郭少華,王 瑩,馬克政,雷俊文,易軍艷

(1.遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166;2.哈爾濱工業(yè)大學 交通科學與工程學院 哈爾濱市 150001)

0 引言

商用濕法SBS改性瀝青無法在拌和樓內制備,在工程應用中存在諸多問題,如工廠提供的成品因改性劑離析而影響存儲穩(wěn)定性[1],又如SBS摻量在施工現(xiàn)場難以準確檢驗,質量無法得到有效監(jiān)管,以及能源大量消耗和環(huán)境污染等問題。直投式SBS改性技術將SBS與瀝青分離使用,直接將SBS一并投入拌和樓中,同時保證各儲存材料不變質,品質和用量均得到透明開發(fā)。廠家設備生產(chǎn)、運輸?shù)瘸杀窘档?也符合節(jié)能環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,可改善瀝青生產(chǎn)過程中的污染問題[2]。

國外相關學者研究了聚烯烴添加劑(PO)干法和濕法工藝對改性瀝青混凝土的力學響應影響,結果表明,干法工藝具有更好的抗變形能力,相對于濕法工藝產(chǎn)生的改性瀝青混合物具有更好的抗老化性。德國研發(fā)了可替代SBS改性劑的Duroflex干法改性劑產(chǎn)品。張小帥等[3]對其性能進行研究,并結合工程實際,通過大量的試驗數(shù)據(jù)和使用經(jīng)驗證明了此添加劑的抗負載能力和持久能力強于其他瀝青混凝土路面,可延長瀝青混凝土使用壽命,降低工程造價,具有良好的經(jīng)濟和社會效益。趙玥[4]對Duroflex干法改性瀝青混合料的路用性能進行研究,發(fā)現(xiàn)其在抗水損害與耐久性方面有較大優(yōu)勢。崔洪兵[5]以阿拉善地區(qū)高等級公路路面為例,對直投式改性工藝的技術優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢進行分析。蔣永春等[6]研究了直投式干法橡膠瀝青混合料,并與SBS改性瀝青混合料進行性能對比。研究發(fā)現(xiàn),干法橡膠瀝青混合料相比于SBS改性瀝青混合料具有更好的抗滑性,平整度滿足施工規(guī)范要求,路用性能和經(jīng)濟效益也更好[7]。

綜上,現(xiàn)有研究大多集中在直投式改性瀝青的技術工藝及經(jīng)濟效益,對直投式改性瀝青的性能及改性機理研究較少。文章通過三大指標試驗和流變試驗,對遼河、國路兩種直投式改性瀝青的性能進行研究,通過紅外光譜研究直投式改性瀝青的改性機理,以期對直投式SBS改性瀝青的推廣應用起到積極推動作用。

1 原材料

1.1 基質瀝青

試驗采用我國東北地區(qū)常用的遼河石化90#基質瀝青。參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)(以下簡稱“試驗規(guī)程”),遼河90#基質瀝青的指標檢測結果匯總見表1。

表1 遼河90#基質瀝青技術指標

1.2 SBS改性劑

試驗使用的SBS改性劑有兩種,分別為國路高科直投式SBS改性劑(以下簡稱“ZT-G”)和遼河直投式SBS改性劑(以下簡稱“ZT-L”)。直投式SBS改性劑主要技術指標如表2所示。

表2 直投式SBS改性劑技術指標

2 試驗方法

進行基質瀝青、常規(guī)濕法SBS瀝青、直投式ZT-T與ZT-G改性瀝青三大指標測試,開展對比分析。利用直投式工藝制備5%、7%、9%摻量的ZT-L和ZT-G,常規(guī)濕法SBS改性瀝青改性劑摻量為5%。

2.1 三大指標測試

(1)針入度

通常,針入度可以在一定程度上反映瀝青的高溫性能。通過對比常規(guī)濕法改性瀝青和直投式SBS改性瀝青的針入度大小,間接評價其高溫性能。

(2)軟化點

軟化點是評價瀝青材料最基礎、最廣泛的指標。瀝青軟化點越高,表示耐熱性越好。通過對比常規(guī)濕法改性瀝青和直投式SBS改性瀝青的軟化點大小,評價其溫度穩(wěn)定性。

(3)延度

采用5℃延度對SBS改性瀝青的低溫性能進行評價。一般情況下,延度越大,瀝青的低溫抗裂性能相對越好。通過對比常規(guī)濕法改性瀝青與直投式SBS改性瀝青的延度大小,評價其低溫性能。

