相容劑對高黏改性瀝青性能的影響研究

作者簡介：戴純憶（1989—），工程師，主要從事道路工程研究工作。

摘要：文章選用再生油、化學(xué)穩(wěn)定劑作為相容劑摻入高黏改性瀝青中，研究其對高黏改性瀝青常規(guī)性能和流變性能的影響，并開展室內(nèi)試驗。試驗結(jié)果表明：再生油與芳香油均對高黏改性瀝青的軟化點影響較小，可有效提升高黏改性瀝青的低溫性能；多聚磷酸不利于高黏改性瀝青的低溫性能，但顯著提升高黏改性瀝青的高溫性能；零剪切黏度試驗結(jié)果表明不同類型的再生油或再生油+化學(xué)穩(wěn)定劑組合的黏度-剪切速率曲線均有明顯的牛頓流體區(qū)域；PPA和硫的協(xié)同作用為高黏改性瀝青提供了較強的高溫變形能力。

關(guān)鍵詞：道路工程；高黏瀝青；相容劑；流變性能

中圖分類號：U416.03

0 引言

排水路面具有良好的透水性能和降噪功能，其孔隙率通常在18%～25%^[1]。由于路面結(jié)構(gòu)孔隙率大，瀝青結(jié)合料更容易受到陽光、空氣和雨水等不利因素的影響，其應(yīng)具有持久的包裹力和對集料的高粘附性^[2]，同時必須能防止剝落。因此，排水路面多采用高黏改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料^[3]。高黏改性瀝青通常含有高含量的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）^[4-5]，但由于SBS和基質(zhì)瀝青之間的性質(zhì)差異很大，高黏改性瀝青存在嚴重的離析問題^[6]。硫通常被添加到高黏改性瀝青中交聯(lián)SBS，以增強高黏改性瀝青中聚合物的空間網(wǎng)狀，這是抑制相分離的常見化學(xué)手段^[7]。此外，Xiang等^[8]使用富含芳香族的糠醛萃取油作為相容劑制備了SBS橡膠改性瀝青，表明添加相容劑顯著提高了改性瀝青的高低溫性能和儲存穩(wěn)定性。富含芳香族成分的石油基油通常用作聚合物改性瀝青的相容劑。然而，石油基油是道路瀝青中大量消耗的不可再生資源，其在其余領(lǐng)域的應(yīng)用具有更高的附加值。因此，亟須選擇一種更合適的替代品作為相容劑。廢油的回收利用可以減少環(huán)境污染，其在道路瀝青中的應(yīng)用是一個熱門的研究課題^[9]。一些研究人員使用回收油作為相容劑來提高聚合物改性瀝青的相容性，并取得一定的研究成果。Liu等^[10]通過復(fù)合廢棄食用油（WCO）作為相容劑，制備了SBS和乙烯-乙酸乙烯酯共聚物復(fù)合改性瀝青，得出WCO提高了其儲存穩(wěn)定性的結(jié)論。Zhang等^[11]發(fā)現(xiàn)蓖麻油（CO）具有很好的瀝青質(zhì)，是制備再生劑的優(yōu)良原料。因此，本研究以蓖麻油（CO）、廢食用油（WCO）和再生機油（REO）三種類型的再生油為相容劑，研究其對高黏瀝青性能的影響，并以傳統(tǒng)芳香油（AO）為對照。在此基礎(chǔ)上，通過添加PPA、硫或兩者結(jié)合，以確定化學(xué)穩(wěn)定劑對高黏改性瀝青性能的增強作用。研究成果將有助于揭示再生油和化學(xué)穩(wěn)定劑對高黏改性瀝青性能的影響，并提供一些技術(shù)參考。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青為中海生產(chǎn)的70^#A級道路石油瀝青，線性SBS聚合物由中國石化巴陵分公司有限公司提供。基質(zhì)瀝青的基本檢測指標(biāo)見表1，SBS改性劑基本參數(shù)見表2。再生油為三種：蓖麻油（CO）、廢食用油（WCO）和再生機油（REO），分別購自市場。作為對照組的相容劑是芳香油（AO），使用的化學(xué)穩(wěn)定劑包括多聚磷酸（PPA）、硫磺粉，均購自市場。

