多聚磷酸/液體丁苯橡膠復合改性瀝青流變性能研究

樊 崢

(廣西交通投資集團南寧高速公路運營有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

瀝青路面作為高等級道路的主要路面結構形式,具有噪音小、平整度高、抗滑性能良好、施工便捷等特點。由于交通需求的日益增長和環境溫度的頻繁變化,普通瀝青路面已無法滿足目前交通運輸的使用需求,因此研究人員通過改性瀝青技術,使用天然硬質瀝青、廢舊橡膠、聚合物等改性劑提高普通瀝青的技術指標,以提高瀝青路面的使用壽命[1]。

多聚磷酸(Polyphosphoric Acid,以下簡稱PPA)是一種由磷酸通過分子間脫水交聯而生成的無機酸——常溫下為無色透明的粘稠狀液體,僅需簡單機械攪拌即可均勻分散在瀝青中,并提高瀝青的各項技術性能[2]。PPA與常見的SBS、橡膠粉等聚合物改性劑相比,具有成本低、與瀝青相容性較好等特點,有良好的應用前景和推廣價值[3]。隨著對PPA改性劑相關研究和工程應用的開展,研究人員發現PPA可能會降低瀝青的低溫性能,且單一PPA改性瀝青的高溫性能往往低于聚合物改性瀝青,限制了其在實際工程中的大規模應用[4]。液體丁苯橡膠(Liquid Styrene-Butadiene Rubber,以下簡稱LSBR)是一種由碎屑橡膠在無氧和高溫環境下通過熱解得到的液態橡膠,研究人員發現其與瀝青相容性優于丁苯橡膠顆粒,并能明顯提高基質瀝青低溫性能,具有良好的應用潛力。若將PPA與LSBR進行協同改性,將可能同時發揮兩種改性劑的優勢,克服單一改性劑對瀝青性能的負面影響,有利于PPA和LSBR在實際工程中的推廣使用。因此,本文采用PPA/LSBR復合改性劑對基質瀝青進行改性,通過動態剪切流變試驗、彎曲梁流變試驗與旋轉薄膜老化試驗,研究PPA/LSBR復合改性瀝青流變性能與溫度敏感性能,以期對PPA與LSBR的實際應用提供借鑒。

1 原材料

1.1 基質瀝青

本文基質瀝青采用殼牌70#瀝青,其技術指標如表1所示。

表1 殼牌70#瀝青技術指標表

1.2 多聚磷酸與液體丁苯橡膠

本文采用勝浩塑膠原料有限公司生產的LSBR,以及云南天耀化工有限公司生產的118%型PPA。其技術指標如表2所示。

表2 118%型PPA主要技術指標表

2 多聚磷酸/液體丁苯橡膠復合改性瀝青的制備

將殼牌70#瀝青加熱呈熔融狀態后,加入預先稱量好質量的PPA,然后采用高速剪切乳化機進行攪拌剪切(剪切溫度為150 ℃,轉速為2 000 r/min,剪切45 min),然后摻入預定比例的LSBR,在170 ℃的溫度下以3 500 r/min繼續剪切60 min,剪切完成后將其放入150 ℃的恒溫烘箱內發育溶脹60 min,即制備得到不同復配摻量的PPA/LSBR復合改性瀝青[5]。

3 多聚磷酸/液體丁苯橡膠復合改性瀝青流變性能

3.1 高溫流變性能

為研究PPA/LSBR對瀝青高溫流變性能的影響,本文采用動態剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer,以下簡稱DSR)對不同PPA/LSBR復配摻量的樣品高溫流變性能進行分析。DSR試驗參數為:采用應變控制水平為12%的應變控制模式,加載頻率為10 rad·s-1,單點測試溫度分別為64 ℃、70 ℃、76 ℃、82 ℃。試驗結果如表3與圖1、圖2所示。

