TLA/SBS復合改性瀝青性能研究

高信春

(1.福建省高速公路達通檢測有限公司,福州 350108;2.福建省高速技術咨詢有限公司,福州 350018;3.福建省高速公路工程重點實驗室,福州 350018)

瀝青路面作為一種無接縫的連續式路面結構,具有很多的優勢,如:路用性能優異,行車體驗感好并且易于維修,在世界各地的城市道路和高等級公路中占有很大比例[1-3]。在服役過程中,瀝青受雨水、光、氧、熱等自然環境的綜合影響,造成瀝青材料老化。老化后的瀝青宏觀性能變硬、變脆,不能很好地裹覆集料,路面極易發生掉粒等病害,進而發展成坑槽,在雨水的綜合作用下,發生水損害[4,5]。尤其是在我國南方濕熱地區,由于具有高溫多雨的氣候環境特點,在重交通的復合作用下,路面極易發生車轍和水損病害[6-8]。因此提高瀝青的抗滑性能對維持路面性能、延長路面使用壽命和保障路面安全性有重要作用。

在瀝青中加入添加劑以改善瀝青老化性能是一種普遍方式,常用添加劑有聚合物類、纖維類、無機化合物和天然瀝青等。聚合物類材料之一苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)與瀝青混合后可形成良好的網狀結構,提高瀝青的高低溫性能和老化性能。天然瀝青主要有湖瀝青和巖瀝青,其中最有名的湖瀝青是位于南美洲特立尼達島的特立尼達湖瀝青(TLA)。TLA主要成分與石油瀝青相似,因此與石油瀝青具有較好的相容性。TLA各組成的比例與石油瀝青有較大區別,TLA中的瀝青質含量比較高,故而軟化點高,相比普通基質瀝青具有更好的高溫性能,因此可以被用作改性劑用于改善瀝青的物理性能[9,10]。

選取SBS和TLA對70#基質瀝青進行改性制備TLA/SBS復合改性瀝青,并對改性前后瀝青的物理性能和流變性能進行研究,然后分別采用TFOT(薄膜加熱試驗)和PAV模擬TLA/SBS復合改性瀝青短期和長期老化,并對其老化性能進行分析,探索TLA和SBS的加入對瀝青性能的影響規律。

1 實 驗

1.1 原材料

采用的特立尼達湖瀝青(TLA)和基質瀝青的主要性能指標檢測情況見表1。

表1 TLA與基質瀝青的主要技術性能指標

采用的SBS主要性能指標檢測情況見表2。

表2 SBS1301的性能指標

1.2 樣品制備

1)將基質瀝青置于160 ℃烘箱加熱至完全熔融備用。

2)將湖瀝青搗碎備用。

3)在基質瀝青中加入不同摻量(0、10%、20%、30%和40%)TLA,在180 ℃條件下進行普通攪拌30 min。

4)加入5%SBS進行高速剪切1 h,溫度控制在180～190 ℃,轉速控制為4 000 r/min;然后在180 ℃條件下進行普通攪拌2 h。

1.3 試樣老化

1)短期熱氧老化。按照《石油瀝青薄膜烘箱試驗法》(GB/T 5304—2001)采用薄膜加熱試驗(TFOT)模擬瀝青的短期熱氧老化,將裝有50 g樣品的老化盤放置在163 ℃的烘箱中5 h進行老化。

2)長期熱氧老化。采用《瀝青加速老化試驗法(PAV法)》(SH/T 0774—2005)中的壓力老化試驗(PAV)模擬瀝青的長期老化。PAV老化的試驗條件:在溫度為100 ℃、壓力為2.1 MPa的條件下老化20 h,儀器型號:PAV9500,生產廠家:美國Prentex公司。

1.4 試驗方法

1)物理性能測試。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)的方法分別測試瀝青樣品的軟化點、針入度和延度。

2)流變測試(DSR)。采用動態剪切流變儀(Anton Paar, MCR 102)測試瀝青樣品的流變性能,加載頻率為10 rad/s,應變值為0.5%,溫度區間為30～120 ℃,溫度增量為2 ℃/min。

