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不同結構SBS對改性瀝青高低溫性能影響研究



摘要


使用不同型號的SBS改性劑制備改性瀝青,采用常規性能指標評價方法,頻率掃描、多應力蠕變恢復試驗(MSCR)以及彎曲梁流變試驗(BBR)對改性瀝青的高低溫性能進行評價。研究結果表明:SBS可以有效提高瀝青儲存模量和損失模量,提高瀝青黏彈性能,星型改性劑能較大幅度提升瀝青高溫性能,制備的改性瀝青平均恢復率較高,平均不可恢復蠕變柔量較小,但是與瀝青相容性較差。線型SBS能較大幅度地提升瀝青低溫性能,改性瀝青蠕變勁度減小,且與瀝青相容性較好,丁二烯/苯乙烯嵌段比越大,對瀝青低溫性能提升越明顯,瀝青BBR試驗中的蠕變勁度與常規指標中5℃延度有較好的相關性,可以作為評價瀝青低溫性能的重要指標。



關鍵詞:SBS改性瀝青 | 頻率掃描 | 多應力蠕變恢復試驗 | 蠕變勁度 | 高低溫性能


隨著中國經濟的迅速發展,道路交通建設逐步加快,交通量和汽車軸載不斷增加,加之中國南北氣候差別較大,使得瀝青路面面臨越來越嚴峻的考驗,近年來,車轍、開裂、坑槽等路面病害越發頻繁,與普通重交道路瀝青相比,SBS改性瀝青能有效提高瀝青路面的高低溫性能,增強瀝青路面的高溫抗車轍及低溫抗開裂性能,正得到越來越廣泛的應用。

SBS結構是影響改性瀝青性能的重要因素之一,SBS由于聚合物劑量、粒子大小、內部結構類型、分子量大小等因素的差異產生不同的改性效果。目前,在改性劑SBS應用中,一般認為星型結構的SBS對瀝青性能的提高幅度較大,但是與基質瀝青的相容性較差,導致改性瀝青加工難度較大,線型結構的SBS與基質瀝青相容性較好,但是對瀝青性能提升較小。


國內外對改性瀝青高低溫性能評價方法不同,中國一般采用常規指標分析評價改性瀝青高低溫性能,以軟化點表征改性瀝青的高溫性能,部分學者運用動態力學分析方法對瀝青高溫性能進行分析,通過線性黏彈范圍內的頻率掃描試驗,構建模量主曲線和相位角主曲線,通過全頻范圍內的復數模量大小評價瀝青的高溫性能。美國SHRP計劃中,以車轍因子評價瀝青的高溫抗剪切性能,但是車轍因子在評價改性瀝青高溫性能方面存在一定的缺陷,后來提出以多應力蠕變恢復試驗(MSCR)評價改性瀝青的高溫性能,有學者認為MSCR試驗可以在更高的應變范圍內,測量到改性劑的參數變化,因此可以準確獲得聚合物改性瀝青的力學響應。MSCR試驗中采用平均恢復率和平均不可恢復蠕變柔量來評價改性瀝青的黏彈性能和抗永久變形能力,且平均不可恢復蠕變柔量與瀝青混合料的抗車轍性能具有較好的關聯性。


目前評價改性瀝青低溫性能的傳統指標主要有低溫延度、弗拉斯脆點、測力延度等,SHRP計劃里以低溫彎曲梁流變試驗評價瀝青低溫性能,以蠕變勁度和蠕變率作為瀝青低溫性能的評價指標,蠕變勁度和蠕變率能充分反映瀝青低溫下對應力的累積和松弛性能,與瀝青的實際路用性能關聯性較好。

該文通過采用不同型號SBS制備改性瀝青,結合改性瀝青常規性能分析和美國SHRP瀝青性能評價方法,考察不同結構SBS對改性瀝青高低溫性能的影響,為改性瀝青的實際生產提供指導。



試驗部分

原材料

研究選擇中海70#道路瀝青為基質瀝青,選取巴陵石化生產的SBS4303-2YH796,韓國產SBS501505共4種SBS為改性劑,制備改性瀝青。

基質瀝青及4種SBS改性劑性能指標如表1、2所示。



試驗方案

(1) SBS改性瀝青的制備

先將基質瀝青置于烘箱加熱至較好的流動狀態,外摻2%SBS改性劑,在185℃條件下剪切1h,加入一定比例的穩定劑,調整溫度至180℃,發育一段時間制備出SBS改性瀝青樣品。

(2) SBS改性瀝青性能分析

改性瀝青常規性能指標及低溫性能指標根據JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行分析,高溫性能采用頻率掃描試驗和ASTMD7405-10a多應力蠕變恢復試驗分析。

多應力蠕變恢復試驗是美國聯邦公路局在瀝青重復蠕變試驗基礎上,擴大了應力范圍,選取0.1和3.2KPa兩個應力水平,對旋轉薄膜烘箱試驗殘留物進行加載試驗,試驗首先采用0.1KPa的剪切應力,加載1s,卸載9s,重復10個周期,緊接著采用3.2KPa的剪切應力重復上述步驟。整個試驗共20個周期,耗時200s。采用恢復百分率R以及平均不可恢復蠕變柔量Jnr來評價改性瀝青的高溫流變性能。試驗結果見圖1。




