不同聚合物彈性體改性乳化瀝青的流變性能*

張樹文,范金成,樊 亮,張 銳,周海防,韓 凌,李永振**

(1.山東高速建材集團有限公司,山東 濟南 250098;2.山東省交通科學研究院,山東 濟南 250102;3.山東省高速養護集團有限公司,山東 濟南 250001;4.山東高速物資集團有限公司,山東 濟南 250098)

乳化瀝青的常溫施工、節約資源、減少排放的特點決定了其良好的經濟、社會和環境效益,其使用也成為了道路建設和養護中的重要手段之一。近幾年來,以改性乳化瀝青和特種乳化瀝青為革新,以精細化、專業化施工設備為手段,實現了乳化瀝青在道路建設、養護中的新用途,如復合碎石封層、高滲透乳化瀝青透層、冷再生技術、冷拌瀝青混合料、超薄罩面等。其中,封層用乳化瀝青的創新隨著養護和預防性養護的需要而蓬勃發展[1-7]。

傳統意義上,封層是在道路面層上依次灑布乳化瀝青和單一粒徑的集料,形成單層或多層的碎石薄層結構;既能封閉瀝青面層表面空隙,也能防止水分侵入面層或基層,分為上封層和下封層;可用于加鋪磨耗層、應力吸收層、防水黏結層等。但是,普通乳化瀝青一般由于固含量低、黏結能力弱,不能滿足較高的路用養護要求。在此背景下,一些聚合物彈性體被用于瀝青改性,常見的有丁苯橡膠(SBR,又稱聚苯乙烯-丁二烯共聚物)、熱塑性彈性體(SBS,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物)等?；诰酆衔飶椥泽w的改性型乳化瀝青和相應的養護技術相對傳統的普通乳化瀝青更具有優勢,如微表處[8-15]用的SBR改性乳化瀝青(SBR乳化瀝青)、超表處[16-18]封層用的特征乳化高黏瀝青(EHV乳化瀝青)和封層用高聚合物再生型乳化瀝青(PMRE乳化瀝青)[19]等。這些材料通常具有高固含量的特點,但在材料組成上有較大的差異,因此工作性不同、殘留物性質和路用性能也迥異。

本文以三種乳化瀝青為研究對象,著重利用動態剪切流變儀表征乳化瀝青的流體特性、工作特性和殘留物性質;針對SBR微表處、EHV超表處、PMRE碎石封層等預防性養護技術特點,對比分析三類乳化瀝青膠結料的性質差異,總結對應養護技術的適用性。

1 實驗部分

1.1 原料

SBR乳化瀝青:拌和型乳化瀝青,山東高速建材集團有限公司,由聚苯乙烯-丁二烯共聚物膠乳、基質瀝青與乳化劑水溶液經膠體磨制備而成;PMRE乳化瀝青:高聚合物再生型乳化瀝青,山東高速建材集團有限公司,采用某高分子聚合物彈性體膠乳和多種再生劑對瀝青復合改性后與乳化劑水溶液經膠體磨制備而成;EHV乳化瀝青:乳化高黏瀝青,山東大山路橋工程有限公司,由苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物彈性體將基質瀝青改性成高黏瀝青后和乳化劑水溶液經膠體磨制備而成。三種改性乳化瀝青的技術指標如表1所示。

表1 瀝青的技術指標

1.2 儀器及設備

動態剪切流變儀:AR2000ex型,美國TA公司。

1.3 分析測試

流變實驗的目的在于模擬一定的溫度和加載環境,獲取乳化瀝青流體性質以表征材料的穩定性、涂敷能力和工作性;獲取乳化瀝青殘留物的黏彈參數以表征材料的高溫、低溫和疲勞性能等。實驗分為乳化瀝青流體性質的流變實驗和蒸發殘留物的流變實驗。

1.3.1 流體性質流變實驗

(1)流體法向力實驗

實驗采用Peakhold流體實驗模式,使用25 mm平板,間隙距離1 mm,溫度為35 ℃,剪切頻率為6.81 /s(相當于旋轉黏度計20 r/min),獲取1 h內法向應力變化數據。

(2)時間掃描實驗

采用小應變、低頻震蕩條件模擬乳化瀝青的時間依賴的穩定性。使用25 mm平板,間隙1 mm;應變為5%,頻率為0.5 rad/s,溫度為50 ℃。獲取模量(G*)和相位角參數。

(3)溫度掃描實驗

用來模擬乳化瀝青流體性質與溫度的關系,考察升溫過程中的破乳過程。使用25 mm平板,間隙為1 mm、應變為5%、頻率為10 rad/s、溫度范圍為25～60 ℃;溫度步長為1 ℃。獲取G*和相位角參數。

