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        不同改性瀝青高低溫性能研究

        2023-01-18 04:36:34賢有汞侯劍楠
        西部交通科技 2022年11期
        關(guān)鍵詞:延度改性劑車轍

        賢有汞,侯劍楠

        (1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

        0 引言

        高溫變形破壞與低溫車轍損壞是瀝青路面的主要病害類型,其不僅會顯著降低瀝青路面的服務(wù)性能和使用壽命,也會嚴(yán)重影響道路行車安全,而改性瀝青可有效提升瀝青路面的路用性能,減少瀝青路面的病害。其中,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青在我國運(yùn)用最為廣泛,其可顯著改善瀝青及瀝青混合料的高溫性能,也可在一定程度上提高瀝青低溫性能,但由于其價格高昂未能得到進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用。同時,其他常用的改性劑還包括多聚磷酸(PPA)及特立尼達(dá)湖瀝青(TLA)。PPA作為一種化學(xué)改性劑,價格低廉、加工簡易方便,但其一般僅作為改善瀝青高溫性能的改性劑[1]。TLA與基質(zhì)瀝青成分類似,從而與瀝青具有良好的相容性,TLA的添加不存在離析,且無須復(fù)雜的加工,簡單攪拌即可完成[2],因此TLA在市場上也具有一定的應(yīng)用規(guī)模。

        目前,大量研究人員針對不同改性劑的改性效果及機(jī)理展開了廣泛研究[3-5],但關(guān)于不同改性劑對瀝青改性效果的對比研究較少,為此,本文展開SBS改性瀝青及兩種常用的PPA改性瀝青和TLA改性瀝青的高低溫性能對比研究,尋求最優(yōu)瀝青改性方案,以期指導(dǎo)相關(guān)工程項(xiàng)目應(yīng)用。

        1 原材料及試驗(yàn)方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        (1)基質(zhì)瀝青:選取某90#基質(zhì)瀝青,其相關(guān)性能參數(shù)滿足《公路瀝青施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求,相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

        (2)改性劑:苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性劑選用河北某石化廠的SBS4303顆粒;多聚磷酸(PPA)改性劑選用上海某化工試劑廠生產(chǎn)的110%多聚磷酸;所選用的特立尼達(dá)湖瀝青(TLA)各項(xiàng)基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)如表2所示。

        表1 90#基質(zhì)瀝青各項(xiàng)指標(biāo)檢測結(jié)果表

        表2 特立尼達(dá)湖瀝青(TLA)各項(xiàng)指標(biāo)檢測結(jié)果表

        1.2 改性瀝青的制備

        (1)SBS改性瀝青:SBS改性瀝青采用高速剪切機(jī)制備,制備流程如下頁圖1所示。先分別將基質(zhì)瀝青與SBS改性劑置于150 ℃及50 ℃的烘箱中脫水烘干,然后將按摻配比例稱量好的SBS改性劑投入基質(zhì)瀝青中,并保持溫度為140 ℃~150 ℃,攪拌20 min后置于160 ℃烘箱中進(jìn)行溶脹;然后采用高速剪切機(jī)剪切20 min,使SBS改性劑得到充分分散,控制剪切速率為5 000 r/min,剪切溫度為170 ℃;剪切完成后再放入160 ℃的恒溫烘箱中發(fā)育制得成品SBS改性瀝青。本研究SBS改性瀝青預(yù)設(shè)3%、4%、5%三種SBS改性劑摻量。

        圖1 SBS改性瀝青制備工藝流程圖

        (2)TLA改性瀝青制備:TLA瀝青為高密度、高灰分含量改性劑,分別將基質(zhì)瀝青與TLA瀝青加熱融化,然后先將基質(zhì)瀝青置于改性用容器中,再將TLA瀝青按摻配比例倒入基質(zhì)瀝青中,在170 ℃條件下采用高速剪切機(jī)剪切30 min,剪切速率控制為3 500 r/min,最后放入150 ℃的烘箱中保溫30 min排出氣泡。本研究按10%、20%、30%三種摻量制備TLA改性瀝青。

        (3)PPA改性瀝青制備:先將基質(zhì)瀝青在150 ℃的烘箱中均勻加熱脫水,然后按摻配比例稱量PPA改性劑投入瀝青中,采用高速剪切機(jī)以4 500 r/min剪切速率分散,剪切溫度為170 ℃,剪切時間為30 min,最后將改性瀝青置于180 ℃的烘箱中溶脹發(fā)育1 h。本研究按0.5%、1%、1.5%三種摻量制備PPA改性瀝青。

        1.3 試驗(yàn)方法

        1.3.1 常規(guī)性能試驗(yàn)

        依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T0604-2011、T0606-2011、T0605-2011試驗(yàn)方法,分別檢測不同改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度。

