徐艷玲,朱洪洲,青 亮,殷春鑫

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074)

0 引 言

丁苯橡膠(SBR)改性瀝青自從被發(fā)現(xiàn)及使用以來一直以較好的低溫性能而著稱,因?yàn)槠渲饕攸c(diǎn)可以使瀝青混合料具備高彈性和高黏附的性能,在提高強(qiáng)度的同時(shí),大大改善了瀝青的低溫抗裂性,且SBR生產(chǎn)方法簡單,成本較低,被廣泛應(yīng)用于寒冷地區(qū)[1]。但隨著實(shí)際路面服役時(shí)間的增加,SBR改性瀝青抗老化后性能劣化嚴(yán)重的問題逐漸突顯出來,而作為中國西部高寒高海拔地區(qū)應(yīng)用最廣泛的瀝青類型[2],瀝青路面處于常年極端的低溫,巨大的晝夜溫差,紫外輻射量極大的惡劣環(huán)境中,SBR瀝青抗紫外老化性能就顯得尤為重要。

為了克服SBR改性瀝青存在的缺陷,諸多學(xué)者在SBR瀝青中摻加PPA改性劑,將二者結(jié)合協(xié)同作用下使PPA/SBR復(fù)合改性瀝青具有更優(yōu)異的路用性能?，F(xiàn)有研究成果表明PPA加入到SBR改性瀝青中能很好地改善瀝青的高溫性能、疲勞性能及抗老化性能,同時(shí)作為穩(wěn)定劑來改善與瀝青的相容性[3-4]。如F.ZHANG等[4]通過儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)老化試驗(yàn)(TFOT與PAV)、動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)(DMA)以及光學(xué)顯微鏡試驗(yàn)PPA/SBR復(fù)合改性瀝青進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),PPA的加入明顯提高了丁苯橡膠改性瀝青的熱穩(wěn)定性和高溫性能,且可以增加改性瀝青的抗熱氧老化性能;M.D.I.DOMINGOS等[5]比較了PPA改性瀝青、SBR改性瀝青、PPA/SBR改性瀝青的彈性恢復(fù)和應(yīng)力效應(yīng)性能,發(fā)現(xiàn)PPA/SBR改性效果最佳,同時(shí)指出PPA的加入使SBR改性瀝青存在更多的輕質(zhì)組分,與不含PPA的瀝青相比,對老化更為敏感。

在高寒高海拔地區(qū),因?yàn)樽贤夤饫匣瘜?dǎo)致瀝青的低溫性能大幅衰減,有研究表明紫外線輻射對瀝青低溫抗裂性的影響遠(yuǎn)大于熱氧化老化和水老化[6],故SBR改性瀝青主要面臨的是紫外老化問題。而單純利用瀝青的老化性能來評價(jià)混合料老化性能是不合適的,因?yàn)闉r青膠漿是影響瀝青混合料路用性能的決定性因素[7],所以筆者開展了紫外老化對多聚磷酸復(fù)合丁苯橡膠改性瀝青膠漿及瀝青混合料高低溫性能的影響研究,以評價(jià)PPA/SBR復(fù)合改性瀝青對于高寒高海拔地區(qū)的適用性。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

筆者采用濃度為115%的多聚磷酸(PPA),基質(zhì)瀝青為中石油克拉瑪依煉廠的90# 道路石油A級瀝青;聚合物改性劑SBR為白色粉末;礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而得;集料由石灰?guī)r制成,幾種主要材料的技術(shù)指標(biāo)見表1。由于紫外老化對瀝青混凝土的影響主要在路表面,且考慮在高寒高海拔地區(qū)使用,級配設(shè)計(jì)未充分有效發(fā)揮混合料級配對高溫性能的貢獻(xiàn),級配曲線見圖1。采用馬歇爾試驗(yàn)方法進(jìn)行AC-13瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì),得到90# 基質(zhì)瀝青混合料最佳油石比為4.6%,SBR改性瀝青最佳油石比為4.8%、PPA/SBR改性瀝青最佳油石比為4.9%。