2 結果與討論

2.1 物理性能分析

2.1.1 TLA摻量對SBS改性瀝青針入度的影響

TLA摻量與SBS改性瀝青針入度的關系曲線如圖1所示。由圖1可以看出,隨著TLA摻量的增加,SBS改性瀝青針入度迅速減小。與SBS改性瀝青相比,加入10%TLA的改性瀝青,其針入度值減小了20.8%,以后每增加10%的摻量,針入度值依次減小的幅度為16.3%、18.5%和24.4%。由此可以看出,TLA的摻加使SBS改性瀝青針入度的減小幅值均較大,其中當摻量為30%～40%時,針入度減小幅值最大。這是由于TLA中含有比SBS改性瀝青更多的瀝青質,瀝青質在瀝青中起到稠化的作用,同時TLA中含有較多的灰分(34.4%)也是TLA/SBS復合改性瀝青針入度較低的一個重要原因。

2.1.2 TLA摻量對SBS改性瀝青軟化點的影響

TLA摻量與SBS改性瀝青軟化點的關系曲線如圖2所示。從圖2中可以看出,對于SBS改性瀝青,加入TLA后,其軟化點是增加的,且在摻量為10%～30%時,增加的幅度較大,說明TLA的加入使得SBS改性瀝青的高溫性能大幅度提高。對于SBS改性瀝青而言,摻量從10%～40%來看,其軟化點增加的幅度依次為18.7%、16.7%、18.4%和0.9%,即軟化點變化幅度較大的點發生在TLA摻量為10%～30%處。

2.1.3 TLA摻量對SBS改性瀝青延度的影響

因TLA自身脆性比較大,5 ℃時的延度較難測出,采用25 ℃作為試驗溫度進行TLA/SBS復合改性瀝青延度測試。根據試驗數據得到25 ℃下瀝青的延度值、最大拉力值和拉伸柔度值隨TLA摻量的變化趨勢如圖3和圖4所示。

在試驗溫度為25 ℃的情況下,當TLA摻量為20%～40%時,隨著TLA摻量的增加,瀝青延度和拉伸柔度值逐漸減小,最大拉力值是逐漸增大的,這符合一般性結論:延度值越小,峰值力越大。從低溫性能的常用評價指標延度和拉伸柔度來看,TLA的摻量越多,延度和拉伸柔度的值越小,即摻加TLA對瀝青的低溫性能是不利的,而且摻量越大,對瀝青的低溫性能越不利,這主要是由于TLA中灰分的影響。

TLA的摻量不同,對三項指標的影響程度也不同,當TLA摻量從10%以10%的增幅增加到40%時,延度的減小幅度依次為-14.2%、-8.7%和48.1%,最大拉力的增加幅度依次為-5.2%、67.4%和110.4%,拉伸柔度的減小幅度依次為-19.3%、34.3%和75.4%。其中,延度值變化較為緩慢的TLA摻量區間為20%～30%,區間30%～40%變化最大;拉力變化較為顯著的TLA摻量區間為30%～40%,在10%～20%區間變化不大;拉伸柔度變化隨著TLA摻量的增加,其減小幅度逐漸增大。

綜合TLA/SBS復合改性瀝青的針入度、軟化點和延度的性能變化規律,當TLA摻量為30%時,改性瀝青物理性能最佳,因此在接下來的研究過程中,TLA摻量確定為30%。

2.1.4 流變性能

對基質瀝青、SBS改性瀝青和SBS+30%TLA復合改性瀝青進行動態剪切流變試驗得到的溫度掃描模式下的復數剪切模量(G*)變化情況如圖5所示。由圖5可以看出,隨著溫度的不斷升高,基質瀝青、SBS改性瀝青和SBS+30%TLA復合改性瀝青的G*逐漸降低,主要是溫度的升高會改變瀝青材料的粘彈性狀態,由彈性狀態轉為粘性狀態。由圖5可知,SBS改性瀝青較基質瀝青的復數模量有所提高,在30～100 ℃溫度區間,SBS+30%TLA復合改性瀝青是三者中復數模量最高的,溫度超過100 ℃后,5%SBS+30%TLA復合改性瀝青與未添加TLA的SBS改性瀝青的G*幾乎相同。說明SBS的加入可以提高基質瀝青的G*,TLA的加入進一步提高了瀝青的G*,使得瀝青分子流動變形減弱,這與TLA含有較多瀝青質有關,使得瀝青的剛性增強,從而使得瀝青具有更高的模量。

