樊 崢

(廣西交通投資集團(tuán)南寧高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

瀝青路面作為高等級(jí)道路的主要路面結(jié)構(gòu)形式,具有噪音小、平整度高、抗滑性能良好、施工便捷等特點(diǎn)。由于交通需求的日益增長(zhǎng)和環(huán)境溫度的頻繁變化,普通瀝青路面已無(wú)法滿足目前交通運(yùn)輸?shù)氖褂眯枨?因此研究人員通過(guò)改性瀝青技術(shù),使用天然硬質(zhì)瀝青、廢舊橡膠、聚合物等改性劑提高普通瀝青的技術(shù)指標(biāo),以提高瀝青路面的使用壽命[1]。

多聚磷酸(Polyphosphoric Acid,以下簡(jiǎn)稱PPA)是一種由磷酸通過(guò)分子間脫水交聯(lián)而生成的無(wú)機(jī)酸——常溫下為無(wú)色透明的粘稠狀液體,僅需簡(jiǎn)單機(jī)械攪拌即可均勻分散在瀝青中,并提高瀝青的各項(xiàng)技術(shù)性能[2]。PPA與常見(jiàn)的SBS、橡膠粉等聚合物改性劑相比,具有成本低、與瀝青相容性較好等特點(diǎn),有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值[3]。隨著對(duì)PPA改性劑相關(guān)研究和工程應(yīng)用的開展,研究人員發(fā)現(xiàn)PPA可能會(huì)降低瀝青的低溫性能,且單一PPA改性瀝青的高溫性能往往低于聚合物改性瀝青,限制了其在實(shí)際工程中的大規(guī)模應(yīng)用[4]。液體丁苯橡膠(Liquid Styrene-Butadiene Rubber,以下簡(jiǎn)稱LSBR)是一種由碎屑橡膠在無(wú)氧和高溫環(huán)境下通過(guò)熱解得到的液態(tài)橡膠,研究人員發(fā)現(xiàn)其與瀝青相容性優(yōu)于丁苯橡膠顆粒,并能明顯提高基質(zhì)瀝青低溫性能,具有良好的應(yīng)用潛力。若將PPA與LSBR進(jìn)行協(xié)同改性,將可能同時(shí)發(fā)揮兩種改性劑的優(yōu)勢(shì),克服單一改性劑對(duì)瀝青性能的負(fù)面影響,有利于PPA和LSBR在實(shí)際工程中的推廣使用。因此,本文采用PPA/LSBR復(fù)合改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性,通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)、彎曲梁流變?cè)囼?yàn)與旋轉(zhuǎn)薄膜老化試驗(yàn),研究PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青流變性能與溫度敏感性能,以期對(duì)PPA與LSBR的實(shí)際應(yīng)用提供借鑒。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

本文基質(zhì)瀝青采用殼牌70#瀝青,其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 殼牌70#瀝青技術(shù)指標(biāo)表

1.2 多聚磷酸與液體丁苯橡膠

本文采用勝浩塑膠原料有限公司生產(chǎn)的LSBR,以及云南天耀化工有限公司生產(chǎn)的118%型PPA。其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 118%型PPA主要技術(shù)指標(biāo)表

2 多聚磷酸/液體丁苯橡膠復(fù)合改性瀝青的制備

將殼牌70#瀝青加熱呈熔融狀態(tài)后,加入預(yù)先稱量好質(zhì)量的PPA,然后采用高速剪切乳化機(jī)進(jìn)行攪拌剪切(剪切溫度為150 ℃,轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,剪切45 min),然后摻入預(yù)定比例的LSBR,在170 ℃的溫度下以3 500 r/min繼續(xù)剪切60 min,剪切完成后將其放入150 ℃的恒溫烘箱內(nèi)發(fā)育溶脹60 min,即制備得到不同復(fù)配摻量的PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青[5]。

3 多聚磷酸/液體丁苯橡膠復(fù)合改性瀝青流變性能

3.1 高溫流變性能

為研究PPA/LSBR對(duì)瀝青高溫流變性能的影響,本文采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer,以下簡(jiǎn)稱DSR)對(duì)不同PPA/LSBR復(fù)配摻量的樣品高溫流變性能進(jìn)行分析。DSR試驗(yàn)參數(shù)為:采用應(yīng)變控制水平為12%的應(yīng)變控制模式,加載頻率為10 rad·s-1,單點(diǎn)測(cè)試溫度分別為64 ℃、70 ℃、76 ℃、82 ℃。試驗(yàn)結(jié)果如表3與圖1、圖2所示。

