王洪偉
(武漢市市政建設集團,武漢 430023)
近年來,由于瀝青路面道路預防性養(yǎng)護低成本、高效率,其應用日益廣泛,超薄磨耗層作為一種預防性養(yǎng)護措施也引起了業(yè)界較高重視。超薄磨耗層具有厚度薄、受力頻繁、環(huán)境溫度變化大的特點[1],其瀝青混合料必須具有較高的高溫抗變形能力與低溫抗裂性能,否則較易發(fā)生夏季高溫車轍與冬季低溫開裂。目前超薄磨耗層所使用的高粘改性瀝青通常僅關注軟化點與60 ℃粘度指標,忽略了瀝青的低溫柔韌性,使得瀝青混合料在鋪設后的路用性能得不到有效保證。因此該文提出了一種全新的高粘高韌復合改性瀝青的制備方法,制備出60 ℃動力粘度大于70萬Pa·s,軟化點在90 ℃以上,5 ℃低溫延度大于40 cm,25 ℃彈性恢復超過95%的復合改性瀝青。此復合改性瀝青具備較好的粘結性能,用于膠結料時,能使超薄磨耗層混合料的高溫抗車轍能力、低溫抗裂能力以及抗水損害能力大幅提高。
基質瀝青:選用廈門新立基公司生產(chǎn)的B級道路石油瀝青。改性劑:采用LG化學公司生產(chǎn)的星型SBS411作為基準改性劑。增粘劑:采用東莞捷榮公司代理的進口聚異戊二烯基共聚物(簡稱BBA)作為增粘劑。增韌劑:采用山東齊魯石化公司生產(chǎn)的鄰苯二甲酸二辛酯作為增韌劑。相容劑:采用上海高橋石化公司生產(chǎn)的糠醛抽出油作為相容劑。
1)高粘高韌復合改性瀝青配比:SBS、增粘劑、增韌劑等改性劑均會對復合改性瀝青的軟化點、針入度、延度及60 ℃動力粘度等指標產(chǎn)生一定的影響。為了準確預測各種改性劑混摻之后改性瀝青性能可能發(fā)生的變化,前期研究采用工程實踐中常用的正交實驗設計方法來進行試驗設計,通過科學合理的代數(shù)計算和 數(shù)理模型,得出超粘高韌性復合改性瀝青的最佳配方為:SBS摻量4%、增粘劑8%、增韌劑摻量2%。
2)高粘高韌復合改性瀝青制備:將 SBS(相容劑預處理后)和增粘劑加入到熔融的基質瀝青中,在150 ℃的恒溫下機械攪拌30 min,得到混合物 A; 將混合物 A 置于剪切機下進行剪切,剪切溫度為180 ℃,先在2 000 r/min的轉速下剪切15 min,再將增韌劑緩慢勻速加入到瀝青混合物中,將剪切機轉速調整為6 000 r/min剪切1 h,期間保持剪切溫度為180 ℃不變,得到混合物B; 然后將混合物B置于160 ℃的烘箱中保溫發(fā)育2 h,即得到復合改性瀝青。同時將基質瀝青僅加入SBS(相容劑預處理后)并經(jīng)過機械攪拌、低速剪切、高速剪切的SBS改性瀝青,與基質瀝青作為對比樣。
3)所有瀝青的測試方法均參照《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)執(zhí)行。
SBS分為線型和星型兩種分子構型,線型SBS的分子量較低,與瀝青的相容性更好,所以目前的SBS改性瀝青主要采用線型SBS;星型SBS的分子量大,與瀝青的相容性較差,但其對瀝青的綜合性能提升更為明顯。因此,該文選用星型SBS來進行瀝青的改性工作,為了解決相容困難的問題,提出將星型SBS進行預處理,即將星型SBS浸泡在相容劑中,使得SBS的苯乙烯微區(qū)發(fā)生溶脹[2],與瀝青的相容性得到提高。
該文所用瀝青增粘劑為BBA,它是一種新型的彈性體共聚物,它的組成與SBS類似,是由異戊二烯與其它小分子加聚而成,其分子式如圖1所示。