利用DSR測得的不同樣品在30～120 ℃溫度范圍內相位角(δ)變化情況如圖6所示。從圖6中可以看出,3個瀝青樣品的δ隨溫度升高逐漸增大。這是由于瀝青是一種粘彈性材料,對溫度較敏感,溫度變化時,瀝青流動狀態也發生變化,由彈性向粘性轉變,從而使得相位角隨著溫度的升高而逐漸增大。SBS和TLA的加入使得瀝青的相位角(δ)有所減小,表明SBS和TLA的添加使得瀝青在溫度變化過程中彈性成分比例增加。SBS融于瀝青后與瀝青分子形成網狀結構,有效阻礙高溫下瀝青分子的運動,最終表現為相位角減小,變形后的恢復能力增強。但同時TLA的加入也稀釋了SBS的作用,因此TLA/SBS改性瀝青的相位角大于SBS改性瀝青的相位角。

基質瀝青、SBS改性瀝青和SBS+30%TLA復合改性瀝青的車轍因子隨溫度的變化情況如圖7所示。從圖7中可以看出,隨著溫度的升高,基質瀝青、SBS改性瀝青和SBS+30%TLA復合改性瀝青的車轍因子降低。SBS改性瀝青較基質瀝青的車轍因子有所提高,在30～100 ℃溫度區間內,SBS+30%TLA復合改性瀝青是三者中車轍因子最高的。TLA的加入使得基質瀝青的車轍因子增加,顯著提高瀝青抵抗高溫車轍變形。

2.2 老化性能

計算基質瀝青、5%SBS改性瀝青和30%TLA/5%SBS復合改性瀝青經過不同老化方式后的殘留針入度比、軟化點變化及粘度老化指數的結果如表3所示。其中

表3 老化后老化指標值的計算結果

殘留針入度比(%)=老化后針入度/老化前針入度

(1)

軟化點變化=老化后軟化點-老化前軟化點

(2)

粘度老化指數(%)=(老化后粘度-老化前粘度)/老化前粘度

(3)

由表3可知,老化后,SBS改性瀝青和TLA/SBS復合改性瀝青的殘留針入度比增加,軟化點變化降低,粘度老化指數降低,說明改性后的瀝青老化性能相較于基質瀝青有所改善。與SBS改性瀝青相比,加入TLA后,TLA/SBS復合改性瀝青的殘留針入度比、軟化點變化和粘度老化指數均下降,TFOT老化的下降值分別為7.6%、2.8 ℃和8%,PAV老化的下降值分別為4%、8.3 ℃和26%,表明TLA的加入可進一步改善SBS改性瀝青的老化性能,且對瀝青長期老化的改善作用更明顯。

3 結 論

a.對4種湖瀝青摻量(10%,20%,30%和40%)下的TLA/SBS復合改性瀝青的性能研究表明,隨著TLA摻量的增加,瀝青的針入度減小,軟化點增加,改性瀝青的高溫穩定性不斷得到提高。但同時,改性瀝青的延度隨著湖瀝青摻量增加而減小,因此湖瀝青的摻量應控制在一定范圍內,以避免對其延展性產生較大影響,建議TLA摻量控制為30%。

b.從30%TLA/SBS復合改性瀝青溫度掃描試驗可以得出,與基質瀝青相比,30%TLA/SBS改性瀝青的復數模量提高,相位角降低,車轍因子增大,說明TLA的加入能夠有效阻礙瀝青分子的運動,瀝青抵抗高溫變形能力增強,這對于南方高溫地區湖瀝青改性瀝青路面的應用具有積極的意義。

c.TLA的加入使得基質瀝青和SBS改性瀝青短期老化和長期老化后的性能劣化程度減小,主要表現為殘留針入度比變大,軟化點差變小,粘度老化指數變小,表明TLA提高了基質瀝青和SBS改性瀝青的老化性能,尤其對瀝青長期老化的改善作用更明顯。