表3 PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青溫度掃描結(jié)果表

圖1 PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青相位角與車轍因子曲線圖

圖2 老化后PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青相位角與車轍因子曲線圖

由表3和圖1～2可知:

(1)基質(zhì)瀝青中摻入2%的LSBR后,同一試驗(yàn)溫度條件下的改性瀝青相位角明顯提高,繼續(xù)摻入PPA后,改性瀝青的相位角發(fā)生明顯降低,且PPA摻量越大,相位角下降幅度越大。結(jié)果表明,LSBR改性劑使瀝青的彈性特征減弱、黏性特征增強(qiáng),對(duì)瀝青抵抗剪切性能產(chǎn)生負(fù)面影響,而PPA改性劑能改善LSBR改性瀝青的粘彈性特征,顯著提高瀝青高溫條件下的彈性特征。

(2)LSBR改性瀝青與基質(zhì)瀝青相比,同一試驗(yàn)溫度下的G*/sinδ降低約4.9%～7.7%,繼續(xù)摻入0.5%～1.5%的PPA進(jìn)行復(fù)合改性后,復(fù)合改性瀝青比LSBR改性瀝青的G*/sinδ提高約66.9%～306.1%。結(jié)果表明單一LSBR改性劑對(duì)瀝青的高溫抗車轍性能存在一定程度的負(fù)面影響,摻入PPA后能顯著提高LSBR改性瀝青的抗車轍性能。這是由于PPA與瀝青中的輕組分交聯(lián)形成共價(jià)交聯(lián)物質(zhì),并催化烷基芳烴環(huán)化生成較硬的萘芳烴。此外,PPA與瀝青組分的酸堿中和反應(yīng)、酯化反應(yīng)形成的含磷化合物使得瀝青硬度提升,宏觀表現(xiàn)為復(fù)合改性瀝青的彈性特征增強(qiáng)、抗車轍性能提高,從而改善瀝青的高溫流變性能。

(3)經(jīng)RTFOT短期老化后,基質(zhì)瀝青的G*/sinδ變化幅度為44.6%～53.7%,2%LSBR單一改性瀝青變化幅度為43.8%～52.9%,PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青變化幅度為20.5%～45.8%,表明PPA能在一定程度上改善瀝青老化前后的性能變化幅度。這是由于PPA能夠延緩瀝青老化過(guò)程中羰基等官能團(tuán)的生成速度,從而提高瀝青的抗老化性能,延長(zhǎng)瀝青使用壽命。

3.2 低溫流變性能

本文采用低溫彎曲梁流變儀(Beam Bending Rheometer,以下簡(jiǎn)稱BBR)對(duì)PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青的低溫性能進(jìn)行研究。將瀝青樣品制備成小梁試件后,測(cè)試各組瀝青樣品的蠕變速率m和蠕變勁度S,結(jié)果如表4和圖3所示。

表4 PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果表

圖3 PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青蠕變速率和蠕變勁度曲線圖

由表4和圖3可知:

(1)摻入單一PPA改性劑后,基質(zhì)瀝青同等溫度條件下的蠕變速率明顯下降,且PPA摻量越大蠕變速率越低,繼續(xù)摻入LSBR改性劑后,復(fù)合改性瀝青蠕變速率出現(xiàn)明顯提高。蠕變速率指標(biāo)主要表征瀝青的應(yīng)力松弛性能,其值越大則瀝青低溫條件下響應(yīng)收縮形變速率越快、結(jié)構(gòu)內(nèi)部積累溫度應(yīng)力可能性越低,瀝青低溫抗裂性能越好。結(jié)果表明PPA改性及對(duì)瀝青的低溫應(yīng)力松弛能力存在負(fù)面影響,而摻入LSBR能顯著改善單一PPA改性瀝青的低溫抗裂性能,平衡PPA對(duì)瀝青低溫流變性能的負(fù)面影響。

(2)同一溫度條件下,單一PPA改性瀝青、PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青中的PPA摻量越大,則瀝青的蠕變勁度越大,在摻入LSBR后,瀝青的蠕變勁度則出現(xiàn)明顯下降。蠕變勁度模量反映了瀝青小梁試件抵抗荷載性能,其值越小瀝青在低溫下的變形柔韌能力越強(qiáng),反之蠕變勁度模量越大則瀝青越硬脆。結(jié)果表明PPA改性劑對(duì)瀝青的低溫性能存在負(fù)面影響,摻入LSBR與PPA進(jìn)行復(fù)合改性后,能有效減小PPA改性劑對(duì)瀝青低溫柔韌變形能力的影響,提高復(fù)合改性瀝青的低溫流變性能。這是由于LSBR與SBR結(jié)構(gòu)相似,同時(shí)裂紋尖端處的可塑性變形有利于增強(qiáng)瀝青的低溫抗開裂性能。

