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        環(huán)烷油對(duì)苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改性瀝青低溫性能的影響*

        2022-05-11 08:52:10王楓成朱建平周建楠高立波張茁峰金塬上吳玉輝
        彈性體 2022年1期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)模型

        王楓成,朱建平,孫 培,周建楠,高立波,張茁峰,金塬上,吳玉輝

        (1.遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110015;2.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽(yáng) 110015)

        目前道路用改性瀝青種類(lèi)眾多,其中苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青因其良好的物理性能在道路工程中被廣泛應(yīng)用[1]。根據(jù)研究表明,SBS改性瀝青的低溫性能直接影響其瀝青混合料路面低溫開(kāi)裂[2]。黃衛(wèi)東等[3]認(rèn)為采用彎曲梁流變實(shí)驗(yàn)(BBR)結(jié)果可有效地評(píng)價(jià)SBS改性瀝青低溫性能;王嵐等[4]研究表明,SBS改性瀝青是影響其混合料低溫性能的主要因素。此外,近年來(lái)相關(guān)學(xué)者更著重于采用SBS與其他改性劑復(fù)配方法改善其低溫性能,取得了良好的效果[5-6]。

        由于SBS改性劑主要溶于瀝青中的輕質(zhì)油分中,因此溶脹效果決定了其改性瀝青的物理性能。而環(huán)烷油是從環(huán)烷基原油中提煉出來(lái)以環(huán)烷烴為主要成分的石油餾分,具有低傾點(diǎn)、高密度、高黏度、無(wú)毒副作用等特點(diǎn),由于在橡膠中有較好的溶解能力,可作為SBS、丁苯橡膠(SBR)等熱塑性彈性體及其膠黏劑的操作油或軟化劑,是橡膠制品的理想助劑[7-8]。已有研究主要體現(xiàn)在環(huán)烷油改善瀝青溫拌及高溫性能方面[9-10],很少涉及環(huán)烷油對(duì)SBS改性瀝青低溫性能影響以及影響機(jī)理等方面研究。本文針對(duì)5種瀝青樣品,進(jìn)行瀝青基本指標(biāo)實(shí)驗(yàn),分析環(huán)烷油摻量對(duì)于瀝青基本指標(biāo)的影響。通過(guò)彎曲梁流變儀進(jìn)行瀝青低溫實(shí)驗(yàn),分析不同摻量及溫度條件下環(huán)烷油對(duì)瀝青低溫性能改善程度,明確其使用的溫度范圍;通過(guò)勁度模量變化率/勁度模量(m/S)、松弛時(shí)間、耗散能比等指標(biāo)分析環(huán)烷油對(duì)于瀝青低溫性能的變化規(guī)律及作用機(jī)理。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 原料

        SBS改性瀝青:遼寧寶來(lái)生物能源有限公司,基本指標(biāo)見(jiàn)表1;環(huán)烷油:牌號(hào)KN4010,廣州市凱燕石油化工有限公司,外觀無(wú)色透明,指標(biāo)見(jiàn)表2。

        表1 SBS改性瀝青指標(biāo)

        表2 環(huán)烷油指標(biāo)

        1.2 儀器及設(shè)備

        懸臂式攪拌器:SN-JJ-1,上海尚普儀器有限公司;SYD-2801I針入度自動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀、SYD-2806H全自動(dòng)瀝青軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)器、SYD-4508C瀝青延度實(shí)驗(yàn)器:上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司;彎曲梁流變儀:TE-BBR-F,美國(guó)Connon公司。

        1.3 制備工藝

        不同摻量環(huán)烷油SBS改性瀝青(下文簡(jiǎn)稱(chēng)瀝青)制備方法如下:將SBS改性瀝青加熱到170~180 ℃,加入0%、2%、3%、4%、5%(與SBS改性瀝青質(zhì)量比,下同)的環(huán)烷油,采用攪拌器進(jìn)行高速攪拌,轉(zhuǎn)速為600~800 r/min,并且保持溫度在160~170 ℃下,攪拌45 min后即可制得相應(yīng)實(shí)驗(yàn)樣品。

        1.4 性能測(cè)試

        (1) 針入度實(shí)驗(yàn)按照J(rèn)TG E20-2011進(jìn)行測(cè)試,在實(shí)驗(yàn)溫度25 ℃條件下保溫1.5 h,以5 s內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)圓錐體(100±0.05 g)垂直穿入瀝青樣品的深度,即為針入度。