圖1 礦料合成級配曲線

表1 主要材料的技術(shù)指標(biāo)

1.2 瀝青及瀝青膠漿制備方案

國內(nèi)外大量研究表明PPA與SBS、SBR復(fù)合改性瀝青混合料適宜的PPA質(zhì)量摻量為0.75%～1.25%[8],筆者通過正交試驗(yàn)來選取PPA與SBR互配的最佳組合摻量以及制備工藝,確定PPA/SBR改性瀝青的最佳摻配比及制備工藝為:4%SBR +1%PPA,PPA/SBR混剪時(shí)間為40 min,混剪溫度170 ℃。

1.2.1 SBR改性瀝青制備

將90# 基質(zhì)瀝青脫水后加熱至150 ℃左右,分多次加入SBR改性劑,剪切預(yù)混:加入4.0%的SBR低速均勻攪拌15 min使其充分溶脹;然后進(jìn)行剪切,溫度保持165 ℃,剪切機(jī)控制速率為4 000～4 500 r/min,剪切時(shí)間40 min,用攪拌機(jī)攪拌30 min(轉(zhuǎn)速600～700 r/min),160℃恒育1 h。

1.2.2 PPA/SBR改性瀝青制備

將90# 基質(zhì)瀝青脫水后加熱至150 ℃左右。分多次加入4.0% SBR改性劑,攪拌15 min使其充分熔脹,然后進(jìn)行剪切,剪切機(jī)速率設(shè)置為4 000～4 500 r/min,在165 ℃恒溫條件下剪切30 min,然后加入1%PPA改性劑進(jìn)行剪切混合,溫度調(diào)整并保持170 ℃,將剪切機(jī)的速率設(shè)置為4 000～4 500 r/min,剪切40 min;然后在160 ℃下用攪拌機(jī)攪拌30 min(轉(zhuǎn)速600～700 r/min)。

1.2.3 瀝青膠漿制備

將通過0.075 mm篩孔的填料放置在150 ℃的烘箱中保溫1 h左右,以確保填料和瀝青混合時(shí)溫度相差不大,有利于填料在混合物中分散均勻,同時(shí)將攪拌鍋和試樣盤預(yù)熱;稱取定量的熔融狀態(tài)瀝青,然后加入礦粉,為防止填料顆粒結(jié)團(tuán)并保證填料在瀝青中分散均勻,將填料按規(guī)定的比例分次加入瀝青中,用精密磁力攪拌器進(jìn)行攪拌,溫度控制在160～165 ℃,轉(zhuǎn)速600～700 r/min,攪拌直至混合物表面不出現(xiàn)氣泡為止。一般瀝青混合料中填料與瀝青的比例在0.6～1.2之間[9],故筆者取瀝青膠漿的粉膠比分別為0.6、0.9和1.2。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 紫外老化試驗(yàn)

將制備的90# 基質(zhì)瀝青膠漿、SBR改性瀝青膠漿、PPA/SBR改性瀝青膠漿均勻地鋪在鋼盤(直徑140 mm)上,每個(gè)樣品厚度控制在3 mm,制備的部分樣品如圖2。瀝青混合料紫外老化的樣品,則根據(jù)混合料的試驗(yàn)要求制備試樣尺寸,試件周圍利用錫紙進(jìn)行裹覆,僅對混合料試件表面進(jìn)行紫外光照射。

