偶聯改性SBS復合改性瀝青性能試驗研究*

李 強 錢普舟 馬丁紅 安豐偉

(1.蘇交科集團股份有限公司 新型道路材料國家工程研究中心 南京 211112;2.甘肅公路航空旅游研究院有限公司 蘭州 730000)

瀝青混合料在拌和、攤鋪、碾壓等施工過程,以及道路服役過程中,會受到熱氧老化的影響,使瀝青混合料的抗裂性降低,從而加劇瀝青路面開裂和松動等問題的發生[1-3]。這將不可避免地影響道路的耐久性和服務功能,直接導致瀝青路面生命周期的縮短,進而增加道路維護成本。因此,明確瀝青的流變機理,選擇合適的改性劑,以增加對路面病害的抵抗力,對于提高公路服務質量,促進交通基礎設施建設的可持續發展至關重要[4]。

一般來說,纖維、聚合物、納米材料,以及高分子材料是瀝青改性中經常使用的主要材料,偶聯劑類瀝青改性劑應用較少,偶聯改性劑與其他類型改性劑復合改性瀝青的研究鮮有報道[5]。鑒于此,本文以SBS改性瀝青為基礎,研究偶聯改性劑與SBS復配改性瀝青的物理性質、流變性能,以及黏度,以期改善混合料路用性能,提高瀝青路面使用壽命。

1 原材料

1) 瀝青。采用SBS改性瀝青作為復配瀝青,其技術性質見表1。

2) 改性劑。采用高抗飛散改性劑(AR-HVA),AR-HVA是典型的偶聯劑型改性劑,其特點是將偶聯劑“分子橋”引入到瀝青介質中,可以極大改善無機物與有機物之間的界面作用,使改性后的瀝青膠結料與石料表面形成牢固的附著力,從而提升石料的抗脫落性。成分主要有高分子共聚物、合成樹脂、偶聯劑等,外觀為藍色粉末狀。

表1 瀝青技術性質

2 復合改性瀝青制備

根據偶聯劑與瀝青之間形成化學鍵的基本原理,摻量過少鍵合效果不佳,摻量過多經濟成本提高,且溶解難度增大,改性效果下降,因此本研究AR-HVA改性劑的摻量初定0%,3%,6%,9%,12%。

將不同比例的AR-HVA改性劑通過高速剪切機復配到SBS改性瀝青中,制備過程如下:將SBS改性瀝青放入180 ℃烘箱中加熱2 h,待瀝青完全軟化呈流動態后倒入高速剪切機,并迅速將一定比例的改性劑倒入瀝青中,以3 000 r/min剪切30 min,直至改性劑充分均勻地融進瀝青,確保無明顯的色差或顆粒狀物質,顯微鏡下改性劑無聚集或分散現象,最后將攪拌后的瀝青放至160 ℃的烘箱中發育1 h左右備用。

3 試驗結果與討論

3.1 物理性質

三大指標是評價瀝青黏結力高、低溫穩定性、黏稠度,以及延展性的基礎指標[6],本文采用三大指標測試復合改性瀝青的物理性質,測試方法參照JTG E20-2011 《瀝青及瀝青混合料試驗規程》[7]。

針入度可用來衡量瀝青黏結劑的高溫稠度變化,復合改性瀝青針入度隨改性劑摻量變化的試驗結果見圖1。

圖1 改性劑摻量對改性瀝青針入度的影響

由圖1可知,隨著改性劑摻量的增大,改性瀝青針入度呈線性下降趨勢,改性劑摻量為12%時,相較摻量0%,其針入度降低14.4%,仍在規范值40(0.1 mm)～60(0.1 mm)之間。分析原因可知,改性劑的加入調和了SBS改性瀝青的黏度,并隨著摻量的增加,改性劑以網狀分子鏈形態與SBS顆粒結合在一塊,在瀝青中呈現更穩定的高分子網結構,包裹了瀝青相周圍,增大了瀝青黏結劑的稠度和黏度,因此針入度有所下降。

軟化點可用來衡量瀝青黏結劑的高溫穩定性,復合改性瀝青軟化點隨改性劑摻量變化的試驗結果見圖2。

圖2 改性劑摻量對改性瀝青軟化點的影響

由圖2可知,隨著改性劑摻量的增大,改性瀝青軟化點呈線性上升趨勢,改性劑摻量12%時,相較摻量0%,其軟化點增大33.1%,與規范值60 ℃相比提升了80%以上。軟化點極大地增加意味著改性瀝青的高溫穩定性能顯著提升,軟化點的增大也與改性劑增大了瀝青的黏度有關,高黏稠度的瀝青黏結劑軟化難度增大,從而提高了軟化點。

延度可用來衡量瀝青黏結劑的低溫延展性變化,復合改性瀝青延度隨改性劑摻量變化的試驗結果見圖3。

圖3 改性劑摻量對改性瀝青延度的影響

由圖3可知,隨著改性劑摻量的增大,改性瀝青延度呈現逐漸增大的趨勢,且隨摻量增加延度上升速率更大,改性劑摻量12%時,相較摻量0%延度增大38.5%,遠超規范值20 cm,說明改性劑加入后,SBS改性瀝青的拉伸變形能力得到了顯著改善。進一步增大改性劑摻量,延度仍持續增大,原因在于隨著改性劑的摻加,瀝青黏結劑勁度和穩定性仍有提升空間,且黏結劑與SBS混合后形成的網狀分子鏈更加緊密,對延展性和變形能力的提升較大。

