紫外老化作用下PPA/SBR改性瀝青膠漿及混合料高低溫性能研究

徐艷玲,朱洪洲,青 亮,殷春鑫

(重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074)

0 引 言

丁苯橡膠(SBR)改性瀝青自從被發現及使用以來一直以較好的低溫性能而著稱,因為其主要特點可以使瀝青混合料具備高彈性和高黏附的性能,在提高強度的同時,大大改善了瀝青的低溫抗裂性,且SBR生產方法簡單,成本較低,被廣泛應用于寒冷地區[1]。但隨著實際路面服役時間的增加,SBR改性瀝青抗老化后性能劣化嚴重的問題逐漸突顯出來,而作為中國西部高寒高海拔地區應用最廣泛的瀝青類型[2],瀝青路面處于常年極端的低溫,巨大的晝夜溫差,紫外輻射量極大的惡劣環境中,SBR瀝青抗紫外老化性能就顯得尤為重要。

為了克服SBR改性瀝青存在的缺陷,諸多學者在SBR瀝青中摻加PPA改性劑,將二者結合協同作用下使PPA/SBR復合改性瀝青具有更優異的路用性能。現有研究成果表明PPA加入到SBR改性瀝青中能很好地改善瀝青的高溫性能、疲勞性能及抗老化性能,同時作為穩定劑來改善與瀝青的相容性[3-4]。如F.ZHANG等[4]通過儲存穩定性試驗、標準老化試驗(TFOT與PAV)、動態力學試驗(DMA)以及光學顯微鏡試驗PPA/SBR復合改性瀝青進行研究發現,PPA的加入明顯提高了丁苯橡膠改性瀝青的熱穩定性和高溫性能,且可以增加改性瀝青的抗熱氧老化性能;M.D.I.DOMINGOS等[5]比較了PPA改性瀝青、SBR改性瀝青、PPA/SBR改性瀝青的彈性恢復和應力效應性能,發現PPA/SBR改性效果最佳,同時指出PPA的加入使SBR改性瀝青存在更多的輕質組分,與不含PPA的瀝青相比,對老化更為敏感。

在高寒高海拔地區,因為紫外光老化導致瀝青的低溫性能大幅衰減,有研究表明紫外線輻射對瀝青低溫抗裂性的影響遠大于熱氧化老化和水老化[6],故SBR改性瀝青主要面臨的是紫外老化問題。而單純利用瀝青的老化性能來評價混合料老化性能是不合適的,因為瀝青膠漿是影響瀝青混合料路用性能的決定性因素[7],所以筆者開展了紫外老化對多聚磷酸復合丁苯橡膠改性瀝青膠漿及瀝青混合料高低溫性能的影響研究,以評價PPA/SBR復合改性瀝青對于高寒高海拔地區的適用性。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 原材料

筆者采用濃度為115%的多聚磷酸(PPA),基質瀝青為中石油克拉瑪依煉廠的90# 道路石油A級瀝青;聚合物改性劑SBR為白色粉末;礦粉由石灰巖磨細而得;集料由石灰巖制成,幾種主要材料的技術指標見表1。由于紫外老化對瀝青混凝土的影響主要在路表面,且考慮在高寒高海拔地區使用,級配設計未充分有效發揮混合料級配對高溫性能的貢獻,級配曲線見圖1。采用馬歇爾試驗方法進行AC-13瀝青混凝土配合比設計,得到90# 基質瀝青混合料最佳油石比為4.6%,SBR改性瀝青最佳油石比為4.8%、PPA/SBR改性瀝青最佳油石比為4.9%。

圖1 礦料合成級配曲線

表1 主要材料的技術指標

1.2 瀝青及瀝青膠漿制備方案

國內外大量研究表明PPA與SBS、SBR復合改性瀝青混合料適宜的PPA質量摻量為0.75%～1.25%[8],筆者通過正交試驗來選取PPA與SBR互配的最佳組合摻量以及制備工藝,確定PPA/SBR改性瀝青的最佳摻配比及制備工藝為:4%SBR +1%PPA,PPA/SBR混剪時間為40 min,混剪溫度170 ℃。

