高粘度改性瀝青紫外光氧老化特性研究

黎曉,黃東,聶良鵬,張新為,趙毅,5,鄭煜

(1.重慶交通大學 材料科學與工程學院,重慶 400074;2.云南省交通規(guī)劃設計研究院有限公司,云南 昆明 650000;3.云南通衢工程檢測有限公司,云南 昆明 650000;4.中建路橋集團有限公司,河北 石家莊 050001;5.招商局重慶交通科研設計院有限公司,重慶 400067;6.重慶晟贊建設工程有限公司,重慶 404100)

排水瀝青路面中廣泛使用了高粘度改性瀝青[1],但對于自然環(huán)境影響下的高粘度瀝青老化機理仍亟待深入研究。瀝青老化主要分為熱氧老化和紫外老化,譚憶秋等發(fā)現(xiàn)瀝青熱氧老化機理與紫外老化明顯不同[2]。曹雪娟等研究發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青受熱氧老化后,官能團中生成大量酮、醛類物質(zhì)[3]。楊震等認為紫外老化影響瀝青的膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變[4]。劉香香發(fā)現(xiàn)瀝青老化主要是非飽和鍵上發(fā)生化學取代或氧化反應,且隨老化時間增加,氧化作用越明顯[5]。

本文對高粘度改性瀝青不同紫外老化歷時后進行常規(guī)性能測試,采用紅外光譜研究特征化學官能團變化規(guī)律,分析高粘度改性瀝青的紫外老化機理。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

70#基質(zhì)瀝青、SBS瀝青均來自重慶瀝青拌合站,經(jīng)測試其基本性能滿足規(guī)范要求;直投式高粘改性劑A,自制。

JQ-500型高速剪切混合乳化機;JQ-U型紫外線加速老化試驗箱;瀝青軟化點測定儀;針入度試驗儀;延度試驗儀;Bruker TEN-SOR II FTIR 紅外光譜儀。

1.2 高粘度改性瀝青制備

使用烘箱將瀝青加熱到180 ℃,摻入8%,12%的高粘改性劑A。在電爐加熱過程中,人工攪拌5 min,使瀝青完全浸潤高粘劑A,然后在175～180 ℃溫度范圍內(nèi),使用高速剪切混合乳化機以4 000 r/min 的轉(zhuǎn)速連續(xù)剪切40 min,接著放入180 ℃ 烘箱中發(fā)育40 min。

1.3 紫外冷凝老化

將50 g樣品平鋪在老化盤中,形成2 mm厚度的薄膜,放置于JQ-U型紫外線加速老化試驗箱內(nèi),使用熒光紫外燈照射,光波長340 nm ,暴露溫度60 ℃,凝露溫度50 ℃,老化程序設定為紫外光暴露8 h+凝露4 h為一循環(huán)。瀝青樣品紫外老化歷時條件選擇為8,24,48,64 h四種不同歷時,紫外老化后瀝青樣品狀態(tài)見圖1。

圖1 紫外老化樣品Fig.1 After ultraviolet aging of asphalt

1.4 性能測試

1.4.1 常規(guī)性能 軟化點反映瀝青黏度和高溫穩(wěn)定性及感溫性。瀝青軟化點實驗采用環(huán)球法,將裝有試樣的試樣環(huán)連同試樣底板置于(5±0.5) ℃水的恒溫水槽中至少15 min;同時將金屬支架、鋼球、鋼球定位環(huán)等亦置于相同水槽中。在5 ℃的蒸餾水中加熱,使杯中水溫在3 min內(nèi)調(diào)節(jié)至維持每分鐘上升(5±0.5) ℃,記錄瀝青軟化點實驗結(jié)果。

瀝青針入度實驗測定瀝青針入度反映瀝青軟硬程度和稠度,抵抗剪切破壞的能力。將準備的試樣放置于室溫15～30 ℃的環(huán)境中1.5 h以上,再放入25 ℃的恒溫水槽1.5 h以上,使用針入度實驗儀完成實驗。

瀝青延度用于反映瀝青的塑性變形能力及低溫抗裂性能。按照規(guī)程制備試樣,在室溫冷卻1.5 h后,將試件連同底板移入延度儀15 ℃水槽中,開動延度儀,并注意觀察試樣的延伸情況,記錄實驗結(jié)果。

