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        復合改性煤瀝青的流變性能研究

        2022-01-29 10:22:52李佰昌
        北方交通 2022年1期
        關鍵詞:相位角改性劑剪切

        李佰昌

        (浙江交通資源投資有限公司 杭州市 310020)

        煤瀝青用作道路材料,對石料的潤濕和黏附性能較好,路面具有抗油侵蝕、摩擦系數(shù)大等優(yōu)點。同時煤瀝青較石油瀝青更加廉價,特別是在當今石油價格處于高位的情況下,有著較高的經(jīng)濟效益優(yōu)勢。然而,煤瀝青的溫度敏感性較強,具體表現(xiàn)為高溫時易流淌,低溫時易發(fā)生脆斷。為了提高煤瀝青的使用性能,主要通過選擇合適的改性劑來對其進行改性。

        研究表明[1-2],通過煤瀝青與石油渣油共混改性,瀝青的抗老化性能、高溫穩(wěn)定性及石料粘附性有較大的改善,感溫性能無顯著變化。混合瀝青混合料較石油瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性能有較大的改善,低溫性能變化不大。另一方面使用聚苯乙烯、聚乙二醇、多聚甲醛、呋喃樹脂、硬脂酸等聚合物改性劑[3-5],能夠有效降低有害有毒物質的含量,能有效降低煤瀝青對溫度的敏感程度,有效地改善了改性煤瀝青的高溫流變性能,煤瀝青的高低溫性能尤其是低溫性能得到很大改善,對溫度的敏感度也有所下降。同時降低煤瀝青的表面張力,從而起到了降粘增塑的作用。復合改性劑還對煤瀝青中多環(huán)芳烴類等有害物質有較好的脫除效果,降低煤瀝青對人體和環(huán)境的危害。

        1 實驗部分

        通過采用多種聚合物和渣油對煤瀝青進行復合改性,通過動態(tài)剪切流變儀分析測試復合改性煤瀝青的流變性能和使用性能。

        1.1 原料

        試驗所用中溫煤瀝青選自河北旭陽焦化有限公司,各項基本指標如表1所示。試驗所使用的減壓渣油選自燕山石化公司生產(chǎn)的減壓渣油,其四組分含量分別為:飽和分78.67%、芳香分8.59%、膠質12.01%、瀝青質0.18%、焦炭0.45%,基本性質如表2所示。

        表1 中溫煤瀝青的性能指標

        表2 減壓渣油的性能指標

        1.2 實驗方法

        將渣油和煤瀝青按照一定的比例混合加入到反應器中,用電熱套在120℃下加熱,并用攪拌器攪拌1 h,得到軟化煤瀝青;然后將溫度升至140℃,按比例加入復合改性劑,繼續(xù)攪拌0.5 h,反應結束后,將制得的復合改性煤瀝青倒入容器中,留待進行性能測試。為了避免污染試驗室環(huán)境和保護試驗人員的健康,整個試驗過程均在通風良好的通風柜內進行。復合改性劑組成如表3所示,渣油、煤瀝青及復合改性劑復配比例如表4所示。

        表3 復合改性劑的組成

        表4 復合改性煤瀝青的組成

        使用Anton Paar公司的瀝青動態(tài)剪切流變儀Smartpave101來對復合改性煤瀝青進行流變性能試驗[6]。

        (1)溫度掃描試驗,采用控制應力模式,控制應力為100 Pa,角頻率10 rad/s,掃描溫度范圍為80~10℃,升溫速率為0.025 ℃/s,得到不同溫度下復數(shù)模量等參數(shù)。

        (2)動態(tài)頻率掃描試驗,采用控制應變的模式,控制總應變?yōu)?%,試驗溫度為60℃、45℃、30℃,采樣頻率為0.1~100 Hz,得到不同頻率下的復數(shù)模量等參數(shù)。

