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        多聚磷酸復(fù)配SBS改性瀝青老化特性及微觀結(jié)構(gòu)演變

        2022-02-15 08:22:50王永寧高宏剛顏魯春宋尚霖
        關(guān)鍵詞:技術(shù)指標(biāo)官能團(tuán)改性劑

        王永寧,李 波,高宏剛,顏魯春,宋尚霖

        (1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,蘭州 730070,2.甘肅恒路交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司,蘭州 730070,3.甘肅省公路交通建設(shè)集團(tuán)有限公司 西北寒旱區(qū)公路基礎(chǔ)設(shè)施長期性能交通運(yùn)輸行業(yè)野外科學(xué)觀測研究基地,蘭州 730030)

        SBS改性瀝青憑借良好的路用性能被廣泛應(yīng)用于瀝青路面建設(shè)中,但由于制備工藝復(fù)雜、儲(chǔ)存穩(wěn)定性較差、價(jià)格較高而制約了其發(fā)展[1-2].多聚磷酸(poly phosphoric acid,PPA)作為一種廉價(jià)的改性材料,近年來憑借其良好的性能在瀝青材料改性過程中逐漸推廣使用[3-4].

        近年來,國內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)PPA與SBS改性劑的性能優(yōu)勢(shì),采用PPA與SBS復(fù)配的方式對(duì)基質(zhì)瀝青性能進(jìn)行改善提升.李麗平等[5]研究結(jié)果表明,PPA可以使得SBS改性劑在瀝青中更加均勻分布,增強(qiáng)其在瀝青中的交聯(lián)作用;Xiao等[6]發(fā)現(xiàn)PPA的加入可提升SBS改性瀝青的高溫性能;周璐等[7]研究發(fā)現(xiàn)PPA會(huì)降低瀝青的水敏感性,但可改善其黏附性能;Zhang等[8]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)PPA加入SBS改性瀝青中雖對(duì)其低溫性能改善不理想,但對(duì)其高溫性能卻有顯著提升,文獻(xiàn)[9-11]也得出了類似的結(jié)論.然而,瀝青材料在拌和、運(yùn)輸、攤鋪、長期使用過程中極易受到紫外線、溫度、水等因素的影響,進(jìn)而使得瀝青材料老化而導(dǎo)致其路用性能變差,為此,學(xué)者們對(duì)PPA復(fù)配SBS改性瀝青的抗老化性能進(jìn)行了深入研究.Feng等[12]證明PPA的加入可以顯著提升SBS改性瀝青的抗老化性能.

        綜上所述,PPA可改善SBS改性瀝青的高溫、水穩(wěn)定和抗老化等性能,但對(duì)于PPA復(fù)配SBS改性瀝青老化后的微觀機(jī)理研究報(bào)道較少.為此,本文探討了PPA復(fù)配SBS改性瀝青老化后性能變化規(guī)律和微觀結(jié)構(gòu)演化過程,以期為其推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

        1 實(shí)驗(yàn)材料及方案

        1.1 原材料

        1.1.1 基質(zhì)瀝青

        基質(zhì)瀝青主要選用甘肅省常用的SK90#基質(zhì)瀝青,鎮(zhèn)海(ZH)90#基質(zhì)瀝青和西太(XT)90#基質(zhì)瀝青,其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所列.

        表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

        1.1.2 PPA

        多聚磷酸作為廉價(jià)材料,可顯著改善瀝青的高溫性能,本文選用云南天耀化工有限公司提供的工業(yè)級(jí)115%的多聚磷酸,其主要物理性能如表2所列.

        表2 PPA技術(shù)指標(biāo)

        1.1.3 鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)

        DBP作為軟化劑,主要用來改善瀝青的低溫性能,本文選用無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司提供的DBP試劑,主要技術(shù)指標(biāo)如表3所列.

        表3 鄰苯二甲酸二丁酯技術(shù)指標(biāo)

        1.2 實(shí)驗(yàn)安排

        1.2.1 試樣制備

        PPA復(fù)配SBS(PPA/SBS)改性瀝青制備按照文獻(xiàn)[13]進(jìn)行制樣,選擇SBS摻量為3.5%,PPA摻量為0.5%,DBP摻量為1.0%.制備流程如下:1)將基質(zhì)瀝青保持135 ℃的恒溫加熱至牛頓流體狀態(tài),加入設(shè)定摻量的糠醛抽出油并攪拌均勻,2)快速升溫至160 ℃,加入設(shè)定摻量的DBP持續(xù)攪拌均勻,然后快速升溫至175 ℃,加入設(shè)定摻量的SBS改性劑溶脹10 min后,加入設(shè)定摻量的PPA采用高速剪切機(jī)持續(xù)30 min;3)最后加入設(shè)定摻量的穩(wěn)定劑攪拌10 min;4)在175 ℃烘箱發(fā)育2.5 h,得到PPA/SBS改性瀝青成品.

