不同改性瀝青高低溫性能研究

賢有汞，侯劍楠

(1.廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

高溫變形破壞與低溫車轍損壞是瀝青路面的主要病害類型，其不僅會顯著降低瀝青路面的服務(wù)性能和使用壽命，也會嚴重影響道路行車安全，而改性瀝青可有效提升瀝青路面的路用性能，減少瀝青路面的病害。其中，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青在我國運用最為廣泛，其可顯著改善瀝青及瀝青混合料的高溫性能，也可在一定程度上提高瀝青低溫性能，但由于其價格高昂未能得到進一步大規(guī)模應(yīng)用。同時，其他常用的改性劑還包括多聚磷酸(PPA)及特立尼達湖瀝青(TLA)。PPA作為一種化學(xué)改性劑，價格低廉、加工簡易方便，但其一般僅作為改善瀝青高溫性能的改性劑[1]。TLA與基質(zhì)瀝青成分類似，從而與瀝青具有良好的相容性，TLA的添加不存在離析，且無須復(fù)雜的加工，簡單攪拌即可完成[2]，因此TLA在市場上也具有一定的應(yīng)用規(guī)模。

目前，大量研究人員針對不同改性劑的改性效果及機理展開了廣泛研究[3-5]，但關(guān)于不同改性劑對瀝青改性效果的對比研究較少，為此，本文展開SBS改性瀝青及兩種常用的PPA改性瀝青和TLA改性瀝青的高低溫性能對比研究，尋求最優(yōu)瀝青改性方案，以期指導(dǎo)相關(guān)工程項目應(yīng)用。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗材料

(1)基質(zhì)瀝青：選取某90#基質(zhì)瀝青，其相關(guān)性能參數(shù)滿足《公路瀝青施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的要求，相關(guān)技術(shù)指標如表1所示。

(2)改性劑：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性劑選用河北某石化廠的SBS4303顆粒；多聚磷酸(PPA)改性劑選用上海某化工試劑廠生產(chǎn)的110%多聚磷酸；所選用的特立尼達湖瀝青(TLA)各項基礎(chǔ)性能數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 90#基質(zhì)瀝青各項指標檢測結(jié)果表

表2 特立尼達湖瀝青(TLA)各項指標檢測結(jié)果表

1.2 改性瀝青的制備

(1)SBS改性瀝青：SBS改性瀝青采用高速剪切機制備，制備流程如下頁圖1所示。先分別將基質(zhì)瀝青與SBS改性劑置于150 ℃及50 ℃的烘箱中脫水烘干，然后將按摻配比例稱量好的SBS改性劑投入基質(zhì)瀝青中，并保持溫度為140 ℃～150 ℃，攪拌20 min后置于160 ℃烘箱中進行溶脹；然后采用高速剪切機剪切20 min，使SBS改性劑得到充分分散，控制剪切速率為5 000 r/min，剪切溫度為170 ℃；剪切完成后再放入160 ℃的恒溫烘箱中發(fā)育制得成品SBS改性瀝青。本研究SBS改性瀝青預(yù)設(shè)3%、4%、5%三種SBS改性劑摻量。

圖1 SBS改性瀝青制備工藝流程圖

(2)TLA改性瀝青制備：TLA瀝青為高密度、高灰分含量改性劑，分別將基質(zhì)瀝青與TLA瀝青加熱融化，然后先將基質(zhì)瀝青置于改性用容器中，再將TLA瀝青按摻配比例倒入基質(zhì)瀝青中，在170 ℃條件下采用高速剪切機剪切30 min，剪切速率控制為3 500 r/min，最后放入150 ℃的烘箱中保溫30 min排出氣泡。本研究按10%、20%、30%三種摻量制備TLA改性瀝青。

(3)PPA改性瀝青制備：先將基質(zhì)瀝青在150 ℃的烘箱中均勻加熱脫水，然后按摻配比例稱量PPA改性劑投入瀝青中，采用高速剪切機以4 500 r/min剪切速率分散，剪切溫度為170 ℃，剪切時間為30 min，最后將改性瀝青置于180 ℃的烘箱中溶脹發(fā)育1 h。本研究按0.5%、1%、1.5%三種摻量制備PPA改性瀝青。

1.3 試驗方法

1.3.1 常規(guī)性能試驗

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T0604-2011、T0606-2011、T0605-2011試驗方法，分別檢測不同改性瀝青的針入度、軟化點、延度。