由于中國夏季路面瀝青高溫能達到60℃左右,因此頻率掃描試驗及多應力蠕變恢復試驗選擇的試驗溫度為60℃,頻率掃描試驗應變設定為10%,頻率范圍設定為0.1100rad/s,將少量瀝青樣品放在直徑為25mm的兩平行板間,調整平行板間距為1000μm,用熱刮刀刮去擠出的瀝青,恒溫10min后進行試驗。



結果與討論

SBS改性瀝青常規性能指標分析

試驗結果見表3。由表3可以看出:以SBS4303-2制備的改性瀝青軟化點更高,說明其高溫性能好,其他3種SBS制備的改性瀝青軟化點相差不大,以SBS4303-2制備的改性瀝青60℃動力黏度更大,也進一步證明了其良好的高溫性能,但是SBS4303-2制備的改性瀝青離析更大,說明其貯存穩定性能差,5℃延度指標方面,YH796改性瀝青>LG505改性瀝青>LG501改性瀝青>4303-2改性瀝青,5℃延度指標可以作為評價改性瀝青低溫性能的常規指標,由此可以推出,4種改性瀝青低溫抗開裂性能大小順序如下:YH796改性瀝青>LG505改性瀝青>LG501改性瀝青>4303-2改性瀝青,脆點指標方面,4種改性瀝青差別不大。進行動態剪切流變試驗分析4種改性瀝青的流變性能,其高溫等級均達到了64℃。



頻率掃描試驗

60℃下的頻率掃描結果見圖2。由圖2可以看出:基質瀝青和4種SBS改性瀝青的儲存模量在低頻區和高頻區均相差較大,SBS4303-2改性瀝青儲存模量更高,儲存模量表示交變應力作用下材料存儲并可以釋放的能量,是瀝青彈性性能的表征,4種改性瀝青的儲存模量在低頻區和高頻區均明顯大于基質瀝青,這是由于SBS的摻入提升了瀝青彈性,在低頻區,SBS4303-2改性瀝青儲存模量出現了平臺區,這是多相聚合物體系黏彈松弛行為,是由于體系內形成了松弛應力的骨架,說明SBS4303-2在瀝青中相互交聯,形成了網絡結構,基質瀝青的儲存模量在低頻區出現了散點,這是由于試驗溫度較高,且頻率較低,導致基質瀝青在該區域內處于黏流態,彈性性能較差。損失模量反映的是瀝青變形過程中內部摩擦以熱的形式散失的能量,是瀝青黏性的表征,4種SBS改性瀝青損失模量在低頻區和高頻區均高于基質瀝青,說明SBS的加入也同時提升了瀝青的黏性,瀝青的黏彈性能均得到了顯著提升。



改性瀝青多應力蠕變恢復試驗

圖3為0.1KPa應力作用下,中海70#道路瀝青和4種SBS改性瀝青在MSCR試驗1個周期內蠕變恢復情況。




由圖3可以看出:在同樣的加載條件下,基質瀝青產生的應變明顯大于SBS改性瀝青,4種改性瀝青在應力加載1s時產生的應變大小順序為:SBS505改性瀝青>SBS796改性瀝青>SBS501改性瀝青>SBS4303-2改性瀝青。在蠕變恢復階段,基質瀝青僅在蠕變恢復開始,有很小部分的變形恢復,之后變形恢復基本保持不變,4種改性瀝青在蠕變恢復階段的變形恢復明顯優于基質瀝青,變形恢復大小順序為:SBS4303-2改性瀝青>SBS796改性瀝青>SBS501改性瀝青>SBS505改性瀝青。


根據多應力重復蠕變試驗數據計算得到中海70#道路瀝青與4種SBS改性瀝青在0.1KPa應力以及3.2KPa應力作用下的平均恢復率及平均不可恢復蠕變柔量,如圖4和表4所示。






由圖4和表4可以看出:

①在0.13.2KPa應力作用下,4種改性瀝青的平均恢復率均明顯高于基質瀝青,這是由于SBS改性劑具有橡膠的高彈性和抗疲勞性能,能有效改善瀝青黏彈性能,增強瀝青抗剪切能力;

0.1KPa剪切應力作用下,4種改性瀝青平均恢復率大小順序為:SBS4303-2改性瀝青>SBS505改性瀝青>SBS501改性瀝青>SBS796改性瀝青;

③3.2KPa剪切應力作用下,4種改性瀝青平均恢復率大小順序為:SBS4303-2改性瀝青>SBS796改性瀝青>SBS505改性瀝青>SBS501改性瀝青;

④在0.13.2KPa兩個應力作用下,基質瀝青平均不可恢復蠕變柔量均為更大,SBS4303-2改性瀝青平均不可恢復蠕變柔量均是小的,可見SBS4303-2改性瀝青高溫性能明顯優于其他3種SBS改性瀝青。