1.2 高黏改性瀝青制備方法

將基質(zhì)瀝青加熱至175℃，添加相容劑，并且在高速剪切分散之后和機械攪拌之前加入PPA或硫。此外，當(dāng)PPA和硫一起添加時，PPA先于硫。將SBS改性劑（瀝青質(zhì)量的8%）均勻添加到瀝青中，同時用玻璃棒在5 min內(nèi)攪拌，然后采用高速剪切機以2 000 r/min的低速剪切20 min，再將剪切速度提高到5 000 r/min并剪切1 h。最后，將所得制品放置150℃烘箱中發(fā)育30 min。

1.3 試驗工況設(shè)置

本文所采用的相容劑有6種類型，分別為：蓖麻油（CO）、廢食用油（WCO）、再生機油（REO）、芳香油（AO）、多聚磷酸（PPA）、硫磺粉（Sulfur）。為分析再生油以及再生油、化學(xué)相容劑綜合作用對高黏改性瀝青性能影響，設(shè)置工況如表3所示。

1.4 試驗方法

1.4.1 常規(guī)試驗

常規(guī)試驗包括針入度、軟化點、延度，采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）要求進行。其中，針入度試驗溫度為25℃，延度為5℃，軟化點均為甘油浴。

1.4.2 60℃零剪切黏度

60℃零剪切黏度ZSV表征瀝青的高溫性能，本研究零剪切黏度基于剪切速率掃描試驗所獲得，使用DH-3型動態(tài)剪切流變儀開展剪切速率掃描試驗。剪切速率范圍為1.25×10^-7～1.25×10³ s^-1，使用具有1 mm間隙的直徑25 mm平行板，剪切方式為對數(shù)增長。在獲得剪切速率掃描結(jié)果后，采用Carreau模型擬合數(shù)據(jù)，獲得ZSV。Carreau模型如式（1）所示。

式中：

η——瀝青結(jié)合料黏度（Pa·s）；

η_∞——剪切頻率接近無窮大時對應(yīng)的黏度（Pa·s）；

η₀——零剪切黏度ZSV（Pa·s）；

?——剪切速率（s^-1）；

λ、a、n——擬合參數(shù)，無量綱。

2 結(jié)果和討論

2.1 常規(guī)性能試驗結(jié)果及分析

2.1.1 針入度

25℃針入度試驗結(jié)果見圖1。由圖1可知：不同類型的相容劑均不同程度增加了高黏改性瀝青的針入度，而芳香油（AO）則降低了高黏改性瀝青的針入度，表明再生油與芳香油在改變高黏瀝青常溫下稠度具有不同的效果。蓖麻油（CO）分別與多聚磷酸（PPA）和硫磺一起摻入后均能提升高黏改性瀝青針入度，這表明CO、PPA均能對高黏瀝青起到降低常溫稠度作用。然而，當(dāng)CO、PPA、硫磺一起摻入高黏改性瀝青后，反而降低了高黏改性瀝青的針入度，表明這三者形成了良好的結(jié)構(gòu)，從而提升高黏改性瀝青的常溫稠度。觀察廢食用油組和再生機油組，發(fā)現(xiàn)PPA和硫磺摻入這兩組均降低高黏改性瀝青的針入度，表明不同類型的再生油相容劑與化學(xué)穩(wěn)定劑之間存在復(fù)雜的反應(yīng)，需要進一步深入研究。

2.1.2 軟化點

軟化點試驗結(jié)果見圖2。由圖2可知：

從軟化點值的分析來看，傳統(tǒng)的相容劑AO降低了高黏改性瀝青的高溫性能。再生油相容劑（即CO、WCO和REO）對高黏改性瀝青的高溫性能沒有顯著影響。但注意到隨著PPA、硫磺分別摻入，均提升高黏改性瀝青的高溫性能，這一結(jié)論與其他文獻研究結(jié)果類似。總體而言，再生油對高黏改性瀝青的高溫性能影響較小，但化學(xué)穩(wěn)定劑對高黏改性瀝青的高溫性能有顯著提升作用。

2.1.3 延度

5℃延度試驗結(jié)果見圖3。由圖3可知：

油類相容劑的摻入，顯著提升高黏改性瀝青的延度值。AO、CO、WCO和REO的加入使高黏改性瀝青的延度分別提高了約23%、132%、239%和289%，表明油類相容劑有利于高黏改性瀝青的低溫抗裂性。注意到PPA摻入后在原有再生油+高黏改性瀝青的基礎(chǔ)上延度均有所降低，因此PPA不利于高黏改性瀝青的低溫性能。而硫磺則展示出與PPA相反的規(guī)律，硫磺摻入后進一步提升了高黏改性瀝青的延度。因此，PPA不利于高黏改性瀝青的低溫性能，而再生油和硫磺均能提升高黏改性瀝青的低溫性能。