2.2 動態(tài)剪切流變試驗

動態(tài)剪切流變儀中的頻率掃描試驗是通過對瀝青試樣加載連續(xù)變化的頻率,得到瀝青材料的粘彈性特征,由此反映服役過程中瀝青路面在承受動態(tài)荷載情況下的粘彈特性。研究對不同溫度下的瀝青試樣進行頻率掃描測試,測試溫度分別為36℃、48℃、60℃和72℃,加載頻率為0.1～100Hz,應變水平為0.1%。

2.3 低溫彎曲梁流變試驗

彎曲梁流變儀在加載過程中會記錄荷載值和小梁中部的撓度值,通過計算出的蠕變勁度S和勁度模量隨時間的變化率m評價瀝青低溫性能。

S值用來表征瀝青材料在恒定瀝青荷載作用下的低溫抗變形能力,S值越大,證明瀝青更易開裂。m值反映了在荷載作用下瀝青的勁度隨時間變化的敏感性及應力松弛能力,m值越大,證明瀝青的應力松弛能力越好,抗裂性也就越好。應用梁分析理論計算瀝青小梁60s時荷載的蠕變勁度。

2.4 紅外光譜測試(FT-IR)

使用紅外光照射樣品時,樣品內部會發(fā)生振動能級躍遷,可用來研究物質的分子組成。研究采用FT-IR的ATR全反射法對不同種類瀝青樣品進行測試,測試溫度為室溫(23℃),對每份試驗樣品重復3次掃描試驗以驗證結果準確性。

3 試驗結果分析

3.1 直投式SBS改性瀝青基本性能分析

(1)針入度

不同瀝青在25℃下的針入度見表3所示。

表3 各瀝青的針入度測試結果

對比以上瀝青試樣的針入度發(fā)現(xiàn),相對于基質瀝青,改性瀝青的針入度均有不同程度的降低,各試樣針入度大小排序為:基質瀝青>5%ZT-G>5%ZT-L>7%ZT-G>SBS>7%ZT-L>9%ZT-G>9%ZT-L。

(2)軟化點

不同改性劑種類和摻量下,改性瀝青的軟化點試驗結果如表4所示。

表4 各瀝青的軟化點測試結果

分析結果可知,9%摻量下ZT-L與ZT-G的軟化點溫度均高于SBS改性瀝青,而其他摻量下的軟化點溫度則低于SBS改性瀝青,其中7%摻量下ZT-L和ZT-G的軟化點溫度與常規(guī)SBS改性瀝青接近。此外,研究發(fā)現(xiàn)3種摻量下ZT-L的軟化點溫度均高于ZT-G,但相差不大。

(3)延度

不同改性劑種類及摻量下瀝青的延度見表5。

表5 各瀝青的延度測試結果

分析試驗結果發(fā)現(xiàn),SBS改性劑的加入明顯增加了瀝青的延度,ZT-L與ZT-G的延度相近;SBS改性瀝青的延度大于7%ZT-L和7%ZT-G的延度,小于9%ZT-L和9%ZT-G的延度;證明直投式SBS改性劑的加入可有效提高瀝青的延度,且延度隨改性劑摻量的增加而增大。

3.2 直投式SBS改性瀝青高溫流變性能分析

不同溫度下各瀝青試樣頻率掃描主曲線擬合結果如圖1、圖2所示。

圖1 不同摻量ZT-L與對照組的復數(shù)模量主曲線

圖2 不同摻量ZT-G與對照組的復數(shù)模量主曲線

從圖1、圖2可知,相較于基質瀝青,改性瀝青的復數(shù)模量均有明顯提高。隨著摻量的提高,兩種直投式改性瀝青的復數(shù)模量隨之增大。

由圖1可知,低頻時復數(shù)模量的大小為9%ZT-L>SBS>7%ZT-L>5%ZT-L>JZ。時溫等效原理中,低頻代表高溫,低頻時的復數(shù)模量越大,證明高溫時的抗剪切變形能力越強。高頻時9%ZT-L改性瀝青與SBS改性瀝青的表現(xiàn)相當,其余瀝青試樣復數(shù)模量的大小排序與低頻時相同。整體而言,9%ZT-L對瀝青的抗剪切變形能力提升最大,SBS改性瀝青介于9%ZT-L改性瀝青和7%ZT-L改性瀝青之間。