1.3.2 蒸發殘留物流變實驗

乳化瀝青蒸發殘留物實驗按照JTG E20-2011(T 0651)[20]進行測試,獲取殘留物后,進行殘留物的流變實驗。

(1)溫度掃描實驗

用來評價乳化瀝青殘留物的溫度敏感性。采用25 mm平板,間隙為1 mm、應變為5%、頻率為10 rad/s、溫度范圍為34～82 ℃、溫度步長為2 ℃。

(2)頻率掃描實驗

用來評價乳化瀝青殘留物的高溫性能。采用25 mm平板,間隙為1 mm、應變為5%、頻率為0.01～25 Hz、溫度范圍為58～76 ℃、溫度步長為3 ℃。

(3)疲勞實驗

用來評價乳化瀝青殘留物的耐疲勞性能。采用8 mm平板,間隙為2 mm、應變為10%、頻率為10 rad/s、溫度為25 ℃,當測試樣品的復數剪切模量降至初始值的50%時,認為發生疲勞損壞,此時對應的荷載作用次數作為樣品疲勞壽命。

2 結果與討論

2.1 流體實驗

2.1.1 法向力與涂敷能力

當材料受到剪切作用時,由于自身彈性作用而在垂直剪切方向上產生法向應力。在涂敷材料的性能表征和區分中,更希望利用低法向力的產品;材料黏度一樣時,法向力低者更能帶來好的涂敷效果。這個認識在乳化瀝青應用中也具有參考意義。

圖1為三種乳化瀝青的法向力和時間的關系圖,可以看到:在35 ℃條件下,隨著時間的延長,三者法向力發生了較大的變化,PMRE、EHV乳化瀝青的法向力具有明顯的衰減特征,而SBR乳化瀝青的法向力則遠高于前兩者、且隨著時間呈現增長趨勢。這在一定程度上說明了不同乳化瀝青對預防性養護技術的適用性。

時間/s圖1 乳化瀝青的法向應力變化

一般的,在封層技術使用時應需要較高的黏度和較低的法向力,PMRE、EHV乳化瀝青具有這樣的低法向力特征,標準黏度分別達到46 s、18 s,黏度顯著大于SBR乳化瀝青,能夠提供更好的黏結力;法向力低于13 000 Pa,則能相對更好的提供涂敷能力,這適合于灑布車的灑布工藝。而SBR乳化瀝青的法向力較高,更適合于微表處用的拌合類工藝。

2.1.2 時間掃描與存儲穩定性

對乳化瀝青進行時間掃描主要考察乳化瀝青的儲存穩定性。圖2為乳化瀝青|G*|與時間的變化關系,其中EHV乳化瀝青的|G*|最高、PMRE乳化瀝青次之、SBR乳化瀝青最低,這與乳化瀝青的流體黏度有很大的關系。但是隨著時間變化,即使在震蕩實驗條件下,僅有PMRE乳化瀝青的|G*|保持穩定,說明該乳化瀝青的儲存穩定性最好,其他兩種乳化瀝青稍遜。

t/s圖2 |G*|與時間的關系

圖3為乳化瀝青相位角隨著時間的變化關系。三種乳化瀝青的相位角均在50°以下,都具有較大的彈性分量,這與聚合物的參與有著極大的關系。由于PMRE乳化瀝青中的聚合物與SBR乳化瀝青(聚合物為SBR膠乳)、EHV乳化瀝青(聚合物為SBS)的聚合物體系不同;雖然質量含量為66%(小于EHV,大于SBR),但能夠帶來更小的相位角(小于35°)、體現出更大的彈性特征。這是PMRE乳化瀝青的彈性優勢,為封層應用提供良好的初期韌性。

t/s圖3 相位角與時間的關系

2.1.3 溫度掃描與破乳行為

圖4為瀝青原樣的復數剪切模量與溫度的關系圖。

溫度/℃圖4 瀝青原樣的復數剪切模量與溫度的關系

由圖4可知,隨著溫度增加,SBR改性乳化瀝青的復數模量逐漸增加,EHV乳化瀝青和PMRE的復數剪切模量先增加,在35 ℃時達到最大值,然后逐漸減小。EHV乳化瀝青和PMRE在35 ℃時已完全破乳,模量達到最大值,溫度增加,瀝青逐漸變軟,模量逐漸下降,而SBR改性乳化瀝青隨著溫度增加逐漸破乳,模量呈現逐漸增加的趨勢。同時三種瀝青的曲線變化率為EHV乳化瀝青>PMRE>SBR改性乳化瀝青,進一步說明了三種瀝青中EHV乳化瀝青的破乳速度最快,PMRE其次,SBR改性乳化瀝青最慢。這也契合三種乳化瀝青的破乳速度特征,即EHV乳化瀝青為快裂型、PMRE乳化瀝青為中裂型、SBR改性乳化瀝青為慢裂型。