圖2 瀝青膠漿紫外老化樣品

瀝青的室內(nèi)紫外老化試驗(yàn)設(shè)備為一種不透光箱體結(jié)構(gòu),在箱內(nèi)頂部中間位置安裝2個(gè)500 W/m2光照強(qiáng)度的汞燈。在高寒地區(qū)的夏季,由于太陽紫外線異常強(qiáng)烈,再加上瀝青混合料吸熱能力強(qiáng),因此,路面溫度常比氣溫高30～40 ℃,能達(dá)到50～60 ℃。因此試驗(yàn)過程中保持紫外老化箱內(nèi)通風(fēng)且恒定溫度為60 ℃,使用光照強(qiáng)度儀器測得模擬紫外老化箱內(nèi)的高壓汞燈輻射至樣品表面的輻射強(qiáng)度為75 W/m2,筆者以西藏地區(qū)受到的太陽輻射量進(jìn)行室外輻射強(qiáng)度計(jì)算,有研究表明瀝青材料在4個(gè)月左右性能變化最為明顯[10],故選擇室外4個(gè)月的時(shí)間來設(shè)計(jì)室內(nèi)紫外輻射時(shí)間,根據(jù)室內(nèi)外等量輻射原則,計(jì)算得到室內(nèi)模擬時(shí)間為19.125 d,室內(nèi)模擬時(shí)間選為20 d。

1.3.2 性能試驗(yàn)方法

1)DSR溫度掃描

采用應(yīng)變控制模式(1.25%),角頻率為10 rad/s,測試溫度為52～76 ℃,每6 ℃測試一個(gè)間隔,90# 瀝青膠漿、SBR改性瀝青膠漿、PPA/SBR改性瀝青膠漿分別進(jìn)行高溫溫度掃描試驗(yàn),溫度掃描的板直徑為25 mm,平行板之間的間隙為1 mm。

主要記錄復(fù)數(shù)模量G*及相位角δ作為黏彈性參數(shù),利用相位角δ以及車轍因子G*/sinδ分析瀝青膠漿紫外老化前后的高溫流變性能的變化規(guī)律。

2)彎曲梁流變儀試驗(yàn)(BBR)

利用Superpave公司開發(fā)的彎曲梁流變儀(BBR)對瀝青結(jié)合料低溫條件下的剛度變化進(jìn)行研究,根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》,梁狀試樣承受980 mN±50 mN的荷載,在-12、-18 ℃下分別對瀝青膠漿進(jìn)行BBR試驗(yàn),利用60 s時(shí)的勁度S和m值評價(jià)不同瀝青膠漿紫外老化前后低溫性能的變化規(guī)律。

3)高溫車轍試驗(yàn)

按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0719規(guī)定的方法進(jìn)行車轍試驗(yàn),并得到動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)DS,以比較不同瀝青混合料的抗車轍能力,車轍試驗(yàn)溫度為60 ℃。

4)小梁彎曲試驗(yàn)

按照J(rèn)TG E20—2011規(guī)程中T0715進(jìn)行瀝青混合料的彎曲試驗(yàn),試驗(yàn)采用由車轍試件切割而成的長250 m±2 m,寬30 m±2 m、高25 m±2 m的瀝青混合料小梁試件,試驗(yàn)加載速率5 mm/min,試驗(yàn)溫度為-10 ℃±0.5 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 相位角

相位角主要反映瀝青黏合劑的黏彈性。相位角越小,彈性部分越高,瀝青高溫性能也就越有利。圖3給出了不同粉膠比(粉膠比0.6、粉膠比0.9、粉膠比1.2)的瀝青膠漿紫外老化前后的相位角與溫度的關(guān)系。從圖3中可以看出隨著礦粉的摻入,瀝青膠漿的相位角隨之減小,但不同粉膠比的相位角變化均較小,說明粉膠比0.6～1.2之間礦粉摻量的變化對瀝青膠漿的相位角影響不大。瀝青膠漿的紫外老化前的相位角明顯小于瀝青老化后的相位角,如當(dāng)溫度為64 ℃時(shí),老化前粉膠比為0.9的90# 基質(zhì)瀝青膠漿、SBR改性瀝青膠漿以及PPA/SBR改性瀝青膠漿的相位角分別為82.74°、81.77°及75.72°,而老化后的相位角分別為77.92°、71.17°、73.14°,相位角分別減小了5.83%、5.63%及3.41%。從分析可以看出SBR改性劑增強(qiáng)了90# 基質(zhì)瀝青的彈性,PPA增強(qiáng)了SBR改性瀝青的彈性,并且PPA明顯降低了SBR瀝青相位角對紫外光老化的敏感性,延緩瀝青變硬,PPA/SBR改性瀝青膠漿的相位角光敏感性最低。