        1.3.2 DSR評價試驗(yàn)

        (1)采用動態(tài)剪切流變試驗(yàn)(DSR)進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn),測定改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ,依據(jù)SHRP提出的抗車轍因子G*/sinδ來表征瀝青抵抗高溫車轍變形的能力。復(fù)數(shù)剪切模量G*是材料的最大剪切應(yīng)力與最大剪切應(yīng)變之比,表征材料在重復(fù)剪切荷載作用下變形總阻力的度量參數(shù),相位角δ表征材料的粘彈性特征,δ越小說明材料粘彈性越強(qiáng)。

        (2)多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)采用“加載-卸載”的模式在DSR上進(jìn)行,選用3.2 kPa的蠕變應(yīng)力在64 ℃的溫度條件下對多種改性瀝青進(jìn)行測試,以平均應(yīng)變恢復(fù)率R評價其高溫抗變形能力。

        2 高溫性能

        2.1 基于常規(guī)試驗(yàn)的高溫性能研究

        對不同摻量下的SBS改性瀝青、PPA改性瀝青和TLA改性瀝青進(jìn)行針入度和軟化點(diǎn)試驗(yàn),結(jié)果如圖2所示。

        (1)SBS、PPA、TLA均可有效改善瀝青的高溫性能,其中SBS的改性效果最佳。與原基質(zhì)瀝青相比,SBS、PPA、TLA改性瀝青的針入度均顯著下降,軟化點(diǎn)有所提升,其中SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)值最大,達(dá)到73.8 ℃,提升幅度超過50%。

        圖2 不同改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)對比柱狀圖

        (2)TLA對于瀝青的高溫性能改性效果良好,隨著摻量的增加,高溫性能逐漸增強(qiáng),且TLA對于針入度的影響最為顯著。隨著TLA摻量的增多,瀝青軟化點(diǎn)增大,針入度顯著下降,在所有改性瀝青中,30%摻量下的TLA改性瀝青針入度最小,這是由于TAL瀝青中大量活性點(diǎn)吸引瀝青中的小分子物質(zhì),形成以TAL瀝青為中心的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),進(jìn)而改善瀝青高溫性能。

        (3)PPA可有效改善瀝青的高溫抗變形和高溫穩(wěn)定性能,且隨著PPA摻量的增多,改性瀝青高溫性能逐漸上升,達(dá)到一定范圍后,提升幅度有所減緩。PPA摻量從0.5%到1%時,改性瀝青軟化點(diǎn)從50.2 ℃提升至57.6 ℃,而PPA摻量從1%增加至1.5%時,改性瀝青的軟化點(diǎn)僅提高1.7 ℃。

        2.2 基于DSR的高溫性能研究

        基于DSR開展溫度掃描試驗(yàn)與MSCR試驗(yàn),進(jìn)行不同摻量下SBS改性瀝青、PPA改性瀝青、TLA改性瀝青高溫性能的對比研究。

        2.2.1 溫度掃描試驗(yàn)

        對不同摻量下的SBS改性瀝青、PPA改性瀝青和TLA改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn),測定不同改性瀝青不同溫度下的相位角δ、復(fù)數(shù)剪切模量G*,依據(jù)SHRP提出的抗車轍因子G*/sinδ來表征瀝青抵抗高溫車轍變形的能力,G*/sinδ越大,表明瀝青的抗車轍性能越強(qiáng)。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖3~6所示。

        圖3 不同SBS摻量改性瀝青車轍因子對比曲線圖

        圖4 不同PPA摻量改性瀝青車轍因子對比曲線圖

        圖5 不同TLA摻量改性瀝青車轍因子對比曲線圖

        圖6 不同改性瀝青車轍因子對比曲線圖

        (1)溫度與車轍因子G*/sinδ存在明顯的相關(guān)性,隨著溫度的升高,不同改性瀝青的車轍因子均明顯減小,說明隨著溫度升高,瀝青流動性增大,從而降低其高溫抗車轍性能,因此實(shí)際工程中提升瀝青的抗車轍性能具有重要意義。

        (2)TLA的摻量與改性瀝青高溫抗車轍性能呈正相關(guān),隨著TLA摻量的逐漸增大,改性瀝青車轍因子逐漸增大,且提升幅度有小幅上升。70 ℃的溫度條件下,TLA摻量從10%到20%的改性瀝青車轍因子提升了3.77 kPa,摻量從20%增加至30%,其車轍因子增大了5.57 kPa。

        (3)PPA改性瀝青車轍因子隨著PPA摻量的增加而增大,這是由于PPA可與基質(zhì)瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng),使得瀝青的分子量增大,分子間的作用力也相應(yīng)增大,在微觀上抵抗變形能力越強(qiáng),說明PPA可以有效改善瀝青的高溫性能。而隨著溫度的上升,PPA摻量對其性能的提升影響相對減弱,因此在PPA摻量的選取上應(yīng)多考慮溫度的影響,1%的PPA摻量是較為合適的。

