不同摻量EVA改性瀝青流變性能研究

譚瀝東

(廈門(mén)市水務(wù)中心，福建廈門(mén) 201001)

隨著聚合物在生活中廣泛使用，廢品處理是不可避免的難題。一些廢舊聚合物因降解性差，成為“白色污染”[1-2]。目前處理廢舊聚合物有3個(gè)途徑：填埋、焚燒、回收[3]。填埋會(huì)對(duì)土地資源造成不可避免的污染，焚燒過(guò)程中產(chǎn)生大量有毒有害氣體，因此回收是最有效的處理方式。在道路工程領(lǐng)域，可用回收的EVA制備改性瀝青，因此該研究具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外已有大量針對(duì)于EVA改性瀝青的研究，沈化榮[4]研究發(fā)現(xiàn)EVA和瀝青相容性好，EVA改性瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫柔韌性、彈性都有明顯改善。李立寒等[5]將EVA瀝青和PE、SBR瀝青對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)EVA改性瀝青適應(yīng)溫度范圍更廣，能夠滿足年最低氣溫高于-9 ℃區(qū)域重交通道路瀝青的技術(shù)要求。范維玉等[6]對(duì)不同VA含量的改性瀝青進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著VA含量的增加，EVA改性瀝青的相位角δ增大，黏性成分逐漸增加，車轍因子G*/sinδ減小，抗車轍能力逐漸減弱，相容性先增強(qiáng)后減弱;在測(cè)定VA含量范圍內(nèi)，當(dāng)VA含量為25%時(shí)，EVA改性瀝青的綜合性能達(dá)到最好。Mahmoud Ameri等[7]人通過(guò)對(duì)EVA改性瀝青混合料永久變形、疲勞和低溫開(kāi)裂性能的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)EVA改性瀝青比基質(zhì)瀝青具有更好的抗車轍性能和抗疲勞開(kāi)裂性能，且在EVA含量較低或者中等時(shí)(2%和4%)，EVA改性瀝青具有更好的耐低溫能力。Jing Jin等[8]通過(guò)將2種VA含量(14%，18%)的EVA進(jìn)行紫衰減紅外光譜(ATR-FTIR)、凝膠含量和高溫凝膠滲透色譜(HTGPC)試驗(yàn)，對(duì)其降解機(jī)理進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)氧的滲透、不穩(wěn)定氧化產(chǎn)物和自由基的形成進(jìn)一步促進(jìn)了EVA的自然催化降解。Gordon[9]將EVA改性瀝青的形態(tài)、熱特性和基本流變性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)EVA將自身結(jié)構(gòu)中的半結(jié)晶質(zhì)帶入到瀝青中，使得改性瀝青在不同溫度下，存在不同的晶體結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)今針對(duì)EVA改性瀝青本身性能和EVA結(jié)構(gòu)對(duì)改性瀝青性能影響有了大量成果，盡管大家認(rèn)為EVA和瀝青相容性好，但在研究中EVA摻量少有超過(guò)10%。本文致力于不同EVA摻量對(duì)改性瀝青性能影響，以三大指標(biāo)、蠕變恢復(fù)率(R)、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)、應(yīng)力敏感指數(shù)(Jnr-diff)、勁度模量(S)、m值作為技術(shù)指標(biāo)，以此探究不同摻量EVA對(duì)改性瀝青流變性能影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料

1.1 基質(zhì)瀝青

試驗(yàn)選用2種組分不同的70#基質(zhì)瀝青，性能參數(shù)如表1所示。ES瀝青在我國(guó)使用廣泛，膠體結(jié)構(gòu)優(yōu)異。SK基質(zhì)瀝青各方面性能與ES基質(zhì)瀝青相似，但性能略差。

表1 基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 EVA改性劑

本研究選取2種(由阿拉丁公司提供)不同VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)EVA改性劑，性能參數(shù)如表2所示。

表2 EVA共聚物主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 改性瀝青制備工藝

選用埃東BME100LT高速剪切機(jī)制備改性瀝青。等瀝青溫度上升到170 ℃時(shí)，將設(shè)計(jì)好摻量(5%，10%，15%，20%)的EVA改性劑分批加入基質(zhì)瀝青中，并用玻璃棒緩慢攪拌。等EVA改性劑全部加入后，先低速速攪拌10 min，再使用4 000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切30 min，由此制得EVA改性瀝青。

1.4 瀝青性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.4.1 三大指標(biāo)

根據(jù)JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》，以軟化點(diǎn)(T0606-2011)為技術(shù)指標(biāo)測(cè)試其高溫性能，以延度試驗(yàn)(T0605-2011)評(píng)價(jià)其低溫性能，以針入度值(T0604-2011)評(píng)價(jià)改性瀝青軟硬性。