1.2.1 SBR改性瀝青制備

將90# 基質瀝青脫水后加熱至150 ℃左右,分多次加入SBR改性劑,剪切預混:加入4.0%的SBR低速均勻攪拌15 min使其充分溶脹;然后進行剪切,溫度保持165 ℃,剪切機控制速率為4 000～4 500 r/min,剪切時間40 min,用攪拌機攪拌30 min(轉速600～700 r/min),160℃恒育1 h。

1.2.2 PPA/SBR改性瀝青制備

將90# 基質瀝青脫水后加熱至150 ℃左右。分多次加入4.0% SBR改性劑,攪拌15 min使其充分熔脹,然后進行剪切,剪切機速率設置為4 000～4 500 r/min,在165 ℃恒溫條件下剪切30 min,然后加入1%PPA改性劑進行剪切混合,溫度調整并保持170 ℃,將剪切機的速率設置為4 000～4 500 r/min,剪切40 min;然后在160 ℃下用攪拌機攪拌30 min(轉速600～700 r/min)。

1.2.3 瀝青膠漿制備

將通過0.075 mm篩孔的填料放置在150 ℃的烘箱中保溫1 h左右,以確保填料和瀝青混合時溫度相差不大,有利于填料在混合物中分散均勻,同時將攪拌鍋和試樣盤預熱;稱取定量的熔融狀態瀝青,然后加入礦粉,為防止填料顆粒結團并保證填料在瀝青中分散均勻,將填料按規定的比例分次加入瀝青中,用精密磁力攪拌器進行攪拌,溫度控制在160～165 ℃,轉速600～700 r/min,攪拌直至混合物表面不出現氣泡為止。一般瀝青混合料中填料與瀝青的比例在0.6～1.2之間[9],故筆者取瀝青膠漿的粉膠比分別為0.6、0.9和1.2。

1.3 試驗方法

1.3.1 紫外老化試驗

將制備的90# 基質瀝青膠漿、SBR改性瀝青膠漿、PPA/SBR改性瀝青膠漿均勻地鋪在鋼盤(直徑140 mm)上,每個樣品厚度控制在3 mm,制備的部分樣品如圖2。瀝青混合料紫外老化的樣品,則根據混合料的試驗要求制備試樣尺寸,試件周圍利用錫紙進行裹覆,僅對混合料試件表面進行紫外光照射。

圖2 瀝青膠漿紫外老化樣品

瀝青的室內紫外老化試驗設備為一種不透光箱體結構,在箱內頂部中間位置安裝2個500 W/m2光照強度的汞燈。在高寒地區的夏季,由于太陽紫外線異常強烈,再加上瀝青混合料吸熱能力強,因此,路面溫度常比氣溫高30～40 ℃,能達到50～60 ℃。因此試驗過程中保持紫外老化箱內通風且恒定溫度為60 ℃,使用光照強度儀器測得模擬紫外老化箱內的高壓汞燈輻射至樣品表面的輻射強度為75 W/m2,筆者以西藏地區受到的太陽輻射量進行室外輻射強度計算,有研究表明瀝青材料在4個月左右性能變化最為明顯[10],故選擇室外4個月的時間來設計室內紫外輻射時間,根據室內外等量輻射原則,計算得到室內模擬時間為19.125 d,室內模擬時間選為20 d。

1.3.2 性能試驗方法

1)DSR溫度掃描

采用應變控制模式(1.25%),角頻率為10 rad/s,測試溫度為52～76 ℃,每6 ℃測試一個間隔,90# 瀝青膠漿、SBR改性瀝青膠漿、PPA/SBR改性瀝青膠漿分別進行高溫溫度掃描試驗,溫度掃描的板直徑為25 mm,平行板之間的間隙為1 mm。

主要記錄復數模量G*及相位角δ作為黏彈性參數,利用相位角δ以及車轍因子G*/sinδ分析瀝青膠漿紫外老化前后的高溫流變性能的變化規律。

2)彎曲梁流變儀試驗(BBR)