由圖1可知,BBA分子的支鏈上含有甲基與馬來酸單甲酯官能團,甲基官能團的性質較為穩(wěn)定,一般較難發(fā)生化學反應。而此馬來酸單甲酯官能團在高溫時穩(wěn)定性較差,其羧基(COOH)中的—OH鍵易發(fā)生斷裂,形成不飽和的羧酸根,這一不飽和化學鍵會與瀝青中的醇類物質結合,發(fā)生酯化反應,形成新的酯基官能團。與此同時,由于BBA的主鏈為異戊二烯小分子加聚而成,其組成結構與SBS相類似,在機械剪切作用下,SBS與BBA的大分子鏈都會斷裂為小分子鏈,所以當改性結束溫度降低時,由于能量最小原理,這些小分子鏈會發(fā)生無差別的聚合交聯(lián)反應,形成較為穩(wěn)定的高分子聚合物體系。這一過程也使得SBS從簡單的物理共混,變成了以BBA分子為“橋梁”,與瀝青分子連接在一起的化學結合形式[3]。由于BBA中只有帶官能團的異戊二烯分子鏈與瀝青發(fā)生酯化反應,因此可以預見到,改性瀝青中BBA的摻量應要多于SBS。化學鍵的生成,使得分子之間約束力增加,即瀝青與改性劑分子之間的內摩阻力增加,同時抵抗應力應變的性能增加,所以改性瀝青的粘韌性能均得到顯著改善。
該文選定的改性瀝青增韌劑為鄰苯二甲酸二辛酯,它是一種無色透明的液體材料。在瀝青改性時容易均勻分布其中;此外,鄰苯二甲酸二辛酯的化學性質較為穩(wěn)定,一般不與SBS和聚異戊二烯基共聚物發(fā)生化學反應,所以,鄰苯二甲酸二辛酯是制備復合改性瀝青較為理想的增韌材料。
對制備所得高粘高韌復合改性瀝青、對比樣SBS改性瀝青進行性能檢測,測試結果如表1所示。
表1 瀝青測試結果
由表1可以看出,相較于基質瀝青,SBS改性瀝青與高粘高韌復合改性瀝青的針入度均有所下降;針入度指數(shù)有所提高,高粘高韌瀝青針入度指數(shù)為1.1,其溫度敏感性最低。SBS改性瀝青、高粘高韌復合改性瀝青的軟化點分別比基質瀝青軟化點提高35.8%、97.9%;高粘高韌復合改性瀝60 ℃動力粘度達75.1萬Pa·s,其高溫抗變形能力較高。高粘高韌復合改性瀝青5 ℃延度比SBS改性瀝青高115.7%,具有更好的低溫延展變形能力。綜合來看,所制備的高粘高韌改性瀝青具備良好的高溫性能、粘彈性能以及低溫柔韌性,是一種性能優(yōu)異的復合改性瀝青。
粘彈性材料都具有粘彈性隨溫度的不同而發(fā)生變化的特點,瀝青作為一種典型的粘彈性材料,常規(guī)的如軟化點、60 ℃動力粘度等測試手段很難準確反應它的高溫流變性質,所以該文采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)來測試基質瀝青、SBS改性瀝青、高粘高韌性復合改性瀝青原樣及TFOT老化后的動態(tài)復數(shù)剪切模量G*和相位角δ,并計算車轍因子G*/sinδ,來評價改性瀝青的高溫流變性能[4],測試及計算結果如圖2、圖3、圖4所示。
G*可以反映材料在重復剪切時總阻力的度量,由圖2可以看到,原樣高粘高韌復合改性瀝青剪切G*大于基質瀝青、SBS改性瀝青。TFOT后基質瀝青、SBS改性瀝青G*較原樣瀝青有所提高,SBS改性瀝青TFOT后G*提升幅度小于基質瀝青,而高粘高韌復合改性瀝青TFOT后G*幾乎沒有提高。分析其原因是因為,基質瀝青經(jīng)過TFOT老化后,基質瀝青中輕質組分比例減少、瀝青質及膠質比例增加,增加了瀝青的稠度,從而提高了G*;加入SBS改性劑后瀝青的流變性能彈性特征增加,因而G*有所提高,且瀝青流變性能的改變對G*的影響大于TFOT老化對瀝青稠度的影響;而高粘高韌復合改性瀝青相較于基質瀝青、SBS改性瀝青,其在>60 ℃的高溫區(qū)間粘度更大,剪切總阻力較大而使得G*大幅度提高;高粘高韌復合改性瀝青在TFOT老化后其瀝青膜厚度較厚,瀝青無法充分老化,因而原樣與TFOT老化后G*無明顯變化。
