

(2)SBS改性瀝青由于添加的SBS改性劑在基質瀝青中吸收輕質組分形成空間網狀結構,與基質瀝青形成連續兩相體系,成為彈性體,因而其動態力學性能強于基質瀝青。

(3)短期老化階段,通過紅外光譜法探究SBS改性瀝青的組分變化,發現其SBS含量變化較小;同時通過熒光顯微法分析其微觀結構形態,發現短期老化后SBS改性劑在基質瀝青中仍呈空間網狀結構,與基質瀝青形成連續的兩相體系,從而在化學組分和微觀結構層面解釋了為何宏觀力學性能上經過短期老化后SBS改性瀝青的復數剪切模量、相位角及車轍因子并未發生較大變化,保持了原樣的動態力學性質的原因。

(4)長期老化階段,紅外半定量分析發現改性瀝青中SBS含量相比于原樣降低許多,SBS改性劑發生降解,同時熒光顯微圖片反映SBS改性劑空間網狀結構破裂。體現在宏觀層面即復數剪切模量翻倍、相位角大幅減小、抗車轍因子顯著增加等動態力學性能發生改變,這分別從化學組分和微觀結構層面解釋了SBS改性瀝青經過長期老化階段后其宏觀力學性能發生變化的微觀原因。

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收稿日期:2016-01-27

中圖分類號:U416.217

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0092-04