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        SBS改性瀝青熱老化過(guò)程的流變性能研究

        2020-04-01 07:20:39磨巧梅孫宗丹楊洋
        西部交通科技 2020年9期
        關(guān)鍵詞:改性瀝青相位角老化

        磨巧梅 孫宗丹 楊洋

        摘要:為研究SBS改性瀝青短期老化和長(zhǎng)期老化過(guò)程中的流變性能,文章采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn),研究了老化過(guò)程中瀝青流變參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明:SBS改性瀝青與基質(zhì)瀝青在老化過(guò)程中復(fù)數(shù)模量增加,相位角減小,損失模量與車(chē)轍因子增加,說(shuō)明在老化作用下瀝青彈性成分升高,瀝青變硬變脆,疲勞性能降低,但增強(qiáng)了瀝青高溫抗變形能力;SBS改性瀝青相對(duì)于基質(zhì)瀝青改變幅度要小,表明SBS改性劑可以抑制瀝青老化進(jìn)程,對(duì)瀝青的低溫抗裂性和高溫抵抗車(chē)轍能力起到積極作用。

        關(guān)鍵詞:改性瀝青;老化;相位角;損失模量;車(chē)轍因子

        0 引言

        道路瀝青作為最主要的路面材料,其中SBS改性瀝青在路面層使用的比例高達(dá)35%,因此針對(duì)SBS改性瀝青的研究是非常必要的。瀝青在其長(zhǎng)期的服役過(guò)程中,受到溫度、氧氣、紫外線(xiàn)、水分子及人為等因素的影響會(huì)導(dǎo)致其性能衰退,大大縮短其使用壽命[1-3]。因此研究瀝青在老化過(guò)程中的流變性能,對(duì)掌握路面老化機(jī)理,預(yù)測(cè)路面的壽命周期,掌握路面變形規(guī)律具有重要意義。

        通過(guò)旋轉(zhuǎn)薄膜試驗(yàn)(RTFOT)能夠模擬瀝青短期老化過(guò)程,通過(guò)壓力老化試驗(yàn)(PAV)能夠模擬長(zhǎng)期老化過(guò)程,目前已有一定研究,但針對(duì)SBS改性瀝青與基質(zhì)瀝青在流變參數(shù)、疲勞特性、抗變形能力上的對(duì)比研究涉及很少[4-5]?;诖?,本文采取溫度掃描試驗(yàn)對(duì)比了SBS改性瀝青流變性能隨老化作用時(shí)間變化的規(guī)律。

        1 試驗(yàn)材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        本試驗(yàn)為研究SBS改性劑對(duì)老化過(guò)程中瀝青流變性能的影響,特選用國(guó)產(chǎn)70號(hào)道路基質(zhì)瀝青做對(duì)比試驗(yàn)。兩種瀝青性能指標(biāo)按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(T0604-2011)規(guī)定操作,如下頁(yè)表1、表2所示。

        1.2 試驗(yàn)方案

        本試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》采取旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)(RTFOT)模擬瀝青短期老化過(guò)程,按照《Superpave瀝青膠結(jié)料規(guī)范》采用壓力老化試驗(yàn)(PAV)模擬瀝青長(zhǎng)期老化過(guò)程。

        采用MCR101型動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)短期、長(zhǎng)期老化基質(zhì)瀝青和改性瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)的溫度掃描試驗(yàn):作用頻率為10 rad/s,溫度掃描范圍為30 ℃~80 ℃。DSR試驗(yàn)可以在較大溫度范圍和較大應(yīng)力范圍內(nèi)進(jìn)行,瀝青混合料路面疲勞性能和車(chē)轍均表現(xiàn)出典型的大應(yīng)力變形特性,因此DSR試驗(yàn)可以真實(shí)地模擬路面環(huán)境下瀝青混合料的路用性能。

