基于正交試驗(yàn)的納米ZnO/SEBS復(fù)合改性瀝青性能

鐘曦, 蘇延桂, 劉延金, 王青志, 嚴(yán)德超

(青海大學(xué)土木工程學(xué)院, 西寧 810016)

隨著交通量的持續(xù)增大、車(chē)輛大型化、重載化的日趨嚴(yán)重以及極端環(huán)境氣候的出現(xiàn),導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)車(chē)轍、開(kāi)裂等病害,病害的存在極大地縮短了瀝青路面的使用壽命,對(duì)其在中國(guó)夏熱冬冷地區(qū)的應(yīng)用帶來(lái)很大的局限性[1-5]。普通的基質(zhì)瀝青已經(jīng)無(wú)法滿足路面日益嚴(yán)苛的使用要求。為改善瀝青路面抵御病害的能力,改性劑得到國(guó)內(nèi)外科研工作者的青睞。目前國(guó)內(nèi)外常用的主要是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物物(SBS)、丁苯橡膠(SBR)、氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)等多種聚合物改性瀝青。摻入聚合物的瀝青具有優(yōu)異的性能,所以一直是改性的主流方向[6-9],SBS改性劑加入之后能顯著提高瀝青的高低溫性能,因此廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐,但是在光和熱共同作用后,SBS改性劑中的不飽和雙鍵將會(huì)很容易降解,從而使其性能顯著降低[10]。

SEBS是在SBS基礎(chǔ)上加氫之后得到的線形三嵌段共聚物[11]。相關(guān)研究證實(shí)SEBS改性瀝青的溫度敏感性、相容性以及耐光氧老化性都要比SBS改性瀝青更好[12-15]。但由于聚合物與瀝青存在一定的密度差,使其相容性較差,在微觀層面無(wú)法有效改善瀝青的性能,影響了瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性,這些缺點(diǎn)導(dǎo)致其在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。

近年來(lái),部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)納米材料是提高瀝青性能的另一個(gè)重要方法。Polacco等[16]表明,ZnO可以改變?yōu)r青和聚合物之間的可容性,并進(jìn)一步影響瀝青黏合劑中聚合物性能。Castillo等[17]發(fā)現(xiàn)ZnO納米粒子在降低瀝青混合樣品的蠕變潛力方面起著有效作用。肖鵬等[18]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了納米ZnO/SBS改性瀝青微觀機(jī)理,發(fā)現(xiàn)納米ZnO與基質(zhì)瀝青間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。蘇曼曼等[19]采用分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)對(duì)納米ZnO改性瀝青進(jìn)行模擬研究,發(fā)現(xiàn)納米ZnO顆粒增大了瀝青體系的體積模量、剪切模量和彈性模量,改善了瀝青的高溫性能,從而提高了瀝青的抗剪切能力。

目前研究表明,將納米ZnO、SEBS通過(guò)單摻方式加入瀝青中均能夠使瀝青性能有所改善,而幾乎沒(méi)有對(duì)于納米ZnO/SEBS改性瀝青的研究。因此,現(xiàn)通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)納米ZnO/SEBS改性瀝青的制備方案進(jìn)行優(yōu)化,以此確定最優(yōu)配方。并將復(fù)合改性瀝青與納米ZnO改性瀝青、SEBS改性瀝青、基質(zhì)瀝青進(jìn)行比較分析,研究納米ZnO/SEBS改性瀝青的黏滯性、高低溫性能、感溫性及高低溫連續(xù)分級(jí)溫度,為推動(dòng)納米ZnO/SEBS改性瀝青在道路中的廣泛應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

選擇70#基質(zhì)瀝青,相關(guān)性能指標(biāo)如表1所示。粒徑范圍20～30 nm的納米ZnO為廣州納諾化學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn),其顏色為白色偏淡黃色,純度為99.9%,化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果如表2所示。SEBS改性劑為岳陽(yáng)巴陵石化生產(chǎn)的YH-503,其各項(xiàng)指標(biāo)如表3所示。

表2 納米ZnO的化學(xué)成分及含量Table 2 Chemical composition and content of nano-ZnO

表3 SEBS(YH-503)基本性能指標(biāo)Table 3 Basic performance indexes of SEBS(YH-503)