        (2) 軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)按照J(rèn)TG E20-2011進(jìn)行測(cè)試,瀝青樣品放置在規(guī)定尺寸的金屬環(huán)內(nèi),上置規(guī)定尺寸和質(zhì)量的鋼球,在5 ℃水中恒溫保持15 min,并以(5±0.5)℃/min勻速加熱,至鋼球下沉達(dá)到規(guī)定距離(25.4 mm)時(shí)的溫度。

        (3) 延度實(shí)驗(yàn)按照J(rèn)TG E20-2011進(jìn)行測(cè)試,將瀝青樣品做成8字型標(biāo)準(zhǔn)試件,在實(shí)驗(yàn)溫度5 ℃條件下保溫1.5 h,以50 mm/min的速度拉伸至斷裂時(shí)的長(zhǎng)度,即為延度。

        (4)BBR按照J(rèn)TG E20-2011進(jìn)行測(cè)試,將瀝青樣品制成12.7 mm×6.35 mm×127 mm的小梁試件,在實(shí)驗(yàn)溫度為-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃條件下,采用彎曲梁流變儀,保持實(shí)驗(yàn)荷載在(980±50)mN范圍內(nèi),通過(guò)進(jìn)行到60 s時(shí)獲得的勁度模量(S)和勁度模量變化率(m),表征瀝青抗低溫開(kāi)裂性能。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 瀝青基本性能指標(biāo)

        不同摻量環(huán)烷油瀝青的基本性能指標(biāo)如圖1所示。由圖1可知,隨著環(huán)烷油摻量增大,瀝青針入度提高,軟化點(diǎn)降低,這是由于SBS改性劑在瀝青輕組分中發(fā)生溶脹形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),SBS改性劑為溶質(zhì),輕質(zhì)油分為溶劑,隨著環(huán)烷油摻量增加,溶劑比例增大對(duì)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)起到負(fù)面影響,導(dǎo)致瀝青變軟,抗變形能力降低;瀝青延度指標(biāo)隨著環(huán)烷油摻量增大有明顯提高,表明環(huán)烷油可以提高瀝青塑性,其原因是環(huán)烷油結(jié)構(gòu)為飽和環(huán)狀碳鏈,環(huán)上通常還會(huì)與飽和支鏈相連,并兼具芳香烴類(lèi)和直鏈烴的部分性質(zhì),導(dǎo)致瀝青延度提升。由于延度(5 ℃)是表征瀝青低溫性能的指標(biāo)之一,表明環(huán)烷油的加入可明顯改善其低溫性能,但對(duì)于0 ℃以下瀝青性能的影響需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

        w(環(huán)烷油)/%(a)針入度

        2.2 瀝青低溫性能

        不同摻量環(huán)烷油瀝青的BBR實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

        (a) 勁度模量

        由圖2可知,隨著實(shí)驗(yàn)溫度下降,瀝青S值增加,m值降低;在不同溫度條件下,隨著環(huán)烷油摻量提高,S值均降低,其作用機(jī)理可以通過(guò)自由體積理論[11]解釋?zhuān)壕酆衔镏写嬖谀芴峁┓肿蛹捌滏湺芜\(yùn)動(dòng)空間的自由體積,但隨著溫度降低,自由體積收縮,限制了其分子運(yùn)動(dòng);由于增加分子末端功能基的數(shù)目有利于自由體積擴(kuò)大,而環(huán)烷油的相對(duì)分子質(zhì)量小于SBS改性瀝青,因此可增加末端功能基的數(shù)目,所以分子的自由體積增大,S值降低。但降幅隨著溫度下降而減少,其中在-12 ℃時(shí)降幅在13%~41%,-18 ℃時(shí)為11%~36%,即在-12 ℃和-18 ℃時(shí)瀝青S值隨著環(huán)烷油摻量的增加明顯下降;-24 ℃時(shí)為1%~7%,可見(jiàn)在-24 ℃時(shí)環(huán)烷油摻量對(duì)于降低瀝青S值的作用不明顯,具體表現(xiàn)為隨著環(huán)烷油摻量提高,各瀝青之間S值差異減小,表明隨著使用溫度降低,環(huán)烷油的摻量對(duì)于降低瀝青S值的能力進(jìn)一步減弱。