        (4)不同改性劑均可有效提升瀝青的高溫抗車轍性能,其中SBS的改性效果最佳。由于過高摻量的PPA、TLA會嚴(yán)重影響瀝青的低溫性能(如30%TLA改性瀝青的15 ℃延度為27.6 cm,1.5%PPA改性瀝青的10 ℃延度為44.0 cm),因此分別優(yōu)選20%TLA、1%PPA改性瀝青與4%SBS改性瀝青進(jìn)行高溫性能提升的比較,發(fā)現(xiàn)在不同溫度條件下,4%SBS摻量改性瀝青車轍因子的提升幅度最大。

        2.2.2 MSCR試驗(yàn)

        對不同摻量下的SBS改性瀝青、PPA改性瀝青、TLA改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn),在3.2 kPa蠕變應(yīng)力和試驗(yàn)溫度60 ℃下的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

        圖7 不同改性瀝青平均應(yīng)變恢復(fù)率R對比柱狀圖

        (1)3種改性方式均可顯著提升瀝青的高溫性能,其中SBS和TLA的提升效果較為明顯,且與改性劑摻量呈正相關(guān)。隨著SBS和TLA摻量的增加,改性瀝青平均應(yīng)變恢復(fù)率R逐漸增大,表明可恢復(fù)應(yīng)變所占比例增大,瀝青彈性變形能力逐漸增強(qiáng),SBS、TLA的摻入均提升了其高溫抗車轍性能。

        (2)PPA可有效改善瀝青的高溫性能,且改善效果隨摻量的增大而增強(qiáng)。0.5%PPA摻入后,瀝青平均應(yīng)變恢復(fù)率R從0.2%提升至6.8%,這是由于多聚磷酸與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng),促進(jìn)了瀝青中的膠質(zhì)向?yàn)r青質(zhì)轉(zhuǎn)變,因此增強(qiáng)了瀝青的高溫性能。

        (3)根據(jù)前文優(yōu)選20%TLA、1%PPA改性瀝青與4%SBS改性瀝青進(jìn)行高溫性能提升的比較,發(fā)現(xiàn)4%SBS改性瀝青平均應(yīng)變恢復(fù)率R的提升幅度最大,1%PPA改性瀝青的提升幅度最小。

        根據(jù)DSR及MSCR試驗(yàn)可知,SBS、TLA、PPA三種改性劑均可有效提升瀝青的高溫性能,且提升效果隨改性劑摻量的增加而增強(qiáng),其中4%SBS摻量下的改性瀝青對低溫性能影響較小,因此其高溫性能最佳。

        3 低溫性能

        對不同摻量下的SBS改性瀝青、PPA改性瀝青、TLA改性瀝青進(jìn)行延度試驗(yàn),結(jié)果如下頁圖8~10所示。

        圖8 不同SBS摻量改性瀝青延度曲線圖

        圖9 不同TLA摻量改性瀝青延度曲線圖

        圖10 不同PPA摻量改性瀝青延度曲線圖

        (1)SBS改性劑可有效提升瀝青的低溫性能,但隨著摻量的增多提升效果降低,過量摻入SBS會影響改性瀝青的低溫性能。隨著SBS的摻入,瀝青5 ℃延度大幅增加,不同SBS摻量下的改性瀝青5 ℃延度均>41 cm,遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青的7.8 cm,但隨著SBS摻量的增加,瀝青5 ℃延度呈先增大后減小的趨勢。

        (2)TLA的摻入嚴(yán)重影響了瀝青的低溫性能,且不利影響隨摻量的增加而加重,因此必須嚴(yán)格控制TLA的摻量。隨著TLA的摻入,瀝青15 ℃延度降幅較大,從基質(zhì)瀝青的148.1 cm減至10%TLA摻量改性瀝青的69.4 cm,且隨著TLA摻量的增加,瀝青15 ℃延度降幅也逐漸增大。

        (3)少量PPA的摻入可改善瀝青的低溫性能,但隨著PPA摻量的增大,逐漸對瀝青的低溫性能產(chǎn)生不利影響。0.5%PPA摻量下,瀝青10 ℃延度有所增加,從基質(zhì)瀝青的58.6 cm增至70.0 cm,但1.5%PPA摻量下改性瀝青10 ℃延度則降至44.0 cm。

        (4)基于瀝青的常規(guī)高低溫性能,推薦三種改性劑的摻量分別為:20%TLA、1%PPA與4%SBS。

        4 結(jié)語

        (1)SBS、PPA和TLA均可有效改善瀝青的高溫性能,且改善效果隨改性劑摻量的增加而增強(qiáng)。

        (2)PPA、TLA的摻入會影響瀝青的低溫性能,且隨著摻量的增加,對于瀝青低溫性能的不利影響也逐漸加劇,因此對于改性瀝青改性劑摻量的選擇,應(yīng)關(guān)注改性劑對于瀝青低溫性能的影響,防止所制得改性瀝青的低溫性能無法滿足要求。

        (3)在最佳改性劑摻量下,SBS、PPA和TLA改性瀝青的高溫性能改善效果排序?yàn)椋?%SBS改性瀝青>20%TLA改性瀝青>1%PPA改性瀝青。

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