1.2 復(fù)合改性瀝青的制備

納米ZnO/SEBS復(fù)合改性瀝青中加入瀝青總質(zhì)量4%、5%、6%的SEBS,加入瀝青總質(zhì)量2%、3%、4%的納米ZnO;在制備時(shí),兩種材料投放順序?qū)ψ罱K改性瀝青的性能有一定程度影響,所以試驗(yàn)選取3種制備方案。

1.2.1 方案1

將基質(zhì)瀝青放入140 ℃烘箱2 h,使瀝青呈熔融狀態(tài),再通過(guò)攪拌將SEBS、納米ZnO分多次加入,用攪拌機(jī)攪拌10～20 min,在165 ℃下用5 000 r/min乳化剪切機(jī)剪切不少于1 h,攪拌15 min并放入140 ℃烘箱中溶脹發(fā)育1 h,制備完成。

1.2.2 方案2

將基質(zhì)瀝青放入140 ℃烘箱1.5 h,使其呈熔融狀態(tài),將SEBS加入熔融狀態(tài)的基質(zhì)瀝青中,攪拌10～20 min,165 ℃下用5 000 r/min乳化剪切機(jī)剪切0.5 h;加入納米ZnO,人工攪拌10～20 min,165 ℃下用5 000 r/min乳化剪切機(jī)剪切0.5 h,攪拌15 min并放入140 ℃烘箱中溶脹發(fā)育1 h,制備完成。

1.2.3 方案3

外摻劑放入順序與方案2剛好相反,因此瀝青改性時(shí)先放入納米ZnO,后加入SEBS,制備流程同方案2一致。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

基于正交試驗(yàn)結(jié)果分析,確定納米ZnO和SEBS的最優(yōu)摻量以及最佳投料方式。再依據(jù)瀝青試驗(yàn)規(guī)范,開(kāi)展三大指標(biāo)、布氏旋轉(zhuǎn)黏度、溫度掃描、多應(yīng)力蠕變、高低溫流變等試驗(yàn),以此對(duì)納米ZnO改性瀝青、SEBS改性瀝青、復(fù)合改性瀝青、基質(zhì)瀝青的黏滯性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、感溫性能和高低溫連續(xù)分級(jí)溫度對(duì)比分析。

2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)綜合可比性

試驗(yàn)擬定三因素三水平,選用L9(34)正交表:SEBS摻量(4%、5%、6%)、納米ZnO摻量(2%、3%、4%)、制備方案(方案1、方案2、方案3),不考慮因素的相互作用,令SEBS摻量為因素A、納米ZnO摻量為因素B、制備方案為因素C,試驗(yàn)因素水平表如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)因素水平表Table 4 Factor level of orthogonal test

利用正交試驗(yàn),對(duì)納米ZnO/SEBS復(fù)合改性瀝青開(kāi)展三大指標(biāo)試驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析,從而找到制備此復(fù)合改性瀝青的最佳摻量以及制備方法。正交試驗(yàn)方案如表5所示。

表5 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案Table 5 Orthogonal design test scheme

通過(guò)已確定的方案開(kāi)展試驗(yàn),其結(jié)果如表6所示。

表6 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of orthogonal design

2.2 正交試驗(yàn)水平均值分析

利用軟化點(diǎn)、5 ℃延度、25 ℃針入度這3個(gè)基本指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的高、低溫性能以及黏滯性能。3個(gè)因素對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)指標(biāo)如圖1～圖3所示。

圖1 各因素對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響Fig.1 Influence of various factors on softening point of asphalt

2.2.1 軟化點(diǎn)

軟化點(diǎn)是瀝青在受熱之后軟化下落的溫度,它是表征瀝青高溫性能的一個(gè)主要指標(biāo)。軟化點(diǎn)的測(cè)量值大則證明瀝青高溫性能好。如圖1所示,對(duì)軟化點(diǎn)進(jìn)行均值分析,在SEBS摻量條件下,均值顯示K3>K2>K1,表明SEBS摻量下水平3為最優(yōu)的制備組合,以此類推,在納米ZnO摻量條件下2最大,表明納米ZnO摻量下水平2為最優(yōu)的制備組合,在制備方法條件下,K2最大,表明因素C下水平2為最優(yōu)的制備組合。

