APAO&SBS復(fù)合改性瀝青性能研究

孔令云，管明陽，全秀潔

(1.重慶交通大學(xué) 交通土建工料國家地方聯(lián)合實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

SBS改性瀝青因有良好的路用性能在道路建設(shè)中廣泛使用[1-2]。但SBS改性瀝青是物理改性，即SBS與瀝青是機械地分散和包裹，則容易導(dǎo)致兩相之間離析，從而影響改性瀝青的質(zhì)量和技術(shù)指標[3-4]。研究發(fā)現(xiàn)，非晶型α-烯烴共聚物(APAO)可改善瀝青的高溫穩(wěn)定性能和抗老化性能[5-7]。故利用復(fù)合改性技術(shù)對瀝青進行復(fù)合改性，使其各改性劑之間相互促進和補充[8-9]。

根據(jù)APAO的研究[10-13]，不同類型的APAO，其性能有顯著的差異?；诖吮疚牟捎?種型號的APAO與SBS進行復(fù)合改性，制備了5種APAO&SBS復(fù)合改性瀝青，并對比SBS改性瀝青與5種APAO&SBS復(fù)合改性瀝青的高溫性能、溫度敏感性能、抗老化性能和微觀分散情況，以此來選擇較好的APAO&SBS復(fù)合改性瀝青。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

α-烯烴共聚物(APAO)，由遼陽奇達化工有限公司提供，選用5種不同類型的APAO進行實驗，分別為175#APAO、193#APAO、126#APAO、056#APAO、192#APAO，技術(shù)指標見表1;苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS，牌號道改2#)，由巴陵石化有限公司提供，技術(shù)指標見表2;瀝青(基質(zhì)瀝青，牌號昆侖AH-70#)，由昆侖集團農(nóng)牧公司提供，技術(shù)指標見表3。

HR-2806E型瀝青軟化點實驗儀；SZR-9型瀝青針入度測定儀；KOEHLER型瀝青材料延度測定儀；85型瀝青薄膜烘箱；尼康Ts2R-FL倒置熒光顯微鏡。

表1 α-烯烴共聚物(APAO)技術(shù)指標Table 1 Technical specifications for α-olefine copolymer(APAO)

表2 SBS改性劑主要技術(shù)性能指標Table 2 The main technical performance indexes of SBS modifier

表3 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標Table 3 Technical specifications of matrix asphalt

1.2 復(fù)合改性瀝青制備

根據(jù)實驗經(jīng)驗，APAO&SBS復(fù)合改性瀝青應(yīng)先加入SBS溶脹剪切，在SBS改性瀝青進行熟化階段加入APAO一起攪拌，最后置于烘箱中發(fā)育，以此保證瀝青儲存的穩(wěn)定性。因此本實驗采用如下制備過程：將基質(zhì)瀝青放入油浴鍋中預(yù)熱至150 ℃，邊攪拌邊加入2.0%SBS，低速攪拌20 min使SBS在基質(zhì)瀝青中溶脹；升高溫度至180 ℃，用高速剪切機以8 000 r/min的速度剪切溶脹好的瀝青1 h；降低溫度至165 ℃，并加入6%APAO用攪拌機以600 r/min的速度攪拌2 h；將制備好的APAO&SBS復(fù)合改性瀝青放入165 ℃的烘箱中保溫35 min，使APAO&SBS復(fù)合改性瀝青得以發(fā)育，并消除泡沫。

1.3 測試方法

改性瀝青的三大指標(軟化點、針入度、延度)實驗和旋轉(zhuǎn)薄膜加熱實驗(RTFOT)均按照JTGE 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合實驗規(guī)程》中T 0604—2011、T 0606—2011(環(huán)球法)、T 0605—2011、T 0610—2011；瀝青微觀形貌采用熒光顯微鏡進行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同改性瀝青的基礎(chǔ)技術(shù)指標

將制備好的5種復(fù)合改性瀝青與SBS改性瀝青分別進行瀝青針入度、軟化點、延度三大指標實驗，結(jié)果見表4。

表4 不同改性瀝青的三大指標測試結(jié)果Table 4 Three indexes of different modified asphalt were tested

由表4可知，隨著APAO的加入，5種APAO&SBS復(fù)合改性瀝青的軟化點都比SBS改性瀝青的軟化點高，但針入度和延度比SBS改性瀝青小。說明APAO的加入導(dǎo)致瀝青高溫性能提高，正溫區(qū)低溫性能降低；對比5種APAO&SBS復(fù)合改性瀝青的三大指標發(fā)現(xiàn)，A2的軟化點最高，A4的軟化點最低，兩者相差13.6%；A2的延度最高，A5的延度最低，兩者相差133%；A2的針入度最高，A5的針入度最低，兩者相差31.4%。綜上所述，APAO&SBS復(fù)合改性瀝青都具有較好的高溫穩(wěn)定性能，其中193#APAO的高、低溫性能相對于其他幾種APAO較好，因此在滿足技術(shù)要求的情況下考慮成本應(yīng)首選193#APAO與SBS對瀝青進行復(fù)合改性。

2.2 不同瀝青的溫度敏感性

分別測試不同改性瀝青在15，25，30 ℃溫度下的針入度值取對數(shù)，按式(1)進行線性回歸，按式(2)計算針入度指數(shù)，按式(3)計算當(dāng)量軟化點T800。結(jié)果見表5。

lgP=K+Algpen×T

(1)

(2)

(3)

