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        速溶型SBS聚合物對橡膠改性瀝青黏滯性能的影響研究

        2020-03-01 05:34:17宣大發(fā)呂大春王鵬王秋敏
        西部交通科技 2020年6期

        宣大發(fā) 呂大春 王鵬 王秋敏

        摘要:為了研究速溶型SBS聚合物對橡膠改性瀝青黏滯性能的影響,分別采用摻量0%、5%、10%、15%及20%的橡膠改性瀝青與摻量8%的速溶型SBS改性劑進行復配,成功制備出不同摻量的RPCSBS改性瀝青,進行了不同溫度、不同轉速及不同橡膠粉摻量下的Brookfield黏度試驗,并采用Brookfield黏度、施工溫度及黏流活化能作為技術指標對不同摻量下RPCSBS改性瀝青的黏滯性能進行了研究。試驗結果表明,一定程度的橡膠粉摻入,會增加RPCSBS改性瀝青的黏度、黏流活化能及施工溫度。當橡膠粉摻量達到15%時,RPCSBS改性瀝青的黏度、黏流活化能及施工溫度均達到最大,不利于RPCSBS改性瀝青的現(xiàn)場施工,故實際現(xiàn)場復配時,應精確控制橡膠粉和干法SBS改性劑的摻量,避免使用15%CR+8%SBS摻量。

        關鍵詞:瀝青結合料;速溶型SBS;聚合物;橡膠改性瀝青;黏滯性能

        0 引言

        隨著我國經濟的快速發(fā)展,交通流量和交通荷載不斷增長,人們對道路性能的使用要求越來越高,導致改性瀝青的應用越來越廣泛。在眾多改性瀝青中,SBS改性瀝青以其優(yōu)越的綜合性能得到廣泛應用。目前SBS改性瀝青的加工主要分為濕法和干法兩種,濕法應用更為廣泛。濕法工藝是指先通過工廠或者拌和樓現(xiàn)場濕法加工成成品SBS改性瀝青,然后投入拌和樓中與集料拌和成SBS改性瀝青混合料。但是隨著濕法SBS改性瀝青的廣泛應用,其弊端也不斷凸顯,如SBS改性劑摻量難以檢測、成品SBS改性瀝青保存時間有限、性能衰減等問題[1]。為了革除以上弊端,國內公司成功開發(fā)出了性能優(yōu)越、質量穩(wěn)定的速溶型SBS改性劑(即干法SBS改性劑)。干法SBS改性工藝可以直接將SBS改性劑、基質瀝青及集料投入拌和樓中攪拌,在高溫下通過攪拌葉片和石料的快速剪切及碰撞過程,可以使瀝青與速溶型SBS達到快速改性的效果,避免了成品改性瀝青的加工環(huán)節(jié),降低了改性瀝青在儲存過程中的性能衰減、能耗損失及污染物的排放。

        膠粉作為一種新型道路建筑材料,被添加入瀝青中制備成橡膠改性瀝青。它具有優(yōu)良的高溫抗車轍、低溫抗裂、降低路面噪音及環(huán)保等特性,成為美國、日本、南非等國家和地區(qū)最常用的路用添加劑之一[2]。相比干法SBS改性瀝青昂貴的造價,橡膠改性瀝青造價低廉、抗老化性能更加優(yōu)異,但瀝青黏度較高。基于[JP]以上特點,若能將兩者的優(yōu)良性能進行復合,在提高性能的同時降低SBS改性瀝青的造價,這將對SBS改性瀝青的發(fā)展產生巨大的推動作用。

        為了防止復合改性后的干法SBS改性瀝青黏度過高,影響施工和易性;同時更好地將膠粉復合干法SBS改性瀝青(RubberpowdercompositedrySBSmodifiedasphalt,RPCSBS)應用于實際工程中,本文對RPCSBS改性瀝青的黏滯性進行了系統(tǒng)分析,深入地研究了速溶型SBS聚合物對橡膠改性瀝青的黏滯性能影響。