1.4.2 MSCR試驗(yàn)

本文選用TA公司的DHR-3型動(dòng)態(tài)剪切流變儀，根據(jù)規(guī)范AASHTO M 332進(jìn)行試驗(yàn)，選用25 mm平板，試件厚度1 mm。MSCR試驗(yàn)過(guò)程：先在0.1 kPa的作用力下預(yù)加載10次，正式加載為先在0.1 kPa作用下加載10次，接著在3.2 kPa作用下加載10次(力的作用過(guò)程為1 s加載，9 s卸載恢復(fù))。蠕變恢復(fù)率(R)，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)，應(yīng)力敏感指標(biāo)(Jnr-diff)由規(guī)范AASHTO M 332中公司計(jì)算得到。本文以64 ℃的R，Jnr，Jnr-diff為技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)改性瀝青高溫性能。

1.4.3 BBR試驗(yàn)

BBR試驗(yàn)被廣泛用于評(píng)價(jià)瀝青低溫性能，根據(jù)規(guī)范AASHTO M 320-10經(jīng)行試件制備及試驗(yàn)操作。以-18 ℃時(shí)，加載60 s測(cè)得的勁度模量(S)和蠕變速率(m值)做為技術(shù)指標(biāo)。S和m值由自帶軟件計(jì)算得到。

2 結(jié)果分析

2.1 三大指標(biāo)

為探究不同摻量EVA對(duì)改性瀝青常規(guī)性能影響，進(jìn)行了三大指標(biāo)試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同摻量EVA改性瀝青三大指標(biāo)

基質(zhì)瀝青的延度在5 ℃時(shí)幾乎為0，而加入EVA后顯著提升了瀝青的延度，說(shuō)明基質(zhì)瀝青經(jīng)過(guò)EVA改性后延展性大幅提升。但隨EVA著摻量增加，幾種改性瀝青的延度都呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明過(guò)多的EVA改變了改性瀝青黏彈性能占比，延展能力被削弱?；|(zhì)瀝青為ES70#的改性瀝青延度大于SK70#。2種25%VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性瀝青延度都大于30%VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性瀝青，說(shuō)明VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)延度的影響大于基質(zhì)瀝青種類對(duì)延度的影響。

加入EVA后，改性瀝青針入度明顯減小，說(shuō)明EVA和基質(zhì)瀝青共混后使瀝青在常溫下更硬。隨著EVA摻量增加，幾種改性瀝青針入度都呈下降的趨勢(shì)，說(shuō)明EVA摻量越大改性瀝青的硬度越大。在相同EVA摻量時(shí)，32%VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性瀝青針入度大于25%VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性瀝青，說(shuō)明25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EVA改性瀝青硬度更大。ES因自身針入度更小，導(dǎo)致制備的EVA改性瀝青針入度小于SK制備的改性瀝青。

基質(zhì)瀝青在加入EVA后，軟化點(diǎn)明顯上升，說(shuō)明加入EVA能顯著提升瀝青高溫性能。隨著EVA摻量增加，幾種改性瀝青軟化點(diǎn)都呈上升的趨勢(shì)，說(shuō)明EVA摻量越大，對(duì)其改性瀝青高溫性能提升越大。EVA摻量和軟化點(diǎn)連成的曲線為凸函數(shù)，說(shuō)明隨著摻量增加，對(duì)高溫性能的提升越來(lái)越小。25%VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性瀝青軟化點(diǎn)高于32%VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性瀝青，且ES制備的改性瀝青性軟化點(diǎn)高于SK制備的，說(shuō)明25%VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性劑和ES基質(zhì)更適用于制備EVA改性瀝青。

2.2 MSCR試驗(yàn)

MSCR試驗(yàn)測(cè)得的R和Jnr被證實(shí)和車轍試驗(yàn)有很好的相關(guān)性[10]，現(xiàn)今研究?jī)A向于使用R和Jnr評(píng)價(jià)瀝青高溫性能。不同摻量的EVA改性瀝青MSCR測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

64 ℃時(shí)，幾種改性瀝青在0.1 kPa和3.2 kPa作用下，蠕變恢復(fù)率如圖2(a)、圖2(b)所示。基質(zhì)瀝青在64 ℃的蠕變恢復(fù)率接近0，摻入EVA后蠕變恢復(fù)率明顯增加，說(shuō)明EVA能有效改善瀝青變形恢復(fù)能力，使彈性變形比例增加，黏性變形比例減少。隨著EVA摻量的增加，蠕變恢復(fù)率也逐漸升高，更多的EVA摻量能使改性瀝青擁有更好的變形恢復(fù)能力。而在3.2 kPa作用下的蠕變恢復(fù)率小于0.1 kPa，說(shuō)明EVA改性瀝青彈性恢復(fù)性能隨著作用力提高而迅速減小。