        2 結果與討論

        2.1 復合改性煤瀝青溫度掃描分析

        對復合改性煤瀝青D-0、D-1、D-2、D-3和D-4進行溫度掃描,溫度掃描范圍為10~80℃。復合改性煤瀝青復數(shù)模量及相位角δ隨溫度的變化情況分別如圖1所示。

        圖1 復合改性煤瀝青復數(shù)模量G*和相位角δ隨溫度的變化

        從圖中可以看出,復合改性煤瀝青均體現(xiàn)出粘彈性體特征,但相位角δ和tanδ有不同的變化情況。相位角δ越小,瀝青就越和彈性體類似,抵抗高溫變形的能力就越強;δ越大,越和粘性體類似。復合改性煤瀝青的復數(shù)模量G*隨溫度升高而減小,說明彈性分量減少,瀝青變軟;相位角δ隨著溫度的升高而呈增高的趨勢,表明粘性分量增高,彈性分量降低。在10~80℃的溫度范圍內,D-4的復數(shù)模量普遍大于其他幾種瀝青,表明其彈性有所增強??傮w來看,相位角δ在30~80℃的溫度范圍內變化不大。在大部分溫度范圍內,D-1、D-2、D-3和D-4的相位角均比D-0小,說明四種瀝青的彈性行為較D-0增強。D-0的相位角在60℃左右達到最大值,D-3和D-4的相位角隨著溫度的升高而增大,說明D-4的彈性性能較好,溫度敏感性較低。

        通常用60℃時的車轍因子G*/sinδ來評價瀝青的抗車轍性能,然而在實際應用中,在很寬的溫度范圍內,瀝青路面都會在外部荷載的作用下產(chǎn)生高溫永久形變,因此評價瀝青抵抗車轍變形能力選取的溫度范圍為25~60℃。復合改性煤瀝青車轍因子G*/sinδ隨溫度的變化情況如圖2所示。從圖中可以看出,隨著溫度的增高,瀝青的G*/sinδ迅速減小,說明瀝青對高溫永久變形的抵抗能力逐漸減弱;

        圖2 復合改性煤瀝青車轍因子G*/sinδ隨溫度的變化

        而D-4的G*/sinδ遠大于其他幾種瀝青,即其高溫抗永久變形能力強,復合改性煤瀝青抗車轍能力順序為:D-4>D-3>D-1>D-2>D-0。

        2.2 復合改性煤瀝青動態(tài)頻率掃描分析

        在行車荷載的作用下瀝青路面結構主要體現(xiàn)為動態(tài)加載效應,不同的車速用不同荷載下作用頻率來代表,路面行車速度的大小則與加載頻率的大小所對應,路面高速的行車用高頻率來代表,路面低速的行車用低頻率來代表。利用動態(tài)頻率掃描試驗,來考察瀝青的模量與路面行車速度的關系,可以描述車輪荷載對瀝青路面的影響,以及長達數(shù)十年的自重蠕變荷載對斜坡處道路的影響。在不同溫度下對復合改性煤瀝青D-0、D-1、D-2、D-3和D-4進行動態(tài)頻率掃描,復合改性煤瀝青的動態(tài)剪切模量G*及相位角δ隨頻率變化情況分別如圖3、圖4和圖5所示。

        圖3 復合改性煤瀝青動態(tài)剪切模量G*及相位角δ隨頻率變化(30℃)

        圖4 復合改性煤瀝青動態(tài)剪切模量G*及相位角δ隨頻率變化(45℃)

        圖5 復合改性煤瀝青動態(tài)剪切模量G*及相位角δ隨頻率變化(60℃)