不同因素的水平變化對(duì)數(shù)據(jù)的影響能夠用極差去反映,極差如果越大,則證明這個(gè)因素在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)的影響最顯著,根據(jù)表6瀝青軟化點(diǎn)的極差結(jié)果可知各因素對(duì)軟化點(diǎn)的影響程度由大到小順序?yàn)?SEBS摻量、納米ZnO摻量、制備方法。隨著SEBS摻量增加,瀝青軟化點(diǎn)逐漸提升,當(dāng)加入的SEBS從5%提高至6%時(shí),瀝青軟化點(diǎn)提升的幅度相比4%提高至5%來(lái)說(shuō)更大,但是SEBS摻量的增加則會(huì)導(dǎo)致瀝青黏度更大,從而其施工難度增加,因此適宜的SEBS摻量為5%。又由于納米ZnO摻量從3%增加到4%時(shí),瀝青軟化點(diǎn)有些許下降,考慮到經(jīng)濟(jì)原因,因此適宜的納米ZnO摻量為3%。對(duì)于軟化點(diǎn)來(lái)說(shuō),最佳制備組合為:A2C2B2。

2.2.2 延度

瀝青5 ℃延度反映了瀝青的低溫抗裂性能,是瀝青的一項(xiàng)基本指標(biāo)。測(cè)得的值大則證明瀝青低溫抗裂性能好。如圖2所示,對(duì)5 ℃延度進(jìn)行均值分析,在SEBS摻量條件下,均值顯示K2>K3>K1,表明SEBS摻量下水平2為最優(yōu)的制備組合,以此類推,在納米ZnO摻量條件下2最大,表明納米ZnO摻量下水平2為最優(yōu)的制備組合,在制備方法條件下,K2最大,表明因素C下水平2為最優(yōu)的制備組合。

圖2 各因素對(duì)瀝青延度的影響Fig.2 Influence of various factors on asphalt ductility

根據(jù)表6瀝青延度的極差結(jié)果可知極差大小為納米ZnO摻量>SEBS摻量>制備方法,SEBS摻量和納米ZnO摻量對(duì)改性瀝青5 ℃延度的影響顯著,制備方法對(duì)改性瀝青5 ℃延度的影響相對(duì)較小。改性瀝青5 ℃延度隨納米ZnO摻量的升高呈先上升后下降趨勢(shì),選定納米ZnO摻量為3%。隨著SEBS摻量的增加,改性瀝青5 ℃延度先快速增加然后減小。當(dāng)SEBS摻量從4%增加到5%時(shí),改性瀝青5 ℃延度增加了53.18%;而摻量從5%增加到6%時(shí),改性瀝青5 ℃延度下降了14.72%。隨著SEBS摻量的增加,改性瀝青對(duì)溫度變化敏感,因此適宜的SEBS摻量為5%。對(duì)于5 ℃延度來(lái)說(shuō),最佳制備組合為:B2A2C2。

2.2.3 針入度

瀝青25 ℃針入度反映的是瀝青黏滯性,值小則證明其黏滯性好。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知:納米ZnO/SEBS復(fù)合改性瀝青針入度都比較低,因此其黏滯性均比較好,但太低的針入度會(huì)導(dǎo)致瀝青的延度下降,并且考慮到其在拌合過(guò)程中的難易程度,因此我們選擇相對(duì)針入度較大的改性瀝青。如圖3所示,對(duì)25 ℃針入度進(jìn)行均值分析,在SEBS摻量條件下,均值顯示K1>K2>K3,表明SEBS摻量下水平1為最優(yōu)的制備組合,以此類推,在納米ZnO摻量條件下2最大,表明納米ZnO摻量下水平2為最優(yōu)的制備組合,在制備方法條件下,K2最大,表明因素C下水平2為最優(yōu)的制備組合。

圖3 各因素對(duì)瀝青針入度的影響Fig.3 Influence of various factors on penetration of asphalt

根據(jù)表6,對(duì)不同因素下瀝青的25 ℃針入度進(jìn)行極差分析,極差大小為SEBS摻量>制備方法>納米ZnO摻量,表明是SEBS摻量對(duì)25 ℃針入度影響最為顯著,而納米ZnO摻量對(duì)其針入度影響是最小的。對(duì)于25 ℃針入度來(lái)說(shuō),最佳制備組合為:A1C2B2。