        AASHTO[12]的研究認(rèn)為S值越小,低溫柔性越好,m值越大,瀝青的應(yīng)力松弛性能越優(yōu)異,抗裂性能越好。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)異常點(diǎn),例如-24 ℃時(shí)環(huán)烷油摻量為2%和4%的瀝青僅憑S值和m值很難做出準(zhǔn)確的性能評(píng)價(jià),對(duì)此Liu等[13]提出采用60 s時(shí)的m/S比值作為評(píng)判依據(jù),且認(rèn)為其比值大則瀝青低溫性能好。由圖3可以看出,在-12 ℃時(shí),隨著環(huán)烷油摻量提高,瀝青m/S值明顯增大,表明在此溫度條件下?lián)饺氕h(huán)烷油可以改善瀝青的低溫性能,并且隨著摻量的增加,效果更明顯;在-18 ℃時(shí),雖然隨著環(huán)烷油摻量提高,瀝青m/S值增大,但增幅明顯減小,表明在此溫度條件下環(huán)烷油對(duì)于瀝青低溫性能的改善作用減弱;在-24 ℃時(shí),環(huán)烷油的摻量對(duì)m/S的影響非常小,這是由于環(huán)烷油的傾點(diǎn)為-22 ℃,環(huán)烷油流動(dòng)性隨著溫度降低而減弱,導(dǎo)致其在傾點(diǎn)以下(如-24 ℃時(shí))對(duì)瀝青的低溫性能改善作用有限。

        w(環(huán)烷油)/%

        3 瀝青Burgers模型分析

        瀝青是一種典型的黏彈性材料,在高溫及恒定的應(yīng)力條件下,其應(yīng)變隨時(shí)間變化。目前表征材料黏彈性特征的力學(xué)模型眾多,其中Burgers模型因可良好地反映瀝青形變過(guò)程而應(yīng)用廣泛[14]。Burgers模型的一維微分本構(gòu)方程,見(jiàn)公式(1)和式(2),其中的四個(gè)主要力學(xué)參數(shù)有E1、η1、E2、η2。

        (1)

        蠕變時(shí)施加應(yīng)力σ0,則總的應(yīng)變?yōu)镸axwell模型與Kelvin模型的應(yīng)變之和,Burgers模型蠕變方程為式(2)。

        (2)

        式中:σ0為恒應(yīng)力,即蠕變荷載,MPa;E1為Maxwell模型中的彈性模量,MPa;η1為Kelvin模型中的黏性系數(shù),MPa·s;E2為Kelvin模型中的彈性模量,MPa;η2為Maxwell模型中的黏性系數(shù),MPa·s;t為蠕變時(shí)間,即加載時(shí)間,s。

        采用BBR得到的結(jié)果,通過(guò)Burgers模型進(jìn)行非線性擬合,得到模型4個(gè)參數(shù)(E1、η1、E2、η2),見(jiàn)表3。

        表3 不同溫度條件下瀝青Burgers模型擬合值

        1)λ為松弛時(shí)間,λ=η1/E1。

        3.1 瀝青松弛時(shí)間

        λ是材料中應(yīng)力隨時(shí)間變化的一種度量,λ越長(zhǎng),材料則更顯彈性,應(yīng)力松弛速率越低,對(duì)快速消散應(yīng)力越不利[15],不同溫度條件下瀝青的λ見(jiàn)圖4。

        由圖4可知,隨著實(shí)驗(yàn)溫度下降,瀝青的λ增大,表明降溫可使瀝青材料應(yīng)力松弛能力減弱,不利于應(yīng)力消散,導(dǎo)致其變形能力下降。這是由于溫度的降低阻礙了聚合物分子熱運(yùn)動(dòng),使其內(nèi)摩擦力增大,且隨著溫度的降低,瀝青彈性增強(qiáng)及能量消散能力降低,均導(dǎo)致瀝青應(yīng)力松弛緩慢,延長(zhǎng)了不平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變到平衡狀態(tài)過(guò)程的時(shí)間,即λ增大。對(duì)于SBS改性瀝青而言(環(huán)烷油摻量為0%時(shí)),隨著溫度降低瀝青材料中的彈性成分增大,黏性(塑性)成分減少,導(dǎo)致材料分子鏈?zhǔn)艿降膬?nèi)摩擦力增大,減緩其應(yīng)力松弛能力,λ提高。加入環(huán)烷油后,λ隨著環(huán)烷油摻量增大進(jìn)一步降低,主要是因?yàn)榄h(huán)烷油降低了瀝青材料中的彈性成分比重,導(dǎo)致材料分子鏈?zhǔn)艿絻?nèi)摩擦力減小,延長(zhǎng)內(nèi)應(yīng)力降低時(shí)間,使材料應(yīng)力松弛更容易。在-12 ℃、-18 ℃條件下,環(huán)烷油摻量對(duì)減緩瀝青松弛時(shí)間效果顯著,其中在-12 ℃條件下,隨著環(huán)烷油摻量增加,瀝青松弛時(shí)間降幅范圍為10%~47%,在-18 ℃條件下降幅范圍為20%~49%,但在-24 ℃條件下降幅最高為6%,改善效果不明顯。