通過圖2可知,整體上復數(shù)模量的大小關系為:9%ZT-G>SBS>7%ZT-G>5%ZT-G>JZ。在高頻和低頻階段,9%ZT-G與SBS改性瀝青的復數(shù)模量相當。

3.3 直投式SBS改性瀝青低溫流變性能分析

不同種類瀝青的勁度模量和蠕變速率見表6。

表6 不同瀝青的勁度模量和蠕變速率

通過表6數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),在-12℃、-18℃、-24℃下,所有改性瀝青的勁度模量較基質瀝青均有所減小,蠕變速率較基質瀝青有所增大?；|瀝青只有在-12℃時滿足S<300MPa和m>0.3的規(guī)范要求,而ZT-L、ZT-G與SBS改性瀝青在-12℃和-18℃時滿足規(guī)范要求,但在-24℃時不滿足規(guī)范要求。以-18℃下加載60s時各瀝青試樣的蠕變勁度和蠕變速率為例進行對比分析,SBS的加入使勁度模量減小,蠕變速率增大。勁度模量減小表明瀝青的低溫柔性提升,蠕變速率增大表明瀝青的抗裂性能和應力松弛能力得到加強。對于ZT-L和ZT-G,隨著摻量的增大,S值逐漸減小而m值逐漸增大,-18℃下兩種直投式SBS改性劑的摻量為7%時,可以達到與5%常規(guī)SBS改性瀝青相當?shù)牡蜏厝渥冃阅?。由此說明SBS的加入使瀝青具有更好的低溫變形能力且更不易發(fā)生脆性斷裂破壞,直投式SBS可以有效增強瀝青的低溫蠕變性能。

3.4 直投式SBS改性瀝青作用機理分析

各瀝青樣品的FTIR測試結果對比見圖3。

圖3 3種改性劑紅外光譜測試對比圖

對比發(fā)現(xiàn),三者均存在可以用來表征SBS的波長為966cm-1的丁二烯非共軛碳碳雙鍵(C=C)振動峰。ZT-L改性劑存在特有的1740cm-1、1709cm-1酮基(C=O)振動峰。酮基是醛、酮、羧酸衍生物等官能團的組成部分,可以發(fā)生加成反應和還原反應。醛酮的氧原子可以與水形成氫鍵,低級醛酮能夠與水反應,并且酮類物質可以對氧化反應起到抑制作用,對瀝青的抗老化性能有一定程度的提升。推測該官能團的出現(xiàn)是由于ZT-L改性劑中含有可以增強改性劑水溶性的物質,能夠使改性劑更好地熔融分散在瀝青中。ZT-G改性劑存在特有的1367cm-1甲基(-CH3-)傘式振動峰,推測是因為ZT-G改性劑中加入了蒸餾油組分。

對基質瀝青、常規(guī)濕法SBS改性瀝青、ZT-L改性瀝青和ZT-G改性瀝青進行紅外光譜測試,結果見圖4、圖5。

圖4 基質瀝青、ZT-G改性劑與改性瀝青對比圖

圖5 濕法SBS改性瀝青與直投式改性瀝青對比圖

由以上紅外光譜圖可知:常規(guī)濕法SBS、ZT-L與ZT-G改性瀝青紅外光譜主要峰值位置基本相同,表征基質瀝青的1377cm-1、810cm-1處的特征峰與表征SBS的966cm-1、699cm-1處的特征峰均有明顯體現(xiàn)。

基質瀝青在加入常規(guī)濕法SBS和ZT-G改性劑后,紅外光譜圖基本為簡單疊加狀態(tài),由此證明改性劑與瀝青主要發(fā)生物理共混。ZT-L改性劑存在酮基(C=O)振動峰,但ZT-L改性瀝青的光譜圖中該特征峰消失,這是因為酮基在酸性條件下會反應生成酸或醇,由此證明ZT-L改性劑與基質瀝青混合過程中發(fā)生了少量化學反應。

4 結論

(1)兩種直投式SBS改性瀝青性能均較好,能夠滿足規(guī)范及使用要求。

(2)7%摻量的兩種直投式SBS改性瀝青的性能與5%摻量的常規(guī)濕法SBS改性瀝青性能相當。

(3)常規(guī)濕法SBS和ZT-G改性劑與基質瀝青主要發(fā)生物理共混,而ZT-L改性劑與基質瀝青混合過程中發(fā)生少量化學反應。