        通過(guò)DSR動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)得到基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青在一定溫度、頻率范圍的流變參數(shù)——相位角δ、損失模量G*sinδ及車(chē)轍因子G*/sinδ。其中相位角δ表征瀝青黏性成分所占比例,瀝青黏性成分越高則δ值越高;G*sinδ表征瀝青的疲勞性能,G*sinδ越高,說(shuō)明瀝青抗疲勞性能越強(qiáng);G*/sinδ表征瀝青在高溫下的抗變形能力,G*/sinδ越大,瀝青高溫抗車(chē)轍能力越強(qiáng)。

        2 數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

        2.1 相位角分析

        基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬短期老化、長(zhǎng)期老化過(guò)程后,采取DSR所測(cè)得的溫度對(duì)其相位角(δ)影響如圖1和圖2所示。

        如圖1所示,在短期和長(zhǎng)期老化過(guò)程中,基質(zhì)瀝青相位角有較大的溫度敏感性:相位角δ隨著溫度升高而增加,但老化程度不同增大幅度不同。從短期老化到長(zhǎng)期老化,老化時(shí)間延長(zhǎng)相位角增長(zhǎng)幅度隨之增加,表明溫度和老化均改變了基質(zhì)和改性瀝青的流變性能。這是因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)中,隨著溫度從30 ℃提高到80 ℃,瀝青變軟,黏性成分增強(qiáng),彈性成分減少,致使瀝青的相位角隨著溫度升高而增加。在70 ℃~80 ℃溫度范圍內(nèi),可以觀察到未老化的基質(zhì)瀝青的相位角值最大接近90°,這表明此時(shí)瀝青幾乎處于流體狀態(tài)。而在經(jīng)過(guò)短期和長(zhǎng)期老化后,在相同溫度范圍內(nèi)相位角較小。

        此外在相同溫度下,隨著老化時(shí)間延長(zhǎng),瀝青相位角總體減小,這是因?yàn)槔匣瘯?huì)使瀝青變硬,但在高溫時(shí),原樣瀝青、短期老化瀝青和長(zhǎng)期老化瀝青相位角值趨于一致,表明溫度對(duì)相位角的影響較大。

        由圖2可以看出,與基質(zhì)瀝青一致,SBS改性瀝青相位角也隨著溫度升高而增大。但是可以明顯看出在50 ℃~70 ℃的溫度范圍內(nèi),相位角的值出現(xiàn)了一段幾乎不變化的平衡區(qū),這個(gè)平衡區(qū)表明SBS改性劑對(duì)瀝青的粘彈性能產(chǎn)生了顯著影響,延遲改性瀝青由彈性狀態(tài)向粘流狀態(tài)的遷移。這是由于SBS改性劑主體的網(wǎng)絡(luò)三維結(jié)構(gòu),提升了瀝青分子之間的粘結(jié)力,使瀝青分子通過(guò)SBS改性劑連接更為緊密,抑制瀝青在一定的溫度范圍內(nèi)由彈性狀態(tài)向粘流狀態(tài)轉(zhuǎn)移,但是當(dāng)溫度提高到75 ℃以上,網(wǎng)絡(luò)三維結(jié)構(gòu)也由于高溫而破壞,SBS的抑制作用消失,相位角恢復(fù)增加趨勢(shì)。

        2.2 損失模量分析

        美國(guó)公路戰(zhàn)略計(jì)劃SHRP研究成果表明,瀝青的復(fù)數(shù)模量G*與sinδ乘積可以用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的疲勞性能,并命名為損失模量。G*sinδ越小,表明瀝青在試驗(yàn)反復(fù)加載卸載過(guò)程作用下消耗能量較小,抵抗疲勞變形能力就越高。

        從圖3和圖4可以看出,基質(zhì)瀝青與改性瀝青的G*sinδ從原樣、短期老化到長(zhǎng)期老化明顯增加,這表明兩種瀝青經(jīng)過(guò)老化抗疲勞性能降低,抵抗開(kāi)裂能力變?nèi)酢_@與實(shí)際環(huán)境中,使用時(shí)間越長(zhǎng),開(kāi)裂變形得越嚴(yán)重的形象相符。