3 復(fù)合改性瀝青路用性能

因?yàn)椴煌笜?biāo)對(duì)應(yīng)的最佳制備組合不一樣,因此通過(guò)以上3組最佳制備組合進(jìn)行綜合分析,對(duì)于SEBS摻量,考慮到軟化點(diǎn)和5 ℃延度兩個(gè)指標(biāo),可知SEBS的最佳摻量為A2,而納米ZnO的最佳摻量均為B2,最佳制備方法均為C2,因此最佳的制備方案是A2B2C2。

將基質(zhì)瀝青、5%SEBS改性瀝青、3%納米ZnO改性瀝青以及按最佳制備方案制備的納米ZnO/SEBS改性瀝青進(jìn)行延度、軟化點(diǎn)、黏度以及15、25、30 ℃的針入度試驗(yàn),再將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)擬合,計(jì)算出4種瀝青的針入度指數(shù)(PI)、當(dāng)量脆點(diǎn)(T1.2)以及當(dāng)量軟化點(diǎn)(T800)等指標(biāo),再通過(guò)這些指標(biāo)來(lái)對(duì)比分析4種瀝青的路用性能。

3.1 溫度敏感性

針入度指數(shù)是衡量瀝青感溫性的指標(biāo),其值越高,瀝青隨溫度變化就越不敏感。4種類型瀝青的針入度指數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 4種類型瀝青PIFig.4 PI values of four types of asphalt

如圖4所示,3類不同改性瀝青的PI相比基質(zhì)瀝青來(lái)說(shuō)都更大,雖然納米ZnO以及SEBS改性瀝青的PI都大于基質(zhì)瀝青,但納米ZnO/SEBS改性瀝青的PI顯然是最大的,這可能是加入納米ZnO和SEBS后能夠與瀝青發(fā)生特殊的物理化學(xué)反應(yīng),從而一定程度上改變?yōu)r青溫度敏感性[20],因此認(rèn)為納米ZnO/SEBS復(fù)合改性劑能夠顯著降低瀝青感溫性能。

3.2 高溫性能

當(dāng)量軟化點(diǎn)(T800)及軟化點(diǎn)是評(píng)價(jià)瀝青高溫性能的重要指標(biāo),其值越高,瀝青高溫穩(wěn)定性就越好。4種類型瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)及軟化點(diǎn)計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 4種類型瀝青當(dāng)量軟化點(diǎn)和軟化點(diǎn)Fig.5 Equivalent softening point and softening point of four types of asphalt

如圖5所示,3種不同改性瀝青的軟化點(diǎn)及T800值相比基質(zhì)瀝青來(lái)說(shuō)都有明顯增加,因此認(rèn)為3種外摻劑與瀝青改性之后均能使其高溫穩(wěn)定性得到明顯改善;并且復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)以及T800值在4組瀝青中是最大的,且相對(duì)于基質(zhì)瀝青來(lái)說(shuō)增長(zhǎng)大概26.5%和46.3%,因此認(rèn)為納米ZnO/SEBS改性劑能夠顯著改善瀝青的高溫穩(wěn)定性。

3.3 低溫性能

當(dāng)量脆點(diǎn)(T1.2)及5 ℃延度是評(píng)價(jià)瀝青低溫性能的重要指標(biāo),其值越高,瀝青低溫抗裂性就越好。4種類型瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)及5 ℃延度計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖7 4種類型瀝青當(dāng)量脆點(diǎn)Fig.7 Equivalent brittle point of four types of asphalt