表3 PPA/LSBR復合改性瀝青溫度掃描結果表

圖1 PPA/LSBR復合改性瀝青相位角與車轍因子曲線圖

圖2 老化后PPA/LSBR復合改性瀝青相位角與車轍因子曲線圖

由表3和圖1～2可知:

(1)基質瀝青中摻入2%的LSBR后,同一試驗溫度條件下的改性瀝青相位角明顯提高,繼續摻入PPA后,改性瀝青的相位角發生明顯降低,且PPA摻量越大,相位角下降幅度越大。結果表明,LSBR改性劑使瀝青的彈性特征減弱、黏性特征增強,對瀝青抵抗剪切性能產生負面影響,而PPA改性劑能改善LSBR改性瀝青的粘彈性特征,顯著提高瀝青高溫條件下的彈性特征。

(2)LSBR改性瀝青與基質瀝青相比,同一試驗溫度下的G*/sinδ降低約4.9%～7.7%,繼續摻入0.5%～1.5%的PPA進行復合改性后,復合改性瀝青比LSBR改性瀝青的G*/sinδ提高約66.9%～306.1%。結果表明單一LSBR改性劑對瀝青的高溫抗車轍性能存在一定程度的負面影響,摻入PPA后能顯著提高LSBR改性瀝青的抗車轍性能。這是由于PPA與瀝青中的輕組分交聯形成共價交聯物質,并催化烷基芳烴環化生成較硬的萘芳烴。此外,PPA與瀝青組分的酸堿中和反應、酯化反應形成的含磷化合物使得瀝青硬度提升,宏觀表現為復合改性瀝青的彈性特征增強、抗車轍性能提高,從而改善瀝青的高溫流變性能。

(3)經RTFOT短期老化后,基質瀝青的G*/sinδ變化幅度為44.6%～53.7%,2%LSBR單一改性瀝青變化幅度為43.8%～52.9%,PPA/LSBR復合改性瀝青變化幅度為20.5%～45.8%,表明PPA能在一定程度上改善瀝青老化前后的性能變化幅度。這是由于PPA能夠延緩瀝青老化過程中羰基等官能團的生成速度,從而提高瀝青的抗老化性能,延長瀝青使用壽命。

3.2 低溫流變性能

本文采用低溫彎曲梁流變儀(Beam Bending Rheometer,以下簡稱BBR)對PPA/LSBR復合改性瀝青的低溫性能進行研究。將瀝青樣品制備成小梁試件后,測試各組瀝青樣品的蠕變速率m和蠕變勁度S,結果如表4和圖3所示。

表4 PPA/LSBR復合改性瀝青BBR試驗結果表

圖3 PPA/LSBR復合改性瀝青蠕變速率和蠕變勁度曲線圖

由表4和圖3可知:

(1)摻入單一PPA改性劑后,基質瀝青同等溫度條件下的蠕變速率明顯下降,且PPA摻量越大蠕變速率越低,繼續摻入LSBR改性劑后,復合改性瀝青蠕變速率出現明顯提高。蠕變速率指標主要表征瀝青的應力松弛性能,其值越大則瀝青低溫條件下響應收縮形變速率越快、結構內部積累溫度應力可能性越低,瀝青低溫抗裂性能越好。結果表明PPA改性及對瀝青的低溫應力松弛能力存在負面影響,而摻入LSBR能顯著改善單一PPA改性瀝青的低溫抗裂性能,平衡PPA對瀝青低溫流變性能的負面影響。

(2)同一溫度條件下,單一PPA改性瀝青、PPA/LSBR復合改性瀝青中的PPA摻量越大,則瀝青的蠕變勁度越大,在摻入LSBR后,瀝青的蠕變勁度則出現明顯下降。蠕變勁度模量反映了瀝青小梁試件抵抗荷載性能,其值越小瀝青在低溫下的變形柔韌能力越強,反之蠕變勁度模量越大則瀝青越硬脆。結果表明PPA改性劑對瀝青的低溫性能存在負面影響,摻入LSBR與PPA進行復合改性后,能有效減小PPA改性劑對瀝青低溫柔韌變形能力的影響,提高復合改性瀝青的低溫流變性能。這是由于LSBR與SBR結構相似,同時裂紋尖端處的可塑性變形有利于增強瀝青的低溫抗開裂性能。