圖3 瀝青膠漿相位角

2.1.2 車轍因子

車轍因子是評價(jià)瀝青結(jié)合料抗車轍性能的指標(biāo);車轍因子越高,抗車轍性能越好。從圖4可以看出,隨著礦粉摻量的增大,瀝青的車轍因子隨之增大,當(dāng)試驗(yàn)溫度高于70 ℃時(shí),各膠漿的車轍因子降低趨勢放緩。粉膠比0.6～0.9范圍內(nèi),PPA/SBR無論是老化前后,均具有最大的車轍因子,說明PPA的摻入明顯增強(qiáng)了SBR改性瀝青的高溫抗變形能力。并且PPA/SBR改性瀝青膠漿在紫外老化過程中車轍因子變化最小,當(dāng)粉膠比達(dá)到0.9～1.2時(shí),SBR改性瀝青膠漿老化后的車轍因子與PPA/SBR改性瀝青膠漿車轍因子值非常接近。僅從車轍因子看,二者紫外老化后具有相同的抵抗高溫變形能力,但是從紫外老化對瀝青膠漿的影響分析,紫外老化對SBR改性瀝青膠漿的影響遠(yuǎn)大于PPA/SBR改性瀝青膠漿。

圖4 瀝青膠漿高溫車轍因子

為了進(jìn)一步量化紫外老化對瀝青膠漿高溫流變性的影響,選擇64 ℃車轍老化因子ASTA來評價(jià)瀝青膠漿抗紫外老化的性能[11],具體計(jì)算見式(1),計(jì)算結(jié)果見表3。

(1)

從表2中可以看出:PPA/SBR改性瀝青車轍因子老化指數(shù)最小,說明PPA/SBR改性瀝青的高溫性能在紫外老化作用下比較穩(wěn)定,并且在粉膠比為0.9時(shí),其抗紫外老化性能最佳。其次是90# 基質(zhì)瀝青膠漿及SBR改性瀝青膠漿的在粉膠比為0.6時(shí)車轍因子紫外光敏感性最小。同時(shí)也表明在合理的礦粉摻量下,礦粉有利于提高瀝青的高溫抗變形能力,提高了瀝青膠漿的抗車轍性能。但隨著礦粉增量的增大,瀝青膠漿的抗紫外老化性能有下降趨勢。

表2 車轍因子老化指數(shù)

2.2 BBR試驗(yàn)結(jié)果分析

圖5、圖6分別給出了紫外老化前后90# 瀝青膠漿、SBR改性瀝青膠漿、PPA/SBR改性瀝青膠漿的蠕變勁度S(60)。隨著礦粉的加入,瀝青膠漿的蠕變勁度逐漸增大,但PPA/SBR膠漿的蠕變勁度增量最小。-12 ℃下各瀝青的蠕變勁度增量相對于-18 ℃而言,隨著溫度降低,各瀝青膠漿的蠕變勁度增長率增大。90# 基質(zhì)瀝青膠漿蠕變勁度增長率增幅最為明顯,PPA/SBR改性瀝青增長率增幅最小,說明PPA/SBR改性瀝青膠漿的低溫敏感性最低,低溫柔韌性最佳。