1.4.2 紅外光譜 將瀝青樣品溶于三氯乙烯溶液,均勻涂抹在溴化鉀薄片上,干燥后進行實驗。將獲得的紅外光譜數(shù)據(jù)使用Origin軟件進行基線矯正,標峰,觀察各樣品官能團吸收峰變化規(guī)律。再使用Omnic軟件轉(zhuǎn)換透過率和吸光度,利用峰面積工具計算各特征吸收峰面積。

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)性能分析

對70#高粘度改性瀝青和SBS高粘度改性瀝青紫外老化前后樣品進行基本性能實驗,各樣品軟化點、針入度、延度分析結(jié)果見圖1～圖3。同時根據(jù)式(1～3),計算各瀝青樣品軟化點增量(SPI)、殘留針入度(RP)和殘余延度比(RD)評價其高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗剪切變形能力、抗老化性,研究基本性能指標與高粘度改性瀝青紫外老化規(guī)律。

SPI=Rup-Vp

(1)

(2)

(3)

其中,SPI是軟化點增量,Rup是紫外老化后的軟化點,Vp是老化前的軟化點;RP是殘留針入度,ΔP1是老化后的針入度,ΔP2是老化前的針入度;RD是殘留延度,ΔD1是老化后延度,ΔD2是老化前的延度。

2.1.1 軟化點 實驗結(jié)果見圖2。

圖2 軟化點實驗Fig.2 Softening point experiment

由圖2可知,紫外老化前,瀝青軟化點隨著高粘改性劑摻量的增加而提高,對比70#改性瀝青和SBS改性瀝青,SBS改性瀝青的軟化點值整體都比70#改性瀝青高;紫外老化后,隨著紫外時間增加,瀝青軟化點提高,且6種瀝青的SPI值均呈上升增加的現(xiàn)象,70#基質(zhì)瀝青和SBS+12%改性瀝青的軟化點增量在同類瀝青中最小。表明摻加高粘改性劑,能夠有效提高瀝青的軟化點,改善瀝青的高溫性能,且隨著摻量增加,效果更明顯。其中SBS改性瀝青的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于70# 改性瀝青。70#改性瀝青SPI值大幅增加,老化程度加劇;SBS+12%改性瀝青的SPI值最小。

2.1.2 針入度 實驗結(jié)果見圖3。

由圖3可知,70#瀝青和SBS瀝青在摻加高粘改性劑改性后,針入度隨著摻量提高而下降。同時在紫外老化中,紫外老化時間越長,針入度下降越明顯。對比70#改性瀝青和SBS改性瀝青的針入度值,SBS改性瀝青針入度更小,抗剪切變形能力更好。6種瀝青的殘留針入度隨著紫外時間的增加,呈下降趨勢。殘留針入度(RP)可表征瀝青的抗老化性能[6],RD值越大,表明抗老化性能越好。SBS瀝青和SBS+12%改性瀝青的RP值在紫外老化64 h 后,殘留針入度仍有89%以上。

2.1.3 延度 實驗結(jié)果見圖4。

由圖4可知, 70#瀝青改性后,隨著摻量提高延度下降,SBS復合改性后,延度變化不大。這是由于在同樣改性工藝下,70#瀝青相較于SBS瀝青高溫性能差,導致發(fā)生部分熱氧老化反應,瀝青延度下降。SBS在紫外老化過程中,70#瀝青的延度均隨著紫外時間增加而下降,SBS瀝青在紫外24 h之前也保持延度下降的趨勢,在紫外48 h后,SBS+8%改性瀝青和SBS+12%改性瀝青的延度提高,隨后又下降,其中SBS+12%改性瀝青的RD最高。表明高粘改性劑提高了瀝青的抗老化性,SBS+12%改性瀝青在紫外老化64 h后延度仍有73%。

2.2 70#高粘度改性瀝青紅外光譜分析

2.2.1 70#高粘度改性瀝青特征峰表征 70#基質(zhì)瀝青、70#+8%改性瀝青、70#+12%改性瀝青紫外老化前后的紅外光譜見圖5。

圖5 70#改性瀝青紫外老化前后紅外官能團Fig.5 Infrared functional groups of 70 # modified asphalt before and after ultraviolet aging

(4)

(5)

(6)