如圖6所示,3種不同改性瀝青的5 ℃延度相比基質(zhì)瀝青來(lái)說(shuō)分別提升了86.7%、211.2%、245.9%,因此認(rèn)為摻入這3種改性劑能夠明顯改善瀝青低溫抗裂性。并且復(fù)合改性瀝青的數(shù)據(jù)提升最顯著,因此認(rèn)為SEBS加入瀝青充分改性之后,其分布狀態(tài)同SBS改性瀝青是類似的,即呈現(xiàn)“帶狀”。且納米ZnO的加入能夠與SEBS和瀝青發(fā)生特殊的物理-化學(xué)反應(yīng),并增加瀝青的黏度最終使改性瀝青的低溫性能得到改善。如圖7所示,納米ZnO、SEBS改性瀝青T1.2相比基質(zhì)瀝青來(lái)說(shuō)都出現(xiàn)略微下降,但摻入復(fù)合改性劑的瀝青其T1.2則有大幅度增長(zhǎng)。因此認(rèn)為納米ZnO/SEBS改性劑能夠顯著改善瀝青的低溫抗裂性。

3.4 黏滯性

針入度和布氏旋轉(zhuǎn)黏度是評(píng)價(jià)瀝青稠度以及黏度的重要指標(biāo),通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到4種瀝青15、25、30 ℃的針入度以及135 ℃和175 ℃的布氏旋轉(zhuǎn)黏度,結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 不同溫度下4種類型瀝青針入度Fig.8 Penetration of four types of asphalt at different temperatures

圖9 不同溫度下4種類型瀝青布氏黏度Fig.9 Brinell viscosity of four types of asphalt at different temperatures

如圖8所示,3種外摻劑的加入均能夠在一定程度上降低瀝青的針入度,摻入納米ZnO的瀝青針入度相比較而言下降幅度不太大,但是摻入SEBS改性劑的瀝青針入度下降幅度大于摻入納米ZnO的,因此認(rèn)為是SEBS里面苯環(huán)導(dǎo)致的瀝青具有更高的硬度,并且納米ZnO/SEBS改性瀝青的針入度相比SEBS改性瀝青來(lái)說(shuō)更低,這可能是因?yàn)榧{米ZnO加入與SEBS和瀝青發(fā)生了特殊的物理-化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致復(fù)合改性瀝青針入度降低。也可能是納米ZnO可以改變?yōu)r青和聚合物之間的可容性,并進(jìn)一步影響瀝青黏合劑中聚合物性能[16]。

如圖9所示,納米ZnO/SEBS改性瀝青相比另外3種瀝青來(lái)說(shuō),135 ℃和175 ℃的布氏黏度更大,因此認(rèn)為納米ZnO/SEBS改性瀝青具有相對(duì)較好的抵抗剪切變形能力,拌合的混合料將會(huì)具有較好的抗車(chē)轍能力以及較大的動(dòng)穩(wěn)定度,能夠顯著改善瀝青高溫性能。但實(shí)際工程應(yīng)用中黏度如果太大將使瀝青泵送以及拌合更加困難,納米ZnO/SEBS改性瀝青布氏黏度雖然是最大的,但瀝青黏度仍然符合現(xiàn)場(chǎng)施工的要求(135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度不高于3 Pa·s)。

4 復(fù)合改性瀝青流變性能

SHRP計(jì)劃提到能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變(dynamic shear rheological test,DSR)以及彎曲梁流變(bending beam rheometer,BBR)試驗(yàn)來(lái)表征瀝青的流變性能,溫度掃描試驗(yàn)中的車(chē)轍因子(G*/sinδ)能夠表征瀝青的高溫抗變形能力,BBR試驗(yàn)的蠕變勁度(S)以及蠕變速率(m)能夠直觀地表征瀝青低溫抗裂能力。目前多應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn)被越來(lái)越多學(xué)者用來(lái)進(jìn)一步表征瀝青的高溫性能,試驗(yàn)選擇進(jìn)行64 ℃下的MSCR試驗(yàn)。

4.1 溫度掃描試驗(yàn)

瀝青膠結(jié)料在相對(duì)較低的溫度情況下,會(huì)有著較大的復(fù)數(shù)模量,從而呈現(xiàn)典型的彈性特性;伴隨溫度逐漸提高,瀝青會(huì)慢慢地軟化,復(fù)數(shù)模量也會(huì)慢慢降低,類似于黏性流動(dòng);隨著溫度再次上升,瀝青將會(huì)呈現(xiàn)典型的塑性流淌,這個(gè)狀態(tài)下會(huì)使瀝青更加容易發(fā)生高溫車(chē)轍病害。相位角則能夠表征瀝青在外部應(yīng)力作用時(shí)的應(yīng)變滯后性,其值增大,則證明瀝青中黏性成分增多,將會(huì)更容易導(dǎo)致瀝青不可恢復(fù)變形[21-23]。