綜上可以看出,PMRE乳化瀝青具有適中的破乳速度、穩定的儲存穩定性、較高的黏度和較低的法向力,工作性好,適合在封層技術中應用,其特殊的聚合物體系可以帶來封層初期良好的彈性行為。而SBR乳化瀝青的法向力很高,相對于PMRE、EHV乳化瀝青更適合拌合型微表處技術。

2.2 蒸發殘留物流變實驗

乳化瀝青蒸發殘留物是實際上的黏結劑,其性質決定了混合料或封層的路用性能。本文獲取了三種瀝青的蒸發殘留物,進行了流變實驗以表征其路用性能的差異。

2.2.1 溫度掃描特征

圖5為瀝青蒸發殘留物的復數剪切模量與溫度的關系圖。由圖5可知,隨著溫度增加,瀝青的模量逐漸減小,整體上三種瀝青在相同溫度下的蒸發殘留物|G*|為EHV乳化瀝青最大,SBR改性乳化瀝青其次,PMRE最小。

溫度/℃圖5 瀝青蒸發殘留物的G*與溫度的關系

圖6為瀝青蒸發殘留物的車轍因子與溫度的關系圖。

溫度/℃圖6 瀝青蒸發殘留物的車轍因子與溫度的關系

在相同的溫度下,三種瀝青的車轍因子為EHV乳化瀝青最大,SBR改性乳化瀝青其次,PMRE最小。車轍因子反映瀝青的高溫抗車轍能力,EHV乳化瀝青的高溫性能最好,PMRE的高溫性能和SBR改性瀝青相當。

圖7為瀝青蒸發殘留物的相位角與溫度的關系圖。在排除掉水分的影響后,三種殘留物的相位角呈現和流體組成不同的特征。在較低的溫度時,瀝青材料的相位角越大,瀝青中黏性成分越多,彈性成分越少,流動性越好,可以有效松馳材料低溫收縮引起的拉應力,從而減少低溫開裂。由相位角可知,三種瀝青的低溫性能為SBR改性乳化瀝青最好,PMRE其次,EHV乳化瀝青最差。

溫度/℃圖7 瀝青蒸發殘留物的相位角與溫度的關系

綜合復數剪切模量、相位角和車轍因子的實驗結果看,PMRE的高低溫性能比較均衡,而EHV乳化瀝青的高溫性能比較突出,SBR改性乳化瀝青的低溫性能較好。

2.2.2 頻率掃描特征

對三種殘留物進行不同溫度下的頻率掃描實驗,利用時溫等效原理,將不同溫度下的復數剪切模量曲線沿著時間軸平移而疊合一起[21-22],構成參考溫度58 ℃下的復數剪切模量主曲線。圖8為瀝青蒸發殘留物的復數剪切模量主曲線。

角頻率/(rad·s-1)圖8 瀝青蒸發殘留物的復數剪切模量主曲線

由圖8可以看出,三種瀝青蒸發殘留物的模量均隨著剪切頻率的增加而提高,在高頻率條件下,復數剪切模量值表現為EHV乳化最大,瀝青SBR改性乳化瀝青其次,PMRE最小;在高溫條件下,復數剪切模量值越大,瀝青材料的彈性越好,高溫性能越好,這與溫度掃描實驗得到的車轍因子結果相一致,即EHV乳化瀝青高溫性能最好,SBR改性乳化瀝青其次,PMRE最差。

2.2.3 殘留物疲勞實驗

目前對瀝青的疲勞研究通常采用的實驗方法為時間掃描實驗,對實驗結果處理的方式主要有兩種,一種是采用復數剪切模量下降至初始值的50%時所對應的荷載作用次數定義為瀝青的疲勞壽命,另一種采用累積耗散能下降至初始值得50%時所對應的荷載作用次數定義為瀝青的疲勞壽命[23-25],本文采用第一種方式評價三種瀝青蒸發殘留物的疲勞性能。