其中,A(xx)表示在xx cm-1的峰面積,A(zz～yy)表示在zz cm-1到y(tǒng)y cm-1之間的峰面積。

分別對70#基質(zhì)瀝青和摻量8%,12%高粘改性劑的改性瀝青特征官能團吸收峰羰基、亞硝基以及烯烴基團使用OMNIC軟件對吸收峰面積進行計算,結(jié)果見圖6。

圖6 70#改性瀝青紫外前后特征官能團系數(shù)Fig.6 Characteristic functional group coefficient of 70 # modified asphalt before and after UV

2.3 SBS高粘度改性瀝青紅外光譜分析

2.3.1 SBS高粘度改性瀝青特征峰表征 分別對不同時長的紫外老化后的SBS瀝青、SBS+8%高粘度改性瀝青、SBS+12%高粘度改性瀝青樣品進行紅外實驗,使用Origin軟件對出現(xiàn)基線傾斜、飄移等情況的光譜進行矯正,標峰處理,見圖7。

圖7 SBS高粘度改性瀝青紫外老化前后紅外官能團Fig.7 Infrared functional groups of SBS modified asphalt before and after UV aging

由圖7可知,與70#基質(zhì)瀝青紅外光譜圖類似,SBS改性瀝青的紅外光譜圖有明顯的9處吸收峰。對比70#基質(zhì)瀝青發(fā)現(xiàn),未添加高粘改性劑的SBS瀝青在966 cm-1處均出現(xiàn)吸收峰,這是由于SBS瀝青本身改性劑的化學官能團中含有聚苯乙烯和聚丁二烯。因為采用的高粘改性劑A本身也屬于一種SBS改性劑,兩者的主要化學官能團相同,高粘改性劑摻量越高,966 cm-1的吸收峰更加顯著。在未紫外老化前,各瀝青在1 700 cm-1和1 024 cm-1都有明顯吸收峰,老化后波峰大小發(fā)生變化;觀察966 cm-1處的吸收峰大小,隨著紫外老化時間增加,波峰趨于平緩。可以分析出SBS改性瀝青在紫外老化前后羰基和亞砜基含量都發(fā)生變化,紫外老化使SBS改性瀝青966 cm-1化學官能團發(fā)生斷裂,官能團含量減少。

2.3.2 SBS高粘度改性瀝青特征峰峰面積分析 將SBS瀝青、SBS+8%高粘度改性瀝青、SBS+12%高粘度改性瀝青紫外老化前后的紅外光譜圖數(shù)據(jù)導入OMNIC軟件進行峰面積計算,通過公式(4)～(6),定量分析各系數(shù)變化,判斷紫外老化對改性瀝青官能團影響,分析結(jié)果見圖8。

圖8 SBS改性瀝青紫外前后特征官能團系數(shù)Fig.8 Characteristic functional group coefficient of SBS modified asphalt before and after UV

由圖8(c)可知,SBS瀝青、SBS+8%改性瀝青和SBS+12%改性瀝青的IPB系數(shù)隨著紫外時間的增加而下降,表明在紫外老化過程中,SBS改性瀝青中的聚丁二烯官能團在紫外照射下發(fā)生分解,含量減小,導致高粘改性劑受損,瀝青老化加劇。

整體來看,SBS+12%改性瀝青生成的羰基和亞砜基等含氧極性官能團最少,在紫外老化過程中,其老化表現(xiàn)是以高粘改性劑的分解為主,瀝青少量基團發(fā)生吸氧反應。

3 結(jié)論

(1)隨著高粘改性劑的加入,兩種高粘度改性瀝青均呈現(xiàn)軟化點增大,針入度減小的趨勢,70#瀝青的延度下降明顯,SBS瀝青延度無明顯變化。

(2)在紫外老化下,瀝青同時會發(fā)生吸氧反應,紅外光譜分析結(jié)果顯示羰基和亞砜基等極性氧化官能團增加,高粘改性劑發(fā)生分解,聚丁二烯和聚苯二烯官能團減少。

(3) SBS高粘度改性瀝青在紫外老化中的氧化極性官能團少于70#高粘度改性瀝青,高粘改性劑摻量越多,生成的羰基和亞砜基越少,會抑制瀝青化學官能團與氧作用發(fā)生反應。

(4)SBS高粘度改性瀝青的整體性能均優(yōu)于70# 高粘度改性瀝青,其中SBS+12%改性瀝青的抗紫外老化能力最好,主要表現(xiàn)為軟化點增量小,殘留針入度大,殘留延度大,羰基和亞砜基等極性官能團少。