圖5 -12 ℃時(shí)瀝青膠漿紫外老化前S(60)值

圖6 -18 ℃時(shí)瀝青膠漿紫外老化前后S(60)值

圖7、圖8從蠕變速率可以看出,瀝青膠漿的m值的大小為:PPA/SBR改性瀝青膠漿>SBR改性瀝青膠漿>90# 基質(zhì)瀝青膠漿。且粉膠比0.6～0.9之間的各瀝青膠漿的m值隨著粉膠比增大逐漸減小,但瀝青膠漿變動(dòng)幅度均較小,說明礦粉的摻量對瀝青膠漿的松弛能力影響較小。紫外老化后,PPA/SBR改性瀝青膠漿老化前后變化幅度最小,說明PPA的摻入顯著降低了SBR改性瀝青低溫性能對于紫外光的敏感性。

圖7 -12 ℃時(shí)瀝青膠漿老化前后m值

圖8 -18 ℃時(shí)不同粉膠比的瀝青膠漿老化前后m值

從上述分析可以看出紫外老化后瀝青膠漿的S(60)出現(xiàn)不同程度的增大,m值減小,筆者采用低溫性能試驗(yàn)蠕變勁度S以及蠕變速率m值的老化指數(shù)SAI、mAI為紫外老化對瀝青膠漿低溫性能影響的判定指標(biāo),具體計(jì)算式(2)、式(3)[12],計(jì)算結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 瀝青膠漿老化指數(shù)SAI

圖10 瀝青膠漿老化指數(shù)mAI

(2)

(3)

從圖9、圖10可以看出,相對于蠕變勁度老化指數(shù)SAI,蠕變速率老化指數(shù)mAI相對較小,說明蠕變速率對于紫外老化的敏感性較蠕變勁度而言敏感性低,但蠕變勁度老化指數(shù)與蠕變速率老化指數(shù)的變化規(guī)律一致,不同粉膠比狀態(tài)下的PPA/SBR改性瀝青膠漿S(60)最小,m值最大,老化指數(shù)最小,表明PPA/SBR改性瀝青具有良好的低溫抗裂性及抗紫外老化性,且隨著礦粉的增加,瀝青膠漿對紫外老化越敏感。

2.3 瀝青混合料高溫性能

利用動(dòng)穩(wěn)定度老化指數(shù)作為紫外老化對混合料高溫性能影響程度的判定指標(biāo),具體計(jì)算見式(4),試驗(yàn)結(jié)果分析見表3。

表3 AC-13 瀝青混合料60 ℃車轍試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

(4)

從高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),紫外老化前,各瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度:PPA/SBR改性瀝青混合料>SBR改性瀝青混合料>90# 基質(zhì)瀝青混合料,PPA與SBR復(fù)合改性瀝青混合料表現(xiàn)出了更優(yōu)異的抵抗永久變形的能力,表明摻加PPA顯著改善了SBR改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。分析可以看出90# 基質(zhì)瀝青與SBR改性瀝青紫外老化后的高溫抗車轍性能明顯降低,說明瀝青混合料表層瀝青薄膜已經(jīng)嚴(yán)重退化和失效,紫外老化已較為嚴(yán)重。PPA/SBR改性瀝青的高溫抗車轍性能提高,說明在同樣的紫外老化條件下,PPA的摻入可能導(dǎo)致SBR改性瀝青的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,增加了光敏活性較低的成分,阻礙了瀝青聚合物的分解,從而使得在同等紫外老化條件PPA/SBR改性瀝青的黏結(jié)性能依舊良好。同時(shí)瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)老化前后的動(dòng)穩(wěn)定度與瀝青膠漿的車轍因子之間的規(guī)律并不一致,如90# 基質(zhì)瀝青膠漿和SBR改性瀝青膠漿的抗車轍因子老化后出現(xiàn)了較大提高,粉膠比為1.2的SBR改性瀝青膠漿和PPA/SBR改性瀝青膠漿的車轍因子幾乎接近,但混合料的高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)SBR改性瀝青的高溫性能遠(yuǎn)不如PPA/SBR改性瀝青混合料,說明紫外老化后的瀝青高溫參數(shù)與瀝青混合料的高溫抗車轍性能的相關(guān)性有待進(jìn)一步的研究與探討。