圖9為瀝青蒸發殘留物復數剪切模量與荷載作用次數的關系圖。由圖9可知,隨著荷載作用次數的增加,PMRE的復數模量下降速度介于SBR改性乳化瀝青與EHV乳化瀝青之間,SBR改性乳化瀝青的復數模量下降速度最快,其降至初始復數模量50%時的荷載作用次數最小,這說明對于疲勞性能:EHV乳化瀝青最好,PMRE其次,SBR改性乳化瀝青最差。

荷載作用次數/次圖9 瀝青蒸發殘留物復數剪切模量與荷載作用次數的關系

3 綜合性能對比

3.1 路用效果

三種乳化瀝青都以預防性養護技術應用于瀝青路面表面層。其中SBR改性乳化瀝青常用于微表處技術,PMRE常用于PMRE封層技術,EHV乳化瀝青應用于超表處技術。微表處是采用專用設備將SBR改性乳化瀝青、粗細集料、填料、水和添加劑等按照設計配比拌和成稀漿混合料鋪設在原路面上的快凝型薄層罩面;超表處是通過超表處封層車,依次將層間界面劑、EHV乳化瀝青、集料、EHV乳化瀝青、表面保護劑等材料,五層同步灑/撒布施工至原路面的薄層結構;PMRE封層是在道路面層上依次灑布PMRE乳化瀝青和單一粒徑的集料,形成單層或多層的碎石薄層結構。

圖10為三種預防性養護技術施工后開放交通時的照片。由圖10可知,三種預防性養護技術的外觀差別明顯,微表處技術材料組成中集料含有級配結構,外觀上集料粗細搭配并含有膠漿;PMRE技術材料組成中只有5～10 mm的玄武巖碎石,外觀上集料顆粒明顯并呈現集料巖石的原始顏色;超表處技術材料組成采用單一粒徑的玄武巖集料,集料粒徑小于PMRE,施工時采用多層同步撒布,顏色呈現瀝青與玄武巖復合的黑色。

圖10 三種預防性養護技術施工后圖片

圖11為三種預防性養護技術施工后開放交通時和開放交通后使用半年的擺式摩擦系數檢測結果。

圖11 三種預防性養護技術的擺式摩擦系數

圖12為三種預防性養護技術施工后開放交通時和開放交通后使用半年的構造深度檢測結果。

圖12 三種預防性養護技術的構造深度

由圖11可知,三種預防性養護技術在施工后開放交通時的擺式摩擦結果幾乎一致,均能較好的改善路面抗滑性能, 開放交通后半年經過車輛荷載作用后, 微表處和超表處擺式摩擦結果分別衰減了29BPN、24BPN,PMRE封層衰減了12BPN,說明在解決路面抗滑病害時PMRE的使用壽命最長。由圖12可知,三種預防性養護技術施工后開放交通時的構造深度差距明顯,為PMRE構造深度最大,可以達到1.20 mm,而超表處和微表處相差不大。在通車使用半年后PMRE的構造深度可達0.81 mm,而微表處和超表處的構造深度值均已接近文獻[26]中技術要求的臨界值0.60 mm,說明PMRE封層改善路面的抗磨耗性能好于微表處和超表處。

3.2 綜合對比

綜合三種乳化瀝青的流體性質、殘留物性質和預防性養護技術路用效果,對比分析三種乳化瀝青的性能優劣和使用特點。表2為三種乳化瀝青的流變性能對比,其中★表示性能的優劣程度,★越多性能越好。

表2 三種乳化瀝青的流變性能對比

由表2可知,流體性質和殘留物性質方面,EHV乳化瀝青性能最佳,PMRE其次,SBR乳化瀝青最差。路用效果方面,PMRE性能最佳,EHV乳化瀝青其次,SBR乳化瀝青最差。

4 結 論

(1)PMRE和EHV乳化瀝青具有較高的黏度和較低的法向力,具有較好的涂敷能力,適合于封層的灑布工藝,SBR乳化瀝青具有較低的黏度和較高的法向力,不利于封層車灑布工藝,更適合于微表處用的拌合類工藝。

(2)綜合蒸發殘留物的溫度掃描實驗、頻率掃描實驗及疲勞實驗結果,PMRE的高低溫性能比較均衡,而EHV乳化瀝青的高溫性能比較突出,SBR改性乳化瀝青的低溫性能較好。

(3)綜合蒸發殘留物的疲勞實驗結果,PMRE的疲勞性能優于SBR改性乳化瀝青,差于EHV乳化瀝青。

(4)綜合性能對比,流體性質和殘留物性質方面,EHV乳化瀝青性能最佳,PMRE其次,SBR乳化瀝青最差。路用效果方面,PMRE性能最佳,EHV乳化瀝青其次,SBR乳化瀝青最差。