3.3 PG分級

本文依據SHRP中瀝青PG分級的相關標準,基于表3、表4中的DSR與BBR測試結果,將PPA/LSBR復合改性瀝青的PG等級匯總如下頁表5所示。

表5 PPA/LSBR復合改性瀝青PG分級匯總表

由表5可知,單一PPA改性劑對瀝青PG低溫等級存在負面影響,單一LSBR改性劑對瀝青PG高溫等級存在負面影響,但將PPA與LSBR對瀝青進行復合改性時,能充分發揮兩種改性劑的優點,改善單一改性劑對瀝青性能的負面影響,提高復合改性瀝青的PG等級,增強瀝青在環境溫度和行車荷載作用下抵抗變形開裂的性能。

4 PPA/LSBR復合改性瀝青溫度敏感性

為分析PPA/LSBR復合改性瀝青溫度敏感性,采用復數模量指數絕對值|GTS|作為溫度敏感性評價指標。|GTS|通過將復數模量G*的雙對數和測試溫度T的對數進行擬合回歸得到,計算公式如式(1)所示。根據DSR測試結果和式(1),分別計算|GTS|,結果如表6所示。

lg[lg(G*)]=GTS×lg(T)+C

(1)

式中:G*——復數剪切模量(Pa);

T——試驗溫度(K);

C——回歸擬合中常數項;

GTS——復數模量指數。

表6 PPA/LSBR復合改性瀝青GTS計算結果表

由表6可知,PPA單一改性瀝青、PPA/LSBR復合改性瀝青的|GTS|值均小于基質瀝青,且PPA摻量越大,|GTS|值越小,而LSBR單一改性瀝青的|GTS|值大于基質瀝青。復數模量指數絕對值|GTS|反映了瀝青在溫度上升時抵抗剪切變形性能的變化幅度。結果表明,PPA改性劑能夠抑制高溫環境對瀝青材料力學性能的負面影響,與LSBR復配時能夠協同提高基質瀝青的溫度敏感性能,減少LSBR單一改性劑的負面影響,使瀝青在高溫條件下能夠保持較好的抗剪切性能以抵抗行車荷載的作用。

5 結語

本文基于瀝青高溫、低溫流變性能試驗,研究了PPA/LSBR復合改性劑對于基質瀝青的粘彈性特征、抵抗車轍變形性能、低溫應力松弛性能、低溫柔韌變形性能等流變性能的影響,得出以下結論:

(1)PPA改性劑能改善LSBR單一改性瀝青的粘彈性特征、抗車轍因子,顯著提高復合改性瀝青高溫條件下的彈性特征、抗車轍性能,且PPA摻量越大改性效果越好,從而提高瀝青抗熱氧老化性能,延長瀝青使用壽命。

(2)LSBR改性劑能顯著提高PPA單一改性瀝青的低溫應力松弛和柔韌變形性能,明顯提高復合改性瀝青的低溫抗裂性能。

(3)PPA改性劑能夠抑制高溫環境對瀝青材料力學性能的負面影響,與LSBR復配時能夠協同提高基質瀝青的溫度敏感性能,減小LSBR單一改性劑的負面影響,使瀝青在高溫條件下能夠保持較好的抗剪切性能以抵抗行車荷載的作用。

(4)PPA與LSBR對瀝青進行復合改性時,能充分發揮兩種改性劑的優點,改善單一改性劑對瀝青性能的負面影響,提高復合改性瀝青的PG等級,增強瀝青在環境溫度和行車荷載作用下抵抗變形開裂的性能。當摻入1.5%PPA與2%LSBR時,可將基質瀝青的PG等級由PG64-18提高至PG76-18。