1.3.2 DSR評價試驗

(1)采用動態(tài)剪切流變試驗(DSR)進行溫度掃描試驗，測定改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ，依據(jù)SHRP提出的抗車轍因子G*/sinδ來表征瀝青抵抗高溫車轍變形的能力。復(fù)數(shù)剪切模量G*是材料的最大剪切應(yīng)力與最大剪切應(yīng)變之比，表征材料在重復(fù)剪切荷載作用下變形總阻力的度量參數(shù)，相位角δ表征材料的粘彈性特征，δ越小說明材料粘彈性越強。

(2)多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(MSCR)采用“加載-卸載”的模式在DSR上進行，選用3.2 kPa的蠕變應(yīng)力在64 ℃的溫度條件下對多種改性瀝青進行測試，以平均應(yīng)變恢復(fù)率R評價其高溫抗變形能力。

2 高溫性能

2.1 基于常規(guī)試驗的高溫性能研究

對不同摻量下的SBS改性瀝青、PPA改性瀝青和TLA改性瀝青進行針入度和軟化點試驗，結(jié)果如圖2所示。

(1)SBS、PPA、TLA均可有效改善瀝青的高溫性能，其中SBS的改性效果最佳。與原基質(zhì)瀝青相比，SBS、PPA、TLA改性瀝青的針入度均顯著下降，軟化點有所提升，其中SBS改性瀝青的軟化點值最大，達到73.8 ℃，提升幅度超過50%。

圖2 不同改性瀝青針入度、軟化點對比柱狀圖

(2)TLA對于瀝青的高溫性能改性效果良好，隨著摻量的增加，高溫性能逐漸增強，且TLA對于針入度的影響最為顯著。隨著TLA摻量的增多，瀝青軟化點增大，針入度顯著下降，在所有改性瀝青中，30%摻量下的TLA改性瀝青針入度最小，這是由于TAL瀝青中大量活性點吸引瀝青中的小分子物質(zhì)，形成以TAL瀝青為中心的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進而改善瀝青高溫性能。

(3)PPA可有效改善瀝青的高溫抗變形和高溫穩(wěn)定性能，且隨著PPA摻量的增多，改性瀝青高溫性能逐漸上升，達到一定范圍后，提升幅度有所減緩。PPA摻量從0.5%到1%時，改性瀝青軟化點從50.2 ℃提升至57.6 ℃，而PPA摻量從1%增加至1.5%時，改性瀝青的軟化點僅提高1.7 ℃。

2.2 基于DSR的高溫性能研究

基于DSR開展溫度掃描試驗與MSCR試驗，進行不同摻量下SBS改性瀝青、PPA改性瀝青、TLA改性瀝青高溫性能的對比研究。

2.2.1 溫度掃描試驗

對不同摻量下的SBS改性瀝青、PPA改性瀝青和TLA改性瀝青進行試驗，測定不同改性瀝青不同溫度下的相位角δ、復(fù)數(shù)剪切模量G*，依據(jù)SHRP提出的抗車轍因子G*/sinδ來表征瀝青抵抗高溫車轍變形的能力，G*/sinδ越大，表明瀝青的抗車轍性能越強。具體試驗結(jié)果如圖3～6所示。

圖3 不同SBS摻量改性瀝青車轍因子對比曲線圖

圖4 不同PPA摻量改性瀝青車轍因子對比曲線圖

圖5 不同TLA摻量改性瀝青車轍因子對比曲線圖

圖6 不同改性瀝青車轍因子對比曲線圖

(1)溫度與車轍因子G*/sinδ存在明顯的相關(guān)性，隨著溫度的升高，不同改性瀝青的車轍因子均明顯減小，說明隨著溫度升高，瀝青流動性增大，從而降低其高溫抗車轍性能，因此實際工程中提升瀝青的抗車轍性能具有重要意義。

(2)TLA的摻量與改性瀝青高溫抗車轍性能呈正相關(guān)，隨著TLA摻量的逐漸增大，改性瀝青車轍因子逐漸增大，且提升幅度有小幅上升。70 ℃的溫度條件下，TLA摻量從10%到20%的改性瀝青車轍因子提升了3.77 kPa，摻量從20%增加至30%，其車轍因子增大了5.57 kPa。

(3)PPA改性瀝青車轍因子隨著PPA摻量的增加而增大，這是由于PPA可與基質(zhì)瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得瀝青的分子量增大，分子間的作用力也相應(yīng)增大，在微觀上抵抗變形能力越強，說明PPA可以有效改善瀝青的高溫性能。而隨著溫度的上升，PPA摻量對其性能的提升影響相對減弱，因此在PPA摻量的選取上應(yīng)多考慮溫度的影響，1%的PPA摻量是較為合適的。