        圖4 不同溫度條件下瀝青松弛時(shí)間

        3.2 瀝青存儲(chǔ)能與消散能

        由于能量消散能力降低可以導(dǎo)致瀝青低溫性能變差,因此通過(guò)瀝青材料中能量的存儲(chǔ)與消耗可以分析其低溫性能的優(yōu)劣。采用表3中Burgers模型的4個(gè)參數(shù)和時(shí)間,通過(guò)式(3)和式(4)得到存儲(chǔ)能和消散能,進(jìn)而反映瀝青材料的能量存儲(chǔ)與消耗的能力。

        (3)

        (4)

        式中:Ws(t)為存儲(chǔ)能,MPa;Wd(t)為消散能,MPa;σ1為跨中應(yīng)力,MPa。

        耗散能比是反映材料應(yīng)力松弛能力的參數(shù),是耗散能與儲(chǔ)存能的比值,即Wd(t)/Ws(t)。對(duì)于瀝青低溫性能,耗散能比越大,瀝青低溫性能好。采用t=60 s的存儲(chǔ)能與消耗能分析耗散能比,結(jié)果見(jiàn)表4。

        表4 不同溫度條件下瀝青的存儲(chǔ)能與消耗能

        由圖5可知,隨著實(shí)驗(yàn)溫度降低,不同環(huán)烷油摻量的瀝青耗散能比均降低。

        w(環(huán)烷油)/%

        這是由于隨著溫度降低,瀝青中彈性部分比例增大,消散應(yīng)力的能力減弱,而存儲(chǔ)應(yīng)力的能力提高,在外加荷載持續(xù)作用下,瀝青中的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿哪芰ο陆?,?dǎo)致耗散能比持續(xù)降低;隨著環(huán)烷油摻量增加,瀝青耗散能比總體呈上升趨勢(shì),表明環(huán)烷油可以提高瀝青低溫能量消散能力,延緩瀝青低溫開(kāi)裂。在-12 ℃時(shí),環(huán)烷油摻量對(duì)于瀝青耗散能比影響顯著;但隨著溫度的降低,環(huán)烷油摻量對(duì)于瀝青耗散能比影響變差,尤其在-24 ℃時(shí),環(huán)烷油對(duì)于瀝青耗散能比幾乎沒(méi)有影響,表明瀝青中彈性部分比例隨著溫度的降低而增大,當(dāng)瀝青力學(xué)性能接近于彈性體時(shí),環(huán)烷油對(duì)瀝青低溫性能不起改善作用。

        4 結(jié) 論

        (1) 環(huán)烷油的加入使瀝青變軟,抗變形能力降低以及塑性提高,即隨著環(huán)烷油摻量提高,瀝青針入度和延度指標(biāo)均提高,軟化點(diǎn)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

        (2)僅采用S值或m值并不能很好地評(píng)價(jià)其低溫性能;采用m/S可明顯區(qū)分不同溫度條件下環(huán)烷油摻量對(duì)于瀝青性能改善程度,且隨著溫度降低,其改善程度明顯下降。

        (3) 根據(jù)Burgers模型參數(shù)擬合松弛時(shí)間和耗散能比指標(biāo),通過(guò)應(yīng)力松弛及能量消散等方法分析不同溫度條件下環(huán)烷油摻量對(duì)于瀝青性能影響機(jī)理可知,加入環(huán)烷油可以提高瀝青應(yīng)力松弛及能量消散能力,延緩低溫開(kāi)裂;隨著溫度持續(xù)下降,環(huán)烷油改善程度降低,當(dāng)瀝青力學(xué)性能接近于彈性體時(shí),環(huán)烷油對(duì)瀝青低溫性能起不到改善作用。

        (4) 總體上環(huán)烷油可改善SBS改性瀝青的低溫性能,改善程度隨著摻量的增加而增大,但隨著實(shí)驗(yàn)溫度的降低而減小,且不同環(huán)烷油摻量的瀝青低溫性能差異性也減少。綜合考慮,當(dāng)環(huán)烷油的摻量為瀝青質(zhì)量的2%~3%時(shí),低溫性能最佳。

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