        可以看出,隨著加載頻率的增大,動態(tài)剪切模量G*不斷增加,在低頻區(qū)G*總體變化不大,而在高頻區(qū)G*的增幅急劇增大;隨著加載頻率的增大,相位角δ逐漸減??;這是因為隨著荷載頻率的增大,每次循環(huán)過程所產(chǎn)生的形變中彈性形變成分逐漸增多,瀝青的相位角也隨之降低。試驗溫度從30℃升到60℃過程中,G*隨溫度升高而降低,這是由于溫度升高,瀝青軟化,從而抵抗形變的能力降低。相位角δ隨試驗溫度變化不明顯??傮w來看,復合改性煤瀝青D-4的動態(tài)剪切模量G*高于其他四種復合改性煤瀝青,尤其在高頻區(qū),D-4的G*遠遠大于D-0;在低頻區(qū),特別是溫度為45℃和60℃時,D-1的G*大于其他復合改性煤瀝青。這說明D-4和D-1有較好的抵抗形變的能力。

        2.3 復合改性煤瀝青零剪切粘度分析

        零剪切粘度(Zero Shear Viscosity, ZSV)是剪切速率接近于零時的粘度極限值,由于它對瀝青中的高分子添加劑比較敏感,因此可以用來評價改性瀝青和基質瀝青的高溫性能。在溫度較低或改性瀝青等某些特殊情況下,盡管使用很低的剪切速率,但隨著速率的降低粘度值依然有較大的增長幅度,不能通過圖形外推得到ZSV,可以根據(jù)經(jīng)驗和流變學理論來擬合相關公式得到ZSV,通常使用的流變學模型有Cross模型和Carreau模型。通過加速加載試驗來對比評價高溫性能指標的研究表明[7],與加速加載試驗的車轍相關性最好的是利用Carreau模型模擬得出的零剪切粘度值。同時有關研究也表明通過Carreau模型來擬合動態(tài)頻率掃描數(shù)據(jù)得到的ZSV值與通過蠕變恢復試驗所得的ZSV值結果比較接近[8]。對于一般試驗條件下(例如角頻率的掃描范圍在0.63~630 rad/s之間)得到的粘度η,可假設η0?η?η∞,于是能夠將Carreau模型公式簡化為:

        式中:η為粘度;η0為零剪切粘度ZSV;ω為平衡狀態(tài)的剪切速率;k為具有時間量綱的材料參數(shù);m為無量綱的材料參數(shù)。

        利用簡化后的Carreau模型公式對復合改性煤瀝青的60℃粘度與角頻率的關系進行擬合求解。復合改性煤瀝青復合粘度與角頻率關系如圖6所示,擬合結果如表5所示。

        從圖6、表5可以看出,采用Carreau模型公式

        圖6 復合改性煤瀝青的60℃復合粘度η隨頻率的變化

        表5 復合改性煤瀝青零剪切粘度擬合結果

        來擬合復合改性煤瀝青復合粘度與角頻率的關系相關性較好,相關系數(shù)均在0.95以上。其中,D-3的零剪切粘度ZSV為221.7 Pa·s,D-4的零剪切粘度ZSV為325.5 Pa·s,較其他三種瀝青有較大提高,即瀝青中的粘性成分有所提高,改善了其抗變形能力。

        3 結論

        (1)復合改性煤瀝青的復數(shù)模量G*隨溫度升高而減小,相位角δ隨著溫度的升高而呈增高趨勢。隨著溫度的增高,瀝青的G*/sinδ減小較快,復合改性煤瀝青抗車轍能力順序為:D-4>D-3>D-1>D-2>D-0。

        (2)隨著加載頻率的增大,復合改性煤瀝青動態(tài)剪切模量G*不斷增加,相位角δ隨著加載頻率的增大而逐漸減小,復數(shù)粘度η*呈減小趨勢。D-4較其他四種瀝青有較高的η*,D-4有更好的抗流動變形能力。

        (3)對復合改性煤瀝青的60℃粘度與角頻率的關系進行擬合,相關系數(shù)大于0.95,相關性較好。其中,D-3和D-4的零剪切粘度ZSV較其他三種有較大提高,瀝青中的粘性成分有所提高,改善了瀝青的抗變形能力。

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