δ可以反映粘彈性材料在受剪切作用時,更多呈現(xiàn)出粘性還是彈性的特征。由圖3可以看到,基質瀝青、SBS改性瀝青δ隨著溫度的升高而明顯增加,增加幅度越來越小,在>80 ℃高溫溫度區(qū)間趨于穩(wěn)定;TFOT老化后兩種瀝青δ小幅度下降。而高粘高韌復合改性瀝青,其原樣與TFOT老化后的瀝青在60~80 ℃溫度區(qū)間,δ均<50°且隨溫度增加無明顯變化趨勢,這說明高粘高韌復合改性瀝青在此溫度區(qū)間流變性能呈明顯的彈性特征,在受到外力作用時具有更好的形變恢復能力。
以原樣瀝青車轍因子(G*/sinδ)>1.0 kPa且TFOT老化后瀝青車轍因子>2.2 kPa作為瀝青高溫分級的判斷依據(jù),基質瀝青屬于64 ℃級,SBS改性瀝青為70 ℃級,高粘高韌復合改性瀝青的高溫分級溫度>88 ℃,在中國自然環(huán)境溫度范圍內,高粘高韌復合改性瀝青膠結料具有較好的高溫抗車轍能力,用于超薄磨耗層時可以有效防止夏季高溫環(huán)境下行車載荷導致的車轍產(chǎn)生。
超薄磨耗層與常規(guī)瀝青結構面層相比厚度較薄,因此對于膠結料低溫延展抗裂性能有更高的要求。常規(guī)的延度測試也很難準確反應改性瀝青膠結料的低溫流變性能,為綜合評價改性瀝青的低溫性能[5],采用彎曲梁流變儀(BBR)來測試瀝青在低溫條件下的彎曲蠕變勁度模量(S)和勁度變化率(m),以此兩個參數(shù)來共同評價改性瀝青的低溫性能,測試結果如表2所示。
表2 改性瀝青BBR測試結果
由表2可知,在相同的溫度下,與普通基質瀝青、SBS改性瀝青相比,超粘高韌性復合改性瀝青的蠕變彎曲勁度模量(S)值較低,蠕變速率(m)的值較高。在相同的較低溫度下,復合改性瀝青呈現(xiàn)出更好的彈性。隨著溫度的降低,三種瀝青蠕變彎曲勁度模量(S)值增加,復合改性瀝青增加幅度最小,SBS改性瀝青次之;蠕變速率(m)值降低,復合改性瀝青降低幅度最小,SBS改性瀝青次之。這說明隨著溫度降低,復合改性瀝青溫度敏感性更低,且能夠在更低的溫度下保持彈性。以S值<300 MPa、m值>0.3作為分級依據(jù),基質瀝青低溫分級為-12 ℃,SBS改性瀝青低溫分級為-18 ℃,而復合改性瀝青低溫分級為-24 ℃。這說明復合改性瀝青在低溫時具備更好的低溫柔韌性和抗裂性。
a.結合瀝青改性機理優(yōu)選了合適的改性劑,采用 4%SBS(相容劑預處理)+8%BBA增粘劑+2%鄰苯二甲酸二辛酯增韌劑制備出了高粘高韌復合改性瀝青,其軟化點為 94 ℃,60 ℃動力粘度為75.1萬 Pa·s,5 ℃延度為 48.1 cm。
b.所制備高粘高韌復合改性瀝青在60~80 ℃溫度區(qū)間呈明顯的彈性特征,在我國自然環(huán)境下可以有效防止高溫車轍的產(chǎn)生;該瀝青可在-24 ℃以上溫度范圍內保持彈性與柔性。
c.所制備復合改性瀝青具有優(yōu)異的高、低溫流變性能,適宜作為超薄磨耗層混合料所用的瀝青膠結料,應開展進一步深入研究后進行實際工程驗證。