不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃咳鐖D2(c)、圖2(d)所示，其值越小說(shuō)明瀝青高溫性能越好?；|(zhì)瀝青在加入EVA改性劑后，Jnr都呈減小的趨勢(shì)，說(shuō)明加入EVA使基質(zhì)瀝青有更好的抗變形能力。且隨著EVA摻量增加，Jnr逐漸減小，說(shuō)明EVA摻量越多，改性瀝青高溫性能改善效果越顯著。當(dāng)應(yīng)力從0.1 kPa增加到3.2 kPa時(shí)，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃孔兇?，這和瀝青混凝土在更大承載時(shí)產(chǎn)生更大的車轍相符。

圖2 MSCR測(cè)試結(jié)果

應(yīng)力敏感指數(shù)如圖2(e)所示，其值越大，瀝青應(yīng)力敏感性越大。在加入EVA改性劑后，瀝青應(yīng)力敏感指數(shù)降低，說(shuō)明改性瀝青受應(yīng)力變化的影響更小，承載能力更強(qiáng)。隨著EVA摻量增加，改性瀝青應(yīng)力敏感指數(shù)進(jìn)一步減小，說(shuō)明更多的EVA摻量使改性瀝青承載能力進(jìn)一步加強(qiáng)。

當(dāng)選用相同的基質(zhì)瀝青時(shí)，25%VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性瀝青蠕變恢復(fù)率更大，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃扛?，說(shuō)明25%VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EVA改性瀝青高溫變形恢復(fù)能力更強(qiáng)。當(dāng)VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，E70制備的改性瀝青有更大的變形恢復(fù)能力，基質(zhì)瀝青和VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)共同影響了瀝青的變形恢復(fù)能力。

EVA中C2H4基團(tuán)會(huì)形成骨架結(jié)晶體，可支撐分子空間結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不僅有利于變形恢復(fù)，同時(shí)也利于提升改性瀝青承載能力。因此當(dāng)EVA摻量增加時(shí)，改性瀝青內(nèi)部形成更多骨架晶體，體現(xiàn)出更佳的高溫性能。

2.3 BBR試驗(yàn)

為探究不同摻量EVA對(duì)改性瀝青低溫性能影響，進(jìn)行了BBR試驗(yàn)，測(cè)得的勁度模量和m值如圖3所示。

圖3 不同摻量EVA改性瀝青BBR測(cè)試結(jié)果

加入EVA后，瀝青的勁度模量明顯減小，m值明顯升高，說(shuō)明EVA使瀝青在低溫時(shí)更軟，進(jìn)而提升瀝青延展性和抗開(kāi)裂性能。隨著EVA摻量增加，勁度模量逐漸降低，m值逐漸增加。表明EVA摻量越大，改性瀝青低溫時(shí)抗開(kāi)裂性能越好，應(yīng)力松弛能力越好，低溫性能越佳。這和延度試驗(yàn)結(jié)論有區(qū)別。

25%VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性瀝青有更小的勁度模量更大的m值，說(shuō)明25%VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EVA改性瀝青低溫性能優(yōu)于32%VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的改性瀝青。當(dāng)VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，由SK制備的改性瀝青有更小的勁度模量，更大的m值，說(shuō)明SK制備的改性瀝青性能優(yōu)于ES制備的改性瀝青。

EVA加入瀝青后，C4H6O2基團(tuán)會(huì)形成與橡膠類似的結(jié)構(gòu)，因此在延度測(cè)試時(shí)更容易造成應(yīng)力集中。當(dāng)EVA摻量越高時(shí)，應(yīng)力集中更突出，使得延度測(cè)試結(jié)果降低。而EVA模量在低溫時(shí)比基質(zhì)瀝青更軟，且類似橡膠的結(jié)構(gòu)有更好應(yīng)力松弛能力，因此EVA摻量越多的改性瀝青，在BBR試驗(yàn)中表現(xiàn)出更小的勁度模量和更大m值。

3 結(jié)論

(1)EVA在基質(zhì)瀝青中形成結(jié)晶體，能顯著提升瀝青的變形恢復(fù)能力、高溫性能及低溫抗開(kāi)裂能力。

(2)EVA摻量更高的改性瀝青，高溫性能更好(軟化點(diǎn)越高，變形恢復(fù)能力更強(qiáng)，應(yīng)力敏感指數(shù)更小)，低溫性能也更好(勁度模量更小，m值更大)，但由于類似橡膠結(jié)構(gòu)引起應(yīng)力集中，對(duì)延度產(chǎn)生消極影響。

(3)25%VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EVA比35%VA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的EVA改性劑更適用于瀝青改性。

(4)ES70#基質(zhì)瀝青和EVA制備的改性瀝青高溫性能優(yōu)于SK70#制備的改性瀝青，但低溫性能不如SK70#制備的EVA改性瀝青。