利用Superpave公司開發的彎曲梁流變儀(BBR)對瀝青結合料低溫條件下的剛度變化進行研究,根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》,梁狀試樣承受980 mN±50 mN的荷載,在-12、-18 ℃下分別對瀝青膠漿進行BBR試驗,利用60 s時的勁度S和m值評價不同瀝青膠漿紫外老化前后低溫性能的變化規律。

3)高溫車轍試驗

按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T0719規定的方法進行車轍試驗,并得到動穩定度指標DS,以比較不同瀝青混合料的抗車轍能力,車轍試驗溫度為60 ℃。

4)小梁彎曲試驗

按照JTG E20—2011規程中T0715進行瀝青混合料的彎曲試驗,試驗采用由車轍試件切割而成的長250 m±2 m,寬30 m±2 m、高25 m±2 m的瀝青混合料小梁試件,試驗加載速率5 mm/min,試驗溫度為-10 ℃±0.5 ℃。

2 試驗結果與分析

2.1 溫度掃描試驗結果分析

2.1.1 相位角

相位角主要反映瀝青黏合劑的黏彈性。相位角越小,彈性部分越高,瀝青高溫性能也就越有利。圖3給出了不同粉膠比(粉膠比0.6、粉膠比0.9、粉膠比1.2)的瀝青膠漿紫外老化前后的相位角與溫度的關系。從圖3中可以看出隨著礦粉的摻入,瀝青膠漿的相位角隨之減小,但不同粉膠比的相位角變化均較小,說明粉膠比0.6～1.2之間礦粉摻量的變化對瀝青膠漿的相位角影響不大。瀝青膠漿的紫外老化前的相位角明顯小于瀝青老化后的相位角,如當溫度為64 ℃時,老化前粉膠比為0.9的90# 基質瀝青膠漿、SBR改性瀝青膠漿以及PPA/SBR改性瀝青膠漿的相位角分別為82.74°、81.77°及75.72°,而老化后的相位角分別為77.92°、71.17°、73.14°,相位角分別減小了5.83%、5.63%及3.41%。從分析可以看出SBR改性劑增強了90# 基質瀝青的彈性,PPA增強了SBR改性瀝青的彈性,并且PPA明顯降低了SBR瀝青相位角對紫外光老化的敏感性,延緩瀝青變硬,PPA/SBR改性瀝青膠漿的相位角光敏感性最低。

圖3 瀝青膠漿相位角

2.1.2 車轍因子

車轍因子是評價瀝青結合料抗車轍性能的指標;車轍因子越高,抗車轍性能越好。從圖4可以看出,隨著礦粉摻量的增大,瀝青的車轍因子隨之增大,當試驗溫度高于70 ℃時,各膠漿的車轍因子降低趨勢放緩。粉膠比0.6～0.9范圍內,PPA/SBR無論是老化前后,均具有最大的車轍因子,說明PPA的摻入明顯增強了SBR改性瀝青的高溫抗變形能力。并且PPA/SBR改性瀝青膠漿在紫外老化過程中車轍因子變化最小,當粉膠比達到0.9～1.2時,SBR改性瀝青膠漿老化后的車轍因子與PPA/SBR改性瀝青膠漿車轍因子值非常接近。僅從車轍因子看,二者紫外老化后具有相同的抵抗高溫變形能力,但是從紫外老化對瀝青膠漿的影響分析,紫外老化對SBR改性瀝青膠漿的影響遠大于PPA/SBR改性瀝青膠漿。

圖4 瀝青膠漿高溫車轍因子

為了進一步量化紫外老化對瀝青膠漿高溫流變性的影響,選擇64 ℃車轍老化因子ASTA來評價瀝青膠漿抗紫外老化的性能[11],具體計算見式(1),計算結果見表3。

(1)

從表2中可以看出:PPA/SBR改性瀝青車轍因子老化指數最小,說明PPA/SBR改性瀝青的高溫性能在紫外老化作用下比較穩定,并且在粉膠比為0.9時,其抗紫外老化性能最佳。其次是90# 基質瀝青膠漿及SBR改性瀝青膠漿的在粉膠比為0.6時車轍因子紫外光敏感性最小。同時也表明在合理的礦粉摻量下,礦粉有利于提高瀝青的高溫抗變形能力,提高了瀝青膠漿的抗車轍性能。但隨著礦粉增量的增大,瀝青膠漿的抗紫外老化性能有下降趨勢。