3.2 流變性能

三大指標可用于簡單判定瀝青的物理性質,但無法表征瀝青在多因素作用下的流變特性。而瀝青作為一種典型的黏彈性材料,流變性質隨應力、應變,以及溫度變化顯著,因此為了進一步評價復合改性瀝青的高溫性能,通過動態剪切流變儀研究瀝青黏結劑的流變學特性,并以復數剪切模量G*和車轍因子G*/sinδ評價不同改性劑摻量下改性瀝青的高溫性能[8]。

復數剪切模量物理意義是瀝青黏結劑的最大剪應力和最大剪應變的比值,可用來表征瀝青黏結劑承受重復剪切荷載的能力[9]。不同改性劑摻量的復合改性瀝青復數剪切模量隨溫度變化的試驗結果見圖4。由圖4可知,隨著溫度增大,復合改性瀝青的復數剪切模量逐漸減小,這是由于高溫狀態下瀝青黏結劑處于塑性流動狀態,黏彈性質下降導致。改性劑摻量對復合改性瀝青的復數剪切模量影響較大,隨改性劑摻量的增大,復數剪切模量逐漸提升,瀝青的抗剪切變形能力明顯改善。以夏季高溫路面最不利條件溫度70 ℃為例,此時相比普通SBS改性瀝青,6%改性劑摻量的復合改性瀝青復數剪切模量增大了268%,12%改性劑摻量的復合改性瀝青復數剪切模量增大了470%,這是因為高黏改性劑的摻入極大地提升了瀝青體系中彈性成分比例,抗高溫剪切荷載能力提升。

圖4 改性劑摻量對改性瀝青復數剪切模量的影響

已有研究將G*/sinδ定義為車轍因子,用于評價瀝青黏結劑的高溫抗車轍性能,車轍因子越大則高溫性能越好。不同改性劑摻量的復合改性瀝青車轍因子隨溫度變化的試驗結果見圖5。

圖5 改性劑摻量對改性瀝青車轍因子的影響

由圖5可知,隨著溫度升高,復合改性瀝青的車轍因子逐漸減小,這說明隨溫度升高,瀝青逐漸軟化,瀝青中黏性成分比例增大,高溫使改性瀝青分子力及分子間的交聯作用下降,高分子鏈動態柔性增加,瀝青逐漸由彈性向黏性轉化,不可恢復變形增大,車轍因子減小。改性劑摻加后瀝青黏結劑的車轍因子均有不同程度的提高,以夏季高溫路面最不利條件溫度70 ℃為例,此時相比普通SBS改性瀝青,6%改性劑摻量的復合改性瀝青車轍因子增大了225%,12%改性劑摻量的復合改性瀝青車轍因子增大了718%,說明摻加改性劑后SBS瀝青高溫抗變形能力顯著增強。原因在于隨著改性劑的加入,高分子結構與SBS相互交錯形成的空間網狀結構提高了瀝青的結構穩定性,黏度和稠度增大,高溫條件下瀝青變形更加困難。

3.3 黏度

瀝青混合料主要靠瀝青的黏度將集料結合在一起形成強度,因此黏度決定了瀝青集料間的黏結能力和施工和易性,不僅反映了瀝青混合料的高、低溫穩定性,同時與瀝青路面的抗老化耐久性息息相關。黏度過小則瀝青混合料性能難以保證,而黏度過大則瀝青混合料拌和壓實困難,因此國際上通常以60℃動力黏度作為道路石油瀝青分級標準,其次將170 ℃的旋轉黏度作為控制瀝青混合料施工和易性的黏度標準[10]。

復合改性瀝青60 ℃動力黏度和170 ℃旋轉黏度隨改性劑摻量變化的試驗結果見圖6。

圖6 改性劑摻量對改性瀝青黏度的影響

由圖6可知,隨著改性劑摻量的增加,復合改性瀝青的60 ℃動力黏度和170 ℃旋轉黏度均呈現線性增長的趨勢,改性劑摻量從3%提高到12%,60 ℃動力黏度和170 ℃旋轉黏度分別增長了114%和195%,可見改性劑的摻入能夠大幅度提高瀝青自身黏度。其次,盡管摻加改性劑后瀝青的170 ℃旋轉黏度增長迅速,但在3%～12%改性劑摻量的范圍時,170 ℃的旋轉黏度仍小于3.0 Pa·s,滿足瀝青混合料施工和易性能要求。

4 結語

本文研究了偶聯改性劑摻量對復合改性瀝青物理性質、流變性能和黏度的影響,主要結論如下。

1) 隨著改性劑摻量的增大,改性瀝青針入度線性下降,軟化點和延度逐漸增大,復合改性瀝青的黏度和延展性有所增大。

2) 偶聯改性劑的高分子結構與SBS相互交錯形成的空間網狀結構提高了瀝青的結構穩定性,復數剪切模量和車轍因子逐漸提升,瀝青的抗剪切變形能力明顯改善。

3) 復合改性瀝青的60 ℃動力黏度和170 ℃旋轉黏度均呈線性增長趨勢,改性劑摻量3%～12%時,復合改性瀝青能夠滿足瀝青混合料施工和易性能要求。