3.3 PG分級(jí)

本文依據(jù)SHRP中瀝青PG分級(jí)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),基于表3、表4中的DSR與BBR測(cè)試結(jié)果,將PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青的PG等級(jí)匯總?cè)缦马?yè)表5所示。

表5 PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青PG分級(jí)匯總表

由表5可知,單一PPA改性劑對(duì)瀝青PG低溫等級(jí)存在負(fù)面影響,單一LSBR改性劑對(duì)瀝青PG高溫等級(jí)存在負(fù)面影響,但將PPA與LSBR對(duì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性時(shí),能充分發(fā)揮兩種改性劑的優(yōu)點(diǎn),改善單一改性劑對(duì)瀝青性能的負(fù)面影響,提高復(fù)合改性瀝青的PG等級(jí),增強(qiáng)瀝青在環(huán)境溫度和行車荷載作用下抵抗變形開裂的性能。

4 PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青溫度敏感性

為分析PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青溫度敏感性,采用復(fù)數(shù)模量指數(shù)絕對(duì)值|GTS|作為溫度敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)。|GTS|通過(guò)將復(fù)數(shù)模量G*的雙對(duì)數(shù)和測(cè)試溫度T的對(duì)數(shù)進(jìn)行擬合回歸得到,計(jì)算公式如式(1)所示。根據(jù)DSR測(cè)試結(jié)果和式(1),分別計(jì)算|GTS|,結(jié)果如表6所示。

lg[lg(G*)]=GTS×lg(T)+C

(1)

式中:G*——復(fù)數(shù)剪切模量(Pa);

T——試驗(yàn)溫度(K);

C——回歸擬合中常數(shù)項(xiàng);

GTS——復(fù)數(shù)模量指數(shù)。

表6 PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青GTS計(jì)算結(jié)果表

由表6可知,PPA單一改性瀝青、PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青的|GTS|值均小于基質(zhì)瀝青,且PPA摻量越大,|GTS|值越小,而LSBR單一改性瀝青的|GTS|值大于基質(zhì)瀝青。復(fù)數(shù)模量指數(shù)絕對(duì)值|GTS|反映了瀝青在溫度上升時(shí)抵抗剪切變形性能的變化幅度。結(jié)果表明,PPA改性劑能夠抑制高溫環(huán)境對(duì)瀝青材料力學(xué)性能的負(fù)面影響,與LSBR復(fù)配時(shí)能夠協(xié)同提高基質(zhì)瀝青的溫度敏感性能,減少LSBR單一改性劑的負(fù)面影響,使瀝青在高溫條件下能夠保持較好的抗剪切性能以抵抗行車荷載的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于瀝青高溫、低溫流變性能試驗(yàn),研究了PPA/LSBR復(fù)合改性劑對(duì)于基質(zhì)瀝青的粘彈性特征、抵抗車轍變形性能、低溫應(yīng)力松弛性能、低溫柔韌變形性能等流變性能的影響,得出以下結(jié)論:

(1)PPA改性劑能改善LSBR單一改性瀝青的粘彈性特征、抗車轍因子,顯著提高復(fù)合改性瀝青高溫條件下的彈性特征、抗車轍性能,且PPA摻量越大改性效果越好,從而提高瀝青抗熱氧老化性能,延長(zhǎng)瀝青使用壽命。

(2)LSBR改性劑能顯著提高PPA單一改性瀝青的低溫應(yīng)力松弛和柔韌變形性能,明顯提高復(fù)合改性瀝青的低溫抗裂性能。

(3)PPA改性劑能夠抑制高溫環(huán)境對(duì)瀝青材料力學(xué)性能的負(fù)面影響,與LSBR復(fù)配時(shí)能夠協(xié)同提高基質(zhì)瀝青的溫度敏感性能,減小LSBR單一改性劑的負(fù)面影響,使瀝青在高溫條件下能夠保持較好的抗剪切性能以抵抗行車荷載的作用。

(4)PPA與LSBR對(duì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性時(shí),能充分發(fā)揮兩種改性劑的優(yōu)點(diǎn),改善單一改性劑對(duì)瀝青性能的負(fù)面影響,提高復(fù)合改性瀝青的PG等級(jí),增強(qiáng)瀝青在環(huán)境溫度和行車荷載作用下抵抗變形開裂的性能。當(dāng)摻入1.5%PPA與2%LSBR時(shí),可將基質(zhì)瀝青的PG等級(jí)由PG64-18提高至PG76-18。