表2 車轍因子老化指數

2.2 BBR試驗結果分析

圖5、圖6分別給出了紫外老化前后90# 瀝青膠漿、SBR改性瀝青膠漿、PPA/SBR改性瀝青膠漿的蠕變勁度S(60)。隨著礦粉的加入,瀝青膠漿的蠕變勁度逐漸增大,但PPA/SBR膠漿的蠕變勁度增量最小。-12 ℃下各瀝青的蠕變勁度增量相對于-18 ℃而言,隨著溫度降低,各瀝青膠漿的蠕變勁度增長率增大。90# 基質瀝青膠漿蠕變勁度增長率增幅最為明顯,PPA/SBR改性瀝青增長率增幅最小,說明PPA/SBR改性瀝青膠漿的低溫敏感性最低,低溫柔韌性最佳。

圖5 -12 ℃時瀝青膠漿紫外老化前S(60)值

圖6 -18 ℃時瀝青膠漿紫外老化前后S(60)值

圖7、圖8從蠕變速率可以看出,瀝青膠漿的m值的大小為:PPA/SBR改性瀝青膠漿>SBR改性瀝青膠漿>90# 基質瀝青膠漿。且粉膠比0.6～0.9之間的各瀝青膠漿的m值隨著粉膠比增大逐漸減小,但瀝青膠漿變動幅度均較小,說明礦粉的摻量對瀝青膠漿的松弛能力影響較小。紫外老化后,PPA/SBR改性瀝青膠漿老化前后變化幅度最小,說明PPA的摻入顯著降低了SBR改性瀝青低溫性能對于紫外光的敏感性。

圖7 -12 ℃時瀝青膠漿老化前后m值

圖8 -18 ℃時不同粉膠比的瀝青膠漿老化前后m值

從上述分析可以看出紫外老化后瀝青膠漿的S(60)出現不同程度的增大,m值減小,筆者采用低溫性能試驗蠕變勁度S以及蠕變速率m值的老化指數SAI、mAI為紫外老化對瀝青膠漿低溫性能影響的判定指標,具體計算式(2)、式(3)[12],計算結果見圖9、圖10。

圖9 瀝青膠漿老化指數SAI

圖10 瀝青膠漿老化指數mAI

(2)

(3)

從圖9、圖10可以看出,相對于蠕變勁度老化指數SAI,蠕變速率老化指數mAI相對較小,說明蠕變速率對于紫外老化的敏感性較蠕變勁度而言敏感性低,但蠕變勁度老化指數與蠕變速率老化指數的變化規律一致,不同粉膠比狀態下的PPA/SBR改性瀝青膠漿S(60)最小,m值最大,老化指數最小,表明PPA/SBR改性瀝青具有良好的低溫抗裂性及抗紫外老化性,且隨著礦粉的增加,瀝青膠漿對紫外老化越敏感。

2.3 瀝青混合料高溫性能

利用動穩定度老化指數作為紫外老化對混合料高溫性能影響程度的判定指標,具體計算見式(4),試驗結果分析見表3。

表3 AC-13 瀝青混合料60 ℃車轍試驗試驗結果

(4)

從高溫車轍試驗結果可以發現,紫外老化前,各瀝青混合料的動穩定度:PPA/SBR改性瀝青混合料>SBR改性瀝青混合料>90# 基質瀝青混合料,PPA與SBR復合改性瀝青混合料表現出了更優異的抵抗永久變形的能力,表明摻加PPA顯著改善了SBR改性瀝青混合料高溫穩定性。分析可以看出90# 基質瀝青與SBR改性瀝青紫外老化后的高溫抗車轍性能明顯降低,說明瀝青混合料表層瀝青薄膜已經嚴重退化和失效,紫外老化已較為嚴重。PPA/SBR改性瀝青的高溫抗車轍性能提高,說明在同樣的紫外老化條件下,PPA的摻入可能導致SBR改性瀝青的分子結構發生了變化,增加了光敏活性較低的成分,阻礙了瀝青聚合物的分解,從而使得在同等紫外老化條件PPA/SBR改性瀝青的黏結性能依舊良好。同時瀝青混合料的試驗結果發現老化前后的動穩定度與瀝青膠漿的車轍因子之間的規律并不一致,如90# 基質瀝青膠漿和SBR改性瀝青膠漿的抗車轍因子老化后出現了較大提高,粉膠比為1.2的SBR改性瀝青膠漿和PPA/SBR改性瀝青膠漿的車轍因子幾乎接近,但混合料的高溫車轍試驗結果發現SBR改性瀝青的高溫性能遠不如PPA/SBR改性瀝青混合料,說明紫外老化后的瀝青高溫參數與瀝青混合料的高溫抗車轍性能的相關性有待進一步的研究與探討。