        但是對(duì)比基質(zhì)與SBS改性瀝青,隨著老化程度加深基質(zhì)瀝青G*sinδ增長(zhǎng)明顯,但SBS改性瀝青G*sinδ增長(zhǎng)趨勢(shì)與基質(zhì)瀝青表現(xiàn)出不同特點(diǎn),從原樣瀝青老化到短期階段,G*sinδ增長(zhǎng)明顯,但從短期老化到長(zhǎng)期老化,雖然G*sinδ仍然增長(zhǎng)但增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩,增長(zhǎng)曲線(xiàn)接近,這可以很好地表明改性劑SBS明顯提高了瀝青抵抗疲勞的性能。

        2.3 車(chē)轍因子分析

        SHRP研究成果表明,瀝青的復(fù)數(shù)模量G*與sinδ之商可以用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的抵抗高溫變形的能力,并將其命名為車(chē)轍因子,G*/sinδ越小表明瀝青高溫抗變形能力越差,抗車(chē)轍能力越弱。

        圖5和圖6表明,在30 ℃~80 ℃的溫度范圍內(nèi),基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青車(chē)轍因子G*/sinδ隨著溫度的升高呈現(xiàn)出線(xiàn)性減小趨勢(shì),并且隨著老化程度的加深,基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的G*/sinδ都顯著增加,表明老化在某種程度下改善了瀝青的高溫抗車(chē)轍能力。這是由于隨著老化,瀝青變硬變脆,一定程度上提高了抗永久變形能力。另外,基質(zhì)瀝青的車(chē)轍因子G*/sinδ在未老化前就較SBS改性瀝青要小,表明基質(zhì)瀝青的抗車(chē)轍變形能力弱于SBS改性瀝青。經(jīng)過(guò)短期或長(zhǎng)期老化后,SBS改性瀝青的G*/sinδ仍比基質(zhì)瀝青大,但老化時(shí)間若繼續(xù)延長(zhǎng),瀝青變得更脆,SBS改性瀝青的G*/sinδ較基質(zhì)瀝青要小,單從車(chē)轍因子G*/sinδ這個(gè)角度表明改性瀝青抗高溫抗變形能力的優(yōu)勢(shì)不再明顯。

        3 結(jié)語(yǔ)

        (1)在考慮老化作用條件下,采用RTFOT試驗(yàn)?zāi)M瀝青短期老化過(guò)程,PAV試驗(yàn)?zāi)M瀝青長(zhǎng)期老化過(guò)程,隨著老化程度的加深,瀝青逐漸變脆變硬,復(fù)數(shù)模量增加,相位角減小,損失模量及車(chē)轍因子增加,表明老化條件下,瀝青彈性成分有所增加,黏性成分減小,彈性恢復(fù)能力降低,抗疲勞性能降低,但抵抗變形能力有所增強(qiáng)。

        (2)對(duì)比同樣老化程度的基質(zhì)瀝青和改性瀝青,流變參數(shù)相位角、損失模量及車(chē)轍因子的增減幅度均有所減小,表明SBS改性劑的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以抑制瀝青老化進(jìn)程。

        (3)根據(jù)溫度掃描試驗(yàn),隨著溫度的提升,瀝青的相位角增加明顯,表明瀝青溫度敏感性較大,但瀝青對(duì)老化的敏感性隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。

        參考文獻(xiàn):

        [1]Christensen R M.Theory of Viscoelasticity[M].New York:Academic Press,1982.

        [2]張文剛,師 郡.瀝青混合料室內(nèi)加速熱氧老化特性與預(yù)估[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2017,17(24):279-282.

        [3]譚志遠(yuǎn),李 強(qiáng),肖標(biāo)丁.瀝青熱-氧-水-光綜合老化方法[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,13(2):15-18,25.

        [4]延西利,封晨輝,梁春雨.瀝青與瀝青混合料的流變特性比較[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,22(5):5-8.

        [5]徐世法,朱照宏.高等級(jí)道路瀝青路面車(chē)轍的預(yù)測(cè)方法[J].土木工程學(xué)報(bào),1993,26(6):28-36.

        收稿日期:2020-06-05

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