2.4 瀝青混合料低溫性能

利用彎曲勁度模量老化指數(shù)SBAI作為紫外老化對瀝青混合料低溫性能影響的判定指標(biāo),值越小說明瀝青混合料抗紫外老化效果越好。具體計(jì)算如式(5),試驗(yàn)結(jié)果見圖11～圖13。

圖11 紫外老化前后抗彎拉強(qiáng)度

圖12 紫外老化前后最大彎拉應(yīng)變

(5)

從圖11～圖13分析發(fā)現(xiàn),PPA/SBR復(fù)合改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度RB比90# 基質(zhì)瀝青混合料提高了30.6%,比SBR改性瀝青混合料提高了20.9%,最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖較90# 基質(zhì)瀝青混合料及SBR改性瀝青混合料分別提高了121.1%,35.5%,同時(shí)PPA/SBR復(fù)合改性瀝青的彎曲勁度模量相對于SBR改性瀝青混合料及基質(zhì)瀝青混合料分別降低40.9%,10.7%,從試驗(yàn)結(jié)果分析表明PPA的摻入顯著提高了SBR改性瀝青混合料的低溫抗裂性能。

PPA/SBR改性瀝青混合料、SBR瀝青混合料、90# 基質(zhì)瀝青混合料的低溫性能紫外老化指數(shù)SBAI分別為3.32,10.23,35.10,說明PPA/SBR復(fù)合改性瀝青混合料在紫外老化試驗(yàn)20 d后(約為室外4個(gè)月),其低溫性能影響較小,明顯優(yōu)于SBR改性瀝青混合料的抗紫外老化效果。

3 結(jié) 論

1)高溫溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果表明,紫外老化后各種瀝青膠漿的高溫性能均得到提高,通過車轍因子老化指數(shù)ASTA定量分析出PPA的摻入降低了SBR改性瀝青膠漿的高溫流變參數(shù)對紫外光的敏感性。同時(shí)粉膠比0.6～1.2范圍內(nèi)顯示,隨著礦粉摻量的增大,瀝青膠漿的抗紫外老化性能有下降趨勢。

2)從BBR低溫彎曲蠕變試驗(yàn)的S(60)以及m值老化前后的變化規(guī)律可以看出,紫外老化會(huì)裂化瀝青膠漿的低溫性能,通過低溫老化指數(shù)SAI及mAI的定量分析發(fā)現(xiàn)PPA大大降低了SBR改性瀝青膠漿的紫外老化敏感性。在粉膠比為0.6～1.2范圍內(nèi),隨著礦粉摻量的增加,瀝青膠漿的抗紫外老化性能隨之降低。

3)從瀝青混合料車轍試驗(yàn)、彎曲蠕變試驗(yàn)結(jié)果分析出PPA的摻入有利于提高SBR改性瀝青混合料紫外老化前后的高溫抗車轍性、低溫抗裂性,高溫老化指數(shù)DAI、低溫開裂老化指數(shù)SBAI也定量反應(yīng)出PPA/SBR改性瀝青混合料具有最佳的抗紫外老化性能。

4)總體分析可以看出,PPA的摻入有效提高了紫外老化前后SBR改性瀝青膠漿及混合料的高低溫性能,非常適用于高寒高海拔地區(qū)。石灰石礦粉在粉膠比為0.6～1.2的范圍對瀝青膠漿的抗紫外老化性能有不利影響,且紫外老化前后瀝青膠漿的低溫流變參數(shù)與混合料的低溫抗裂性能具有良好地相關(guān)性,瀝青膠漿的低溫流變參數(shù)能有效表征瀝青混合料的低溫抗裂性。而紫外老化后瀝青膠漿的高溫流變參數(shù)與混合料的高溫抗車轍性能相關(guān)性需要進(jìn)一步的研究探討。