基于固有與改善性能的SBS改性劑最佳摻量確定

吳 迪

(黑龍江省泰斯特森工程檢測有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

1 材料設(shè)計與試驗(yàn)方法

1.1 材料設(shè)計

試驗(yàn)用瀝青采用遼河油田重交90#瀝青，及購買的岳化SBS改性劑。岳化SBS改性劑技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 SBS改性劑的技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

進(jìn)行2%SBS改性瀝青、4%SBS改性瀝青、6%SBS改性瀝青、8%SBS改性瀝青的配置。

在配置過程中，考慮可能影響改性瀝青性能的因素，經(jīng)多次對比試驗(yàn)分析，對拌和溫度、攪拌速率與時間的調(diào)試探究。采用線型SBS添加劑進(jìn)行拌制，最終確定最佳配置方案為：拌合溫度160 ℃、高速剪切儀轉(zhuǎn)速6 500轉(zhuǎn)/分、拌合時間2 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

對90#基質(zhì)瀝青、為2%、4%、6%、8%的SBS改性瀝青，在同等試驗(yàn)條件下進(jìn)行三大指標(biāo)的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由圖1可明顯觀察到在25 ℃溫度下90#瀝青、2%、4%、6%、8%摻量的SBS改性瀝青測得的針入度由較大區(qū)別。90#基質(zhì)瀝青所測得的針入度最大，摻有SBS改性劑的改性瀝青隨SBS改性劑摻量的增加成拋物線趨勢，所測得的針入度試驗(yàn)結(jié)果隨摻量的增加先增加后降低。5 ℃溫度下、15 ℃溫度下五種瀝青測得的針入度試驗(yàn)結(jié)果波動較小。15 ℃溫度條件下不同摻量的SBS改性瀝青針入度試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于90#基質(zhì)瀝青試驗(yàn)結(jié)果，但改善增幅較小。

圖1 瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

對比不同SBS摻量的改性瀝青，在三種溫度條件下針入度均有所改善，對于軟化最高溫度及延度試驗(yàn)時拉伸斷裂時的長度也表面隨著SBS改性劑摻量的增加逐漸增加，代表SBS改性瀝青其對應(yīng)粘度、熱穩(wěn)定度、塑性等性能較90#基質(zhì)瀝青固有性能得到改善。

2.2 密度試驗(yàn)結(jié)果

對90#基質(zhì)瀝青、為2%、4%、6%、8%的SBS改性瀝青在同等條件下瀝青性能方面進(jìn)行密度，收集瀝青物理性能。綜合評定測定五種瀝青的功能性。

圖2 瀝青密度試驗(yàn)結(jié)果

對比90#瀝青、2%、4%、6%、8%摻量的SBS改性瀝青密度測量結(jié)果，可觀察出，隨著SBS改性劑摻量的增加瀝青的密度先降低，后隨著SBS摻量的增加密度又逐漸回升，在SBS改性劑摻量達(dá)到6%時所測得的瀝青密度最低，為變化曲線的谷底。

2.3 流變模型及粘度試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)瀝青流變學(xué)模型

在瀝青流變性的理論研究中，一般用塑性元件，彈性元件和粘性元件或串聯(lián)或并聯(lián)或串聯(lián)加并聯(lián)的方式組成相應(yīng)的模型來分析不同種材料的流變學(xué)特征。通過流變學(xué)模型可以建立流變學(xué)方程，明確應(yīng)變與應(yīng)力、時間等之間的關(guān)系，隨之可以分析不同時間下的各種材料的變化特征。

圖3 Burgers模型

(1)

Burgers模型在其它現(xiàn)有的模型中應(yīng)用較廣的模型，由一個Maxwell模型和一個Kelvin模型串聯(lián)形成，其本構(gòu)方程如式(1)所示。根據(jù)美國的SHRP規(guī)范通過確定E1、Z1、E2、Z2四個參數(shù)，可以了解各種瀝青的粘彈性能。而經(jīng)粘度試驗(yàn)所測得的運(yùn)動粘度及表觀粘度則可明顯的說明瀝青的粘彈特性。

(2)粘度試驗(yàn)結(jié)果分析

通過運(yùn)動粘度和表觀粘度試驗(yàn)，確定改性瀝青粘度及其適合的拌和溫度和壓實(shí)溫度，進(jìn)行改性瀝青工程施工方面的數(shù)據(jù)收集。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 瀝青運(yùn)動粘度和表觀粘度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由圖4可明顯觀察到，五種瀝青所測得的運(yùn)動粘度呈二次方程式曲線關(guān)系，90#所測得的結(jié)果最小，同時，僅針對SBS改性瀝青而言，隨著摻量的逐漸增加，SBS改性劑的運(yùn)動粘度越大，表征SBS改性劑在混合料中能與集料有較強(qiáng)的粘附性。

圖4 瀝青粘度試驗(yàn)結(jié)果

圖4(a)可表明改性后的瀝青抗變形能力得到了大幅度的提升，同時也說明了基質(zhì)瀝青的抗變形能力不如改性瀝青。從另一個角度解釋就是，經(jīng)SBS改性劑改性后的瀝青的運(yùn)動粘度較90#基質(zhì)瀝青固有的運(yùn)動粘度有較大的改善，且隨著改性劑摻量的增加，所需拌合及壓實(shí)溫度增幅較大。

2.4 動態(tài)剪切模量試驗(yàn)結(jié)果

通過動態(tài)剪切模量試驗(yàn)確定改性瀝青高溫方向的PG分級，進(jìn)行各摻量改性瀝青適宜溫域方面的試驗(yàn)。瀝青的動態(tài)剪切模量試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 瀝青動態(tài)剪切模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

瀝青動態(tài)剪切模量作為評價改性瀝青的高溫指標(biāo)，利用動態(tài)剪切模量G*和相位角來評價在試驗(yàn)溫度條件下的粘性和彈性性質(zhì)。由圖5b可明顯觀察到經(jīng)SBS改性劑改性后的改性瀝青所測得的高溫剪切模量與90#基質(zhì)瀝青所測得的動態(tài)模量相差較大。SBS改性瀝青的動態(tài)剪切模量的變化趨勢與SBS改性劑的摻量有較大聯(lián)系，隨著SBS改性劑摻量的增加，動態(tài)剪切模量成拋物線形式變化，隨著SBS改性劑摻量的增加動態(tài)模量先增加后減小。

圖5 瀝青動態(tài)剪切模量試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得的SBS改性劑改性后的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)所表征的瀝青性能優(yōu)于90#基質(zhì)瀝青試驗(yàn)結(jié)構(gòu)所表征的瀝青性能，具體可概括為經(jīng)SBS改性劑改性后的瀝青所獲得的改善性能優(yōu)于瀝青固有性能的結(jié)論。

(2)SBS改性瀝青的流變性能會受到很多因素的影響，對比SBS改性瀝青的車轍因子明顯比基質(zhì)瀝青的大，說明SBS瀝青比基質(zhì)瀝青具備更好的抗高溫車轍能力。

(3)對比不同摻量的SBS改性瀝青各試驗(yàn)結(jié)果，將實(shí)測結(jié)構(gòu)與實(shí)際工程相聯(lián)系，綜合評價認(rèn)為在SBS改性劑產(chǎn)量為4%時，SBS改性劑所得到的綜合改善性能最優(yōu)。在后續(xù)的實(shí)際工程中采用4%摻量的SBS改性瀝青。