式中，lgP為不同溫度下的針入度對數(shù)；T為實驗溫度(℃)；K為回歸方程常數(shù)；AlgPen為回歸方程系數(shù)。

表5 不同改性瀝青溫度敏感性測試結(jié)果Table 5 Temperature sensitivity test results of different modified asphalt

由表5可知，5種APAO&SBS復(fù)合改性瀝青的針入度指數(shù)比SBS改性瀝青高，說明復(fù)合改性瀝青比單一聚合物改性瀝青具有更低的溫度敏感性。這是因為溶于瀝青中的APAO分散較為均勻，進而形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀體系，限制了瀝青膠體體系的移動，降低了瀝青溫度敏感性[14]；5種APAO&SBS復(fù)合改性瀝青的當(dāng)量軟化點T800比SBS改性瀝青高，說明復(fù)合改性瀝青可以改善瀝青的高溫穩(wěn)定性能；對比5種復(fù)合改性瀝青，發(fā)現(xiàn)A2的針入度指數(shù)、當(dāng)量軟化點T800比其他復(fù)合改性量好，說明193#APAO更具有提高瀝青高溫穩(wěn)定性的能力，這與三大指標實驗數(shù)據(jù)分析的結(jié)論一致。

2.3 不同改性瀝青的抗老化性能

分別進行不同改性瀝青的旋轉(zhuǎn)薄膜加熱實驗，按式(4)計算旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱質(zhì)量變化，按式(5)計算旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱針入度比，按式(6)計算旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱軟化點增量值，結(jié)果見圖1～圖3。

(4)

式中LT——試樣旋轉(zhuǎn)薄膜加熱質(zhì)量變化,%；

m0——盛樣瓶質(zhì)量,g；

m1——旋轉(zhuǎn)薄膜加熱前盛樣瓶與試樣合計質(zhì)量,g；

m2——旋轉(zhuǎn)薄膜加熱后盛樣瓶與試樣合計質(zhì)量,g。

(5)

式中KP——實驗旋轉(zhuǎn)薄膜加熱后殘留物針入度比,%；

P1——旋轉(zhuǎn)薄膜加熱前原試樣的針入度,0.1 mm；

P2——旋轉(zhuǎn)薄膜加熱后原試樣的針入度,0.1 mm。

ΔT=T2-T1

式中ΔT——旋轉(zhuǎn)薄膜加熱實驗后軟化點增值,℃；

T1——旋轉(zhuǎn)薄膜加熱實驗前軟化點,℃；

T2——旋轉(zhuǎn)薄膜加熱實驗后軟化點，℃。

圖1 旋轉(zhuǎn)薄膜加熱實驗質(zhì)量變化Fig.1 Quality change of rotating film heating test

圖2 旋轉(zhuǎn)薄膜加熱實驗針入度比Fig.2 Rotating film heating test needle penetration ratio

圖3 旋轉(zhuǎn)薄膜加熱實驗軟化點增量Fig.3 Rotating film heating test softening point increment

由圖1～圖3可知，旋轉(zhuǎn)薄膜加熱實驗質(zhì)量損失的大小關(guān)系為A5>A1>A4>A3>A2>S；針入度比的大小關(guān)系為A2>A1>A4>A3>A5>S；軟化點增量的大小關(guān)系為S>A5>A3>A4>A2>A1。復(fù)合改性瀝青與SBS改性瀝青相比，前者的旋轉(zhuǎn)薄膜質(zhì)量變化增大，但針入度比也增大，且軟化點增量較小。綜合而言，復(fù)合改性瀝青的抗老化性能較好；對比5種復(fù)合改性瀝青，A2的抗老化性能相對較好，A5的抗老化性能相對較差，所以在道路施工中，應(yīng)盡可能選用193#APAO，這與三大指標實驗數(shù)據(jù)、溫度敏感性分析所得的結(jié)論一致。

2.4 不同改性瀝青的微觀形貌

不同改性瀝青的微觀形貌照片見圖4。

由圖4可知，SBS在瀝青中分散較為均勻，但呈現(xiàn)微小的顆粒狀態(tài)，連續(xù)性不好；APAO&SBS復(fù)合改性瀝青中，SBS分散于APAO和瀝青所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，使SBS的連續(xù)性增強，整個體系更加牢固，說明APAO可以改善SBS在瀝青中的連續(xù)性；比較5種APAO&SBS復(fù)合改性瀝青，A2中SBS的連續(xù)性和分散性相對較好，說明該復(fù)合改性瀝青穩(wěn)定性好，不易離析，可以較長時間存儲。

圖4 不同改性瀝青微觀形貌的熒光顯微鏡照片F(xiàn)ig.4 Fluorescence microscopy of different modified asphalt micromorphology

3 結(jié)論

(1)與SBS改性瀝青相比，5種APAO&SBS復(fù)合改性瀝青均具有相對較好的高溫穩(wěn)定性能、感溫性能、抗老化性能和相容性，而低溫延展性能相對較低。

(2)5種復(fù)合改性瀝青均形成了穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了瀝青中SBS的連續(xù)性，使其SBS可以穩(wěn)定分散于瀝青中，改善了SBS的存儲穩(wěn)定性，同時APAO的加入提高了瀝青的凝聚力，從而固定了瀝青膠體體系，有助于改善瀝青的溫度敏感性和抗老化性能。

(3)對比5種復(fù)合改性瀝青，高溫性能、溫度敏感性和抗老化性能相對較好的是193#APAO&SBS復(fù)合改性瀝青，表明不同類型的APAO對瀝青性能的改善有差異，因此在滿足技術(shù)要求的條件下，可以選擇193#APAO對瀝青進行改性；同時為APAO路用性能的研發(fā)提供了參考。