改性瀝青低溫彎曲梁流變試驗

根據中國大部分地區對道路瀝青低溫等級的要求,分別在-12-18℃對中海70#道路瀝青和4種SBS改性瀝青進行彎曲梁蠕變勁度試驗。

可以得出:在-12℃下,中海70#道路瀝青的蠕變勁度模量更大,說明在該溫度下其低溫性能差,4種SBS改性瀝青蠕變勁度均較基質瀝青有所下降,說明SBS改性劑的加入提高了瀝青低溫性能,增強了其低溫抗開裂性能,SBS796、SBS505SBS501這3種線型SBS改性劑制備的改性瀝青勁度模量小于SBS4303-2制備的改性瀝青,說明在該溫度下,這3種改性瀝青低溫性能較優,根據勁度模量數值,4種改性瀝青低溫性能優劣順序為:SBS796改性瀝青>SBS505改性瀝青>SBS501改性瀝青>SBS4303-2改性瀝青,這是由于SBS屬于苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物,苯乙烯屬于硬段,有較強的剛性,丁二烯屬于軟段,有較好的黏彈性,丁二烯段比例高,SBS性質傾向于橡膠方面的韌性和彈性,更能加強改性瀝青的低溫性能。在-18℃下,中海70#道路瀝青、SBS505改性瀝青以及SBS501改性瀝青勁度模量相差不大,說明在該溫度下,2%摻量的改性劑未能起到提升瀝青低溫性能作用。



Matest-Pavetest的BBR是一種熱電型低溫瀝青彎曲梁流變儀,用于測試瀝青膠結料在室溫到-40℃(±0.03℃)的彎曲蠕變試驗。 荷載由微型 伺服控制作動器施加,可施加+25N的負載,加載頻率可以從靜態到動態25Hz,無需配置空壓機供應壓縮空氣。瀝青彎曲梁流變儀通過 伺服控制,不需要頻繁校準以及重復調節空氣軸承的壓力。 只需輸入所需的荷載數值,伺服控制的作動器就會以難以置信的 精度施加并保持所設定的荷載。 使用安裝在機器正面的溫度控制器可以非常準確地控制溫度。用戶可以使用控制器或通過軟件設置 浴溫。瀝青彎曲梁流變儀系統的核心是Matest-Pavetest的控制和數據采集系統(CDAS2)和(TestLab)軟件。

常規應用
?瀝青膠結料的彎曲蠕變試驗
?受荷載作用下的裂縫密封低溫特性
?滿足ASTM D6648、 AASHTO T313和SHRP瀝青試驗規 范的瀝青膠結料低溫撓曲蠕變測試

產品特點
瀝青彎曲梁流變儀通過伺服控制的設計不需要經常進行標定和反復 調整空氣軸承的壓力
▍加載頻率從靜態到動態 25Hz
▍不需要配套空壓機提供壓縮空氣
▍采用外置式固態 Peltier 帕爾貼系統直接熱電制冷 (無氟)
▍設計了單獨的空氣 - 水熱交換器
▍集成的單獨式浴槽,使用乙醇作為浴槽介質進行冷卻

▍通過軟件控制設定和監測水浴溫度

全自動荷載閉環控制,無需每次開機手動調整滿點/零點等旋鈕



結論

(1)對中海70#道路瀝青及4種改性瀝青進行了常規性能指標的分析,SBS改性劑能提高瀝青的高低溫性能,星型改性劑在提升瀝青高溫性能方面效果更佳,但是與改性瀝青的相容性差,4種改性劑對瀝青脆點的影響相差不大。

(2)采用頻率掃描試驗對中海70#道路瀝青及4種改性瀝青高溫流變性能進行了分析發現,SBS改性劑能明顯提高瀝青的儲存模量和損失模量,提升瀝青黏彈性能,SBS4303-2改性劑效果更好。

(3)采用多應力蠕變恢復試驗評價中海70#道路瀝青及4種改性瀝青高溫性能發現,SBS4303-2改性瀝青平均恢復率更大,平均不可恢復蠕變柔量小,說明4303-2改性瀝青抵抗變形能力強,SBS501、SBS505SBS796,3種改性瀝青平均恢復率及平均不可恢復蠕變柔量相差不大,說明SBS改性劑的空間結構和分子量是影響改性瀝青高溫抗變形性能的主要因素,SBS嵌段比對改性瀝青高溫性能影響較小。

(4)采用低溫彎曲梁流變試驗評價改性瀝青的低溫性能,在-12℃條件下,瀝青蠕變勁度減小,表明該溫度下SBS改性劑能夠提升瀝青低溫性能-18℃條件下,SBS改性劑效果不明顯。星型SBS改性劑在提高瀝青低溫性能方面效果較差,線型SBS改性劑能有效提升瀝青低溫性能,且丁二烯/苯乙烯嵌段比越高,越有利于提升瀝青的低溫性能。

 

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