2.2 零剪切黏度（ZSV）試驗結(jié)果及分析

零剪切黏度試驗過程所產(chǎn)生的黏度-剪切速率曲線如圖4所示。由圖4可知：

不同的工況下，黏度曲線均出現(xiàn)平穩(wěn)期，隨后黏度隨著剪切速率的增加而急劇下降。平穩(wěn)期前的流動拐點是剪切應(yīng)力等于瀝青屈服應(yīng)力的特征點。當(dāng)剪切應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時，瀝青沿流動方向逐漸拉伸、變形和分散，呈現(xiàn)牛頓流動狀態(tài)。在這一點上，黏度趨向于一個恒定值，即零剪切黏度（ZSV）。對于瀝青材料，較高的ZSV值表明瀝青結(jié)合料在長期荷載下抵抗變形的能力更強。剪切速率增加到平穩(wěn)期結(jié)束，瀝青結(jié)合料表現(xiàn)出從牛頓流體到非牛頓流體的行為變化（剪切稀化）。在剪切稀化點之后，瀝青結(jié)合料的穩(wěn)態(tài)流動平衡被打破，黏度迅速衰減，稱為剪切稀化區(qū)。為了定量表征各種類型瀝青結(jié)合料黏度流動曲線的差異，進行了Carreau模型擬合分析，具體如表4所示。

由表4可知：測得的黏度數(shù)據(jù)與擬合方程之間的相應(yīng)相關(guān)系數(shù)R²均＞0.98，這意味著該模型與試驗結(jié)果非常吻合。再生油對高黏改性瀝青ZSV的負面作用小于AO，其中CO使高黏改性瀝青的ZSV增加了4.8%。前文指出瀝青結(jié)合料剪切稀化存在臨界剪切速率，因此可以判斷AO的加入加大了牛頓流體區(qū)域。相反，再生油縮小了牛頓流體區(qū)域，特別是WCO和REO。PPA和硫磺摻入后與CO的協(xié)同作用使高黏改性瀝青的ZSV相比僅添加CO增加70.9%，而PPA或硫磺的單獨添加使ZSV值略微降低。對于添加了WCO和REO的高黏改性瀝青，其ZSV值在PPA或硫磺添加后的變化模式是一致的。這表明PPA和硫磺的協(xié)同作用為高黏改性瀝青提供了較強的高溫變形能力，這主要得益于PPA與硫磺產(chǎn)生了交聯(lián)作用。

3 結(jié)語

本文通過采用不同類型的再生油作為相容劑，開展針入度、軟化點、延度以及零剪切黏度試驗，分析再生油對高黏改性瀝青常規(guī)性能和流變性能的影響，并對比分析芳香油相容劑以及添加化學(xué)改性劑（PPA和硫磺）對高黏改性瀝青性能的影響。得出結(jié)論如下：

（1）不同類型的相容劑均不同程度增加了高黏改性瀝青的針入度，而芳香油（AO）降低了高黏改性瀝青的針入度；PPA和硫磺摻入后對CO+高黏改性瀝青的針入度影響規(guī)律與WCO+高黏改性瀝青、REO+高黏改性瀝青的規(guī)律相反，表明化學(xué)改性劑與不同類型的再生油協(xié)同作用后對高黏改性瀝青常溫稠度的影響與再生油類型相關(guān)。

（2）再生油以及AO均對高黏改性瀝青的軟化點無顯著影響，但PPA和硫磺摻入后提升了高黏改性瀝青的軟化點，說明PPA和硫磺有利于高黏改性瀝青的高溫性能；但PPA對高黏改性瀝青的延度降低較大，硫磺和再生油均有利于高黏改性瀝青的低溫性能。

（3）零剪切黏度試驗結(jié)果表明，不同的工況下黏度曲線均出現(xiàn)平穩(wěn)期，隨后黏度隨著剪切速率的增加而急劇下降。PPA和硫磺的協(xié)同作用為高黏改性瀝青提供了較強的高溫變形能力。

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