(4)不同改性劑均可有效提升瀝青的高溫抗車轍性能，其中SBS的改性效果最佳。由于過高摻量的PPA、TLA會嚴重影響瀝青的低溫性能(如30%TLA改性瀝青的15 ℃延度為27.6 cm，1.5%PPA改性瀝青的10 ℃延度為44.0 cm)，因此分別優(yōu)選20%TLA、1%PPA改性瀝青與4%SBS改性瀝青進行高溫性能提升的比較，發(fā)現(xiàn)在不同溫度條件下，4%SBS摻量改性瀝青車轍因子的提升幅度最大。

2.2.2 MSCR試驗

對不同摻量下的SBS改性瀝青、PPA改性瀝青、TLA改性瀝青進行試驗，在3.2 kPa蠕變應(yīng)力和試驗溫度60 ℃下的試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同改性瀝青平均應(yīng)變恢復(fù)率R對比柱狀圖

(1)3種改性方式均可顯著提升瀝青的高溫性能，其中SBS和TLA的提升效果較為明顯，且與改性劑摻量呈正相關(guān)。隨著SBS和TLA摻量的增加，改性瀝青平均應(yīng)變恢復(fù)率R逐漸增大，表明可恢復(fù)應(yīng)變所占比例增大，瀝青彈性變形能力逐漸增強，SBS、TLA的摻入均提升了其高溫抗車轍性能。

(2)PPA可有效改善瀝青的高溫性能，且改善效果隨摻量的增大而增強。0.5%PPA摻入后，瀝青平均應(yīng)變恢復(fù)率R從0.2%提升至6.8%，這是由于多聚磷酸與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，促進了瀝青中的膠質(zhì)向瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)變，因此增強了瀝青的高溫性能。

(3)根據(jù)前文優(yōu)選20%TLA、1%PPA改性瀝青與4%SBS改性瀝青進行高溫性能提升的比較，發(fā)現(xiàn)4%SBS改性瀝青平均應(yīng)變恢復(fù)率R的提升幅度最大，1%PPA改性瀝青的提升幅度最小。

根據(jù)DSR及MSCR試驗可知，SBS、TLA、PPA三種改性劑均可有效提升瀝青的高溫性能，且提升效果隨改性劑摻量的增加而增強，其中4%SBS摻量下的改性瀝青對低溫性能影響較小，因此其高溫性能最佳。

3 低溫性能

對不同摻量下的SBS改性瀝青、PPA改性瀝青、TLA改性瀝青進行延度試驗，結(jié)果如下頁圖8～10所示。

圖8 不同SBS摻量改性瀝青延度曲線圖

圖9 不同TLA摻量改性瀝青延度曲線圖

圖10 不同PPA摻量改性瀝青延度曲線圖

(1)SBS改性劑可有效提升瀝青的低溫性能，但隨著摻量的增多提升效果降低，過量摻入SBS會影響改性瀝青的低溫性能。隨著SBS的摻入，瀝青5 ℃延度大幅增加，不同SBS摻量下的改性瀝青5 ℃延度均>41 cm，遠大于基質(zhì)瀝青的7.8 cm，但隨著SBS摻量的增加，瀝青5 ℃延度呈先增大后減小的趨勢。

(2)TLA的摻入嚴重影響了瀝青的低溫性能，且不利影響隨摻量的增加而加重，因此必須嚴格控制TLA的摻量。隨著TLA的摻入，瀝青15 ℃延度降幅較大，從基質(zhì)瀝青的148.1 cm減至10%TLA摻量改性瀝青的69.4 cm，且隨著TLA摻量的增加，瀝青15 ℃延度降幅也逐漸增大。

(3)少量PPA的摻入可改善瀝青的低溫性能，但隨著PPA摻量的增大，逐漸對瀝青的低溫性能產(chǎn)生不利影響。0.5%PPA摻量下，瀝青10 ℃延度有所增加，從基質(zhì)瀝青的58.6 cm增至70.0 cm，但1.5%PPA摻量下改性瀝青10 ℃延度則降至44.0 cm。

(4)基于瀝青的常規(guī)高低溫性能，推薦三種改性劑的摻量分別為：20%TLA、1%PPA與4%SBS。

4 結(jié)語

(1)SBS、PPA和TLA均可有效改善瀝青的高溫性能，且改善效果隨改性劑摻量的增加而增強。

(2)PPA、TLA的摻入會影響瀝青的低溫性能，且隨著摻量的增加，對于瀝青低溫性能的不利影響也逐漸加劇，因此對于改性瀝青改性劑摻量的選擇，應(yīng)關(guān)注改性劑對于瀝青低溫性能的影響，防止所制得改性瀝青的低溫性能無法滿足要求。

(3)在最佳改性劑摻量下，SBS、PPA和TLA改性瀝青的高溫性能改善效果排序為：4%SBS改性瀝青>20%TLA改性瀝青>1%PPA改性瀝青。