        1 試驗原材料

        1.1 試驗原材料

        試驗基質瀝青采用70#A級道路石油瀝青,基質瀝青的技術性能指標及試驗結果見表1。由表1試驗結果可知,所采用的基質瀝青滿足我國現(xiàn)行規(guī)范JTGF40-2004[3]的技術要求。

        本研究采用的干法SBS改性劑為國產速溶型SBS改性劑,是一種藍色粉末狀物質,橡膠粉為廣西交科集團有限公司生產。

        2 改性瀝青的制備

        將基質瀝青在170℃的烘箱中加熱0.5h,然后加入摻量8%(外摻)質量的干法SBS改性劑攪拌均勻,在170℃的溫度下用高速剪切儀以4000r/min的轉速剪切30min后,再加入相應質量分數(shù)的橡膠粉剪切20min,直至干法SBS改性劑和橡膠粉全部溶解且分布均勻為止,即制得RPCSBS改性瀝青。

        3 試驗結果分析

        3.1 RPCSBS改性瀝青黏度影響因素分析

        黏度代表瀝青的黏滯性[4]。黏度的大小,直接反映瀝青路面集料間黏結能力的強弱,反映瀝青的高溫性能。不同轉速、不同溫度和不同摻量下RCPSBS改性瀝青的黏度試驗結果見表2、表3。

        從表2、表3可知,同一溫度和轉速下,不同摻量RPCSBS改性瀝青的黏度隨著橡膠粉摻量增加而呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢,峰值摻量為15%CR+8%SBS。不同溫度下,隨著布氏黏度儀轉速的增加,不同摻量RPCSBS改性瀝青的黏度不斷降低,這主要是因為黏塑性體本身剪切變稀的特性導致。黏度越高的RPCSBS改性瀝青,不同轉速下黏度離散性越大;黏度越小的RPCSBS改性瀝青,不同轉速下黏度離散性越小。以135℃下?lián)搅?5%CR+8%SBS為例,轉速1r下的黏度分別是2r、3r、4r、5r的30.0%、49.8%、53.3%、50.2%。由此可見,即使按照規(guī)范E20-2011的T0625-2011試驗規(guī)程來進行實驗,在高黏度下的RPCSBS改性瀝青布氏黏度離散性還是很大的。根據(jù)表4、表5可得,不同摻量、溫度下RPCSBS改性瀝青的黏度測試扭矩均在10%~98%之間,符合規(guī)范E20-2011的要求,測試黏度均有效。為了對不同摻量RPCSBS改性瀝青的黏度統(tǒng)一進行量化,選擇不同摻量RPCSBS改性瀝青扭矩為50%時對應的布氏黏度作為標準值[5]。計算結果如表4、表5所示。

        由圖1可得,同一溫度下,不同摻量RPCSBS改性瀝青黏度隨著橡膠粉摻量的增加,開始時略微增加,然后隨著摻量的增加,黏度急劇下降,之后又急劇上升,并且達到峰值,最后隨著橡膠粉摻量的增加而回落。

        3.2 RPCSBS改性瀝青施工和易性分析

        瀝青的黏度主要是用來表征瀝青的流動性,即施工和易性。為了保證瀝青在施工和拌和時具有足夠的流動性,對于基質瀝青一般要求135℃的布氏黏度≤3Pa·s;不同種類的改性瀝青則一般根據(jù)相應的施工溫度而定,但一般高溫狀態(tài)下的布氏黏度也應≤3Pa·s。根據(jù)規(guī)范E20-2011的T0625-2011試驗要求,確定不同摻量RPCSBS改性瀝青下的拌和溫度和壓實溫度。計算結果如表6和圖2所示。