2.4 瀝青混合料低溫性能

利用彎曲勁度模量老化指數SBAI作為紫外老化對瀝青混合料低溫性能影響的判定指標,值越小說明瀝青混合料抗紫外老化效果越好。具體計算如式(5),試驗結果見圖11～圖13。

圖11 紫外老化前后抗彎拉強度

圖12 紫外老化前后最大彎拉應變

(5)

從圖11～圖13分析發現,PPA/SBR復合改性瀝青混合料的抗彎拉強度RB比90# 基質瀝青混合料提高了30.6%,比SBR改性瀝青混合料提高了20.9%,最大彎拉應變εB較90# 基質瀝青混合料及SBR改性瀝青混合料分別提高了121.1%,35.5%,同時PPA/SBR復合改性瀝青的彎曲勁度模量相對于SBR改性瀝青混合料及基質瀝青混合料分別降低40.9%,10.7%,從試驗結果分析表明PPA的摻入顯著提高了SBR改性瀝青混合料的低溫抗裂性能。

PPA/SBR改性瀝青混合料、SBR瀝青混合料、90# 基質瀝青混合料的低溫性能紫外老化指數SBAI分別為3.32,10.23,35.10,說明PPA/SBR復合改性瀝青混合料在紫外老化試驗20 d后(約為室外4個月),其低溫性能影響較小,明顯優于SBR改性瀝青混合料的抗紫外老化效果。

3 結 論

1)高溫溫度掃描試驗結果表明,紫外老化后各種瀝青膠漿的高溫性能均得到提高,通過車轍因子老化指數ASTA定量分析出PPA的摻入降低了SBR改性瀝青膠漿的高溫流變參數對紫外光的敏感性。同時粉膠比0.6～1.2范圍內顯示,隨著礦粉摻量的增大,瀝青膠漿的抗紫外老化性能有下降趨勢。

2)從BBR低溫彎曲蠕變試驗的S(60)以及m值老化前后的變化規律可以看出,紫外老化會裂化瀝青膠漿的低溫性能,通過低溫老化指數SAI及mAI的定量分析發現PPA大大降低了SBR改性瀝青膠漿的紫外老化敏感性。在粉膠比為0.6～1.2范圍內,隨著礦粉摻量的增加,瀝青膠漿的抗紫外老化性能隨之降低。

3)從瀝青混合料車轍試驗、彎曲蠕變試驗結果分析出PPA的摻入有利于提高SBR改性瀝青混合料紫外老化前后的高溫抗車轍性、低溫抗裂性,高溫老化指數DAI、低溫開裂老化指數SBAI也定量反應出PPA/SBR改性瀝青混合料具有最佳的抗紫外老化性能。

4)總體分析可以看出,PPA的摻入有效提高了紫外老化前后SBR改性瀝青膠漿及混合料的高低溫性能,非常適用于高寒高海拔地區。石灰石礦粉在粉膠比為0.6～1.2的范圍對瀝青膠漿的抗紫外老化性能有不利影響,且紫外老化前后瀝青膠漿的低溫流變參數與混合料的低溫抗裂性能具有良好地相關性,瀝青膠漿的低溫流變參數能有效表征瀝青混合料的低溫抗裂性。而紫外老化后瀝青膠漿的高溫流變參數與混合料的高溫抗車轍性能相關性需要進一步的研究探討。