        1.2.2 宏觀性能技術(shù)指標(biāo)

        按照規(guī)范[14]中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測試.

        1.2.3 紅外光譜測試

        采用Thermo Nicolet紅外光譜儀獲取PPA/SBS改性瀝青老化前后的紅外光譜圖譜,掃描范圍為400~4 000 cm-1,掃描32次,最小分辨率為0.019 cm-1.

        2 結(jié)果分析

        2.1 PPA/SBS改性瀝青老化后宏觀性能變化規(guī)律

        PPA/SBS改性瀝青經(jīng)過短期老化(RTFOT)和長期老化(PAV)后宏觀性能(針入度、軟化點(diǎn)、延度和粘度)的變化規(guī)律如圖1所示.

        圖1 PPA/SBS改性瀝青宏觀性能

        由圖1可知,PPA/SBS改性瀝青較SBS改性瀝青高溫性能明顯提升,且低溫性能幾乎保持穩(wěn)定,說明PPA加入可以提升SBS改性瀝青的高溫性能且不會(huì)對(duì)低溫性能產(chǎn)生較大負(fù)面影響.此外,PPA/SBS改性瀝青經(jīng)過老化后,針入度和延度降低,軟化點(diǎn)和粘度增大,這與普通基質(zhì)瀝青變化規(guī)律基本保持一致[15],但其改變程度較SBS改性瀝青更小,說明PPA加入可以提升SBS改性瀝青的抗老化性能.

        2.2 老化方式對(duì)PPA/SBS改性瀝青官能團(tuán)的影響

        PPA/SBS改性瀝青官能團(tuán)老化結(jié)果如圖2所示.

        通過對(duì)圖2進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),SBS改性瀝青RTFOT和PAV老化后,1 030 cm-1,1 700 cm-1處的特征峰均出現(xiàn)不同程度的增大;PPA/SBS改性瀝青RTFOT老化后1 030 cm-1,1 700 cm-1處的特征峰未出現(xiàn)明顯變化,而經(jīng)PAV老化后該處的特征峰卻明顯增大,且增加幅度明顯小于SBS改性瀝青,說明PPA可以顯著改善SBS改性瀝青的抗老化性能,這與2.1得到的結(jié)論一致,進(jìn)一步證實(shí)了PPA的加入可均勻分散SBS改性劑[13,16],進(jìn)而提升其高溫和抗老化性能,與王嵐,王子豪等人研究結(jié)論一致.對(duì)比1 030 cm-1處亞砜基特征峰的變化發(fā)現(xiàn),PPA/SBS改性瀝青經(jīng)過PAV老化較RTFOT老化該處的特征官能團(tuán)明顯增加,這主要是由于在經(jīng)過長期老化后PPA/SBS改性瀝青的輕質(zhì)組分轉(zhuǎn)化為重質(zhì)組分,使得瀝青質(zhì)含量增加,加劇了PPA/SBS改性瀝青老化.

        圖2 PPA/SBS改性瀝青官能團(tuán)

        2.3 PPA/SBS改性瀝青老化后微觀結(jié)構(gòu)演變過程

        為進(jìn)一步驗(yàn)證PPA/SBS改性瀝青老化后微觀結(jié)構(gòu)演變過程,采用AFM對(duì)其進(jìn)行二維形貌獲取,結(jié)果如圖3所示.

        圖3 PPA/SBS改性瀝青二維形貌

        PPA/SBS改性瀝青經(jīng)過短期老化后,“蜂狀”結(jié)構(gòu)增多,而長期老化之后,PPA/SBS改性瀝青“蜂狀”基本結(jié)構(gòu)消失,且出現(xiàn)大量的明亮斑點(diǎn).說明PPA/SBS改性瀝青短期老化后瀝青質(zhì)增加,宏觀表現(xiàn)為高溫性能改善,粘度增加,這與圖1分析結(jié)果相同.從形貌圖上看,相比未老化PPA/SBS改性瀝青,RTFOT和PAV老化后其“蜂狀”結(jié)構(gòu)變長變細(xì),這與Allen[17]和Wu[18]的試驗(yàn)結(jié)果類似,可能是由于老化后瀝青中輕質(zhì)組分減少所致[19].

        3 結(jié)論

        1)PPA/SBS改性瀝青的低溫性能略低于SBS改性瀝青,但其高溫卻顯著提升.

        2)老化對(duì)SBS改性瀝青性能的影響較PPA/SBS改性瀝青更顯著.

        3)PPA的加入可使得SBS改性劑在瀝青中更加細(xì)小均勻分散,RTFOT老化對(duì)PPA/SBS改性瀝青性能幾乎無影響,但PAV老化使得其“C=C”和“S=S”被氧化導(dǎo)致發(fā)生老化.

        4)PPA/SBS改性瀝青短期老化后“蜂狀”結(jié)構(gòu)增多,長期老化后消失且出現(xiàn)團(tuán)聚.

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