        由表6和圖2可得,根據(jù)等黏原則,將布氏黏度為0.17Pa·s±0.02Pa·s時對應的溫度作為拌和溫度;將布氏黏度為0.28Pa·s±0.03Pa·s時對應的溫度作為壓實溫度。隨著橡膠粉摻量的增加,RPCSBS改性瀝青的拌和溫度和壓實溫度都表現(xiàn)出一致的規(guī)律性,均隨著橡膠粉摻量的增加先略微上升,然后當橡膠粉摻量達到10%時,降至谷底,隨后開始隨著橡膠粉摻量的增加而增大,兩者變化規(guī)律呈倒峰值曲線變化。

        3.3 RPCSBS改性瀝青黏流活化能分析

        黏流活化能E是高分子材料表征黏流特性的重要參數(shù)之一,它指黏彈性材料的分子鏈段用于克服位壘,由原位置躍遷到附近鏈段間空洞位置所需的最小能量,可見其既可以反映材料流動的難易程度,又能反映材料黏度隨溫度變化的敏感性[6]。一般分子鏈剛性大、極性強或含有較大側基的高分子材料,黏流活化能較高,需要較高的溫度才能流動;相反,柔性較好的線形分子鏈高分子材料Eη較低,在較低溫度下即可發(fā)生流動。當溫度遠高于玻璃化溫度Tg,高分子材料黏度與溫度的依賴關系服從于Arrhenius方程[7],如式(1)所示。對式(1)兩邊求對數(shù)可得式(2)。根據(jù)在不同溫度下瀝青的黏度η(T)值,以lg(η)~1/T作圖,所得直線的斜率即為-Eη/(2.303R),從而可求得瀝青Eη的大小。如圖3所示。

        分析圖3可得,隨著橡膠粉摻量的增加,RPCSBS改性瀝青的黏流活化能呈現(xiàn)先降低后增加至峰值,隨后回落的趨勢。這表明隨著橡膠粉摻量的增加,RPCSBS改性瀝青的黏度隨溫度變化敏感性也在不斷發(fā)生變化,在摻量達到15%CR+8%SBS時,黏度隨溫度變化敏感性最大。

        聯(lián)合圖2~3分析可得,當橡膠粉摻量達到15%時,RPCSBS改性瀝青的黏度、黏流活化能及施工溫度均達到最大,不利于RPCSBS改性瀝青的現(xiàn)場施工。故實際現(xiàn)場復配時,應精確控制橡膠粉和干法SBS改性劑的摻量,避免使用15%CR+8%SBS摻量。

        4 結語

        (1)一定程度的橡膠粉摻入,會增加RPCSBS改性瀝青的黏度、黏流活化能及施工溫度。

        (2)當橡膠粉摻量達到15%時,RPCSBS改性瀝青的黏度、黏流活化能及施工溫度均達到最大,不利于RPCSBS改性瀝青的現(xiàn)場施工。故實際現(xiàn)場復配時,應精確控制橡膠粉和干法SBS改性劑的摻量,避免使用15%CR+8%SBS摻量。

        參考文獻:

        [1]朱榮芳,唐國奇.基于動態(tài)力學的直投改性技術機理及應用研究[J].公路與汽運,2017(5):75-78.

        [2]張勝芬,王曉磊.高性能橡膠瀝青膠漿流變特性研究[J].西部交通科技,2019(5):60-63.

        [3]JTGF40-2004,公路瀝青路面施工技術規(guī)范[S].

        [4]于保陽,高 超,張榮華.基于東北季凍區(qū)氣候下高黏改性瀝青性能研究[J/OL].中外公路,2019(1):278-282.

        [5]鄧 喬,王 輝,向軍威.不同粒徑橡膠粉對瀝青性能的影響研究[J].西部交通科技,2017(2):5-7,37.

        [6]丁 湛,蔣修明,趙浚凱,等.橡膠瀝青黏度影響因素及黏流特性分析[J].鄭州大學學報(工學版),2019,40(3):57-62.

        [7]栗培龍,馬莉霞,馮振剛,等.基于Arrhenius方程的老化瀝青流變特性[J].長安大學學報(自然科學版),2017,37(5):1-7,14.

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