圖10～圖12是4種不同瀝青的溫度掃描結(jié)果。

圖10 復(fù)數(shù)剪切模量(G*)隨掃描溫度的變化Fig.10 Variation of complex shear modulus(G*) with scanning temperature

圖11 相位角(δ)隨掃描溫度的變化Fig.11 Phase angle(δ) variation with scanning temperature

圖12 車(chē)轍因子隨掃描溫度的變化Fig.12 Rutting factor variation with scanning temperature

4種不同瀝青的復(fù)數(shù)模量以及相位角具有相似的變化規(guī)律,隨著溫度升高,復(fù)數(shù)模量降低,相位角增大。一般認(rèn)為,具有較大模量的瀝青在高溫下更不易產(chǎn)生變形,相位角則反映瀝青應(yīng)變的滯后性,值越大瀝青的黏性特性越顯著,因此可以認(rèn)為隨著溫度進(jìn)一步升高,瀝青的抗變形能力是逐漸降低的,黏性特性增強(qiáng)。

當(dāng)溫度一致時(shí),4種不同瀝青中基質(zhì)瀝青的模量是最小的,而納米ZnO/SEBS改性瀝青的模量最大,以58 ℃的復(fù)數(shù)模量為例,納米ZnO/SEBS復(fù)合改性瀝青相對(duì)基質(zhì)瀝青增大了6.76倍,在瀝青中摻入SEBS、納米ZnO后對(duì)瀝青的模量提升效果顯著。對(duì)比相同溫度下4種瀝青的相位角可以發(fā)現(xiàn),隨著SEBS、納米ZnO的摻入,瀝青的相位角降低,以58 ℃下的相位角為例,納米ZnO/SEBS復(fù)合改性瀝青相對(duì)于基質(zhì)瀝青降低19.8°,改性劑對(duì)瀝青黏彈特性具有顯著影響。

通過(guò)抗車(chē)轍因子來(lái)進(jìn)一步表征瀝青的高溫抗變形能力,當(dāng)溫度逐漸上升,瀝青的抗車(chē)轍因子將緩慢降低[24]。通過(guò)比較4種瀝青車(chē)轍因子的變化,納米ZnO/SEBS復(fù)合改性瀝青的抗車(chē)轍因子最大,基質(zhì)瀝青最小,大小關(guān)系為SEBS/ZnO復(fù)合改性瀝青>5%SEBS改性瀝青>3%ZnO改性瀝青>70#基質(zhì)瀝青。表明改性瀝青相對(duì)基質(zhì)瀝青具有更好的抗車(chē)轍性能。并且SEBS改性瀝青相比納米ZnO改性瀝青來(lái)說(shuō),擁有更好的高溫抗變形能力。同時(shí)當(dāng)溫度逐漸上升時(shí),改性瀝青車(chē)轍因子變化速率相比基質(zhì)瀝青來(lái)說(shuō)更快。

4.2 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)

由溫度掃描試驗(yàn)可知,當(dāng)溫度逐漸變化時(shí),瀝青黏彈性是逐漸變化的,因此如果評(píng)價(jià)瀝青高溫性能僅僅通過(guò)單一黏性以及彈性,將導(dǎo)致結(jié)論不合理,所以試驗(yàn)還通過(guò)多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(multiple stress creep and recovery,MSCR)進(jìn)一步評(píng)價(jià)高溫性能。采用蠕變恢復(fù)率(R)和不可恢復(fù)蠕變模量(Jnr)作為高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[25]。因?yàn)槟壳爸袊?guó)絕大多數(shù)區(qū)域?yàn)r青路面出現(xiàn)的高溫大約在60 ℃,所以MSCR試驗(yàn)的溫度設(shè)定為64 ℃,通過(guò)測(cè)定4組不同瀝青的蠕變恢復(fù)率(R)以及不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr),來(lái)表征4組不同瀝青延遲黏彈特性以及高溫抗永久變形能力。4種類型瀝青的蠕變恢復(fù)率及不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃咳鐖D13和圖14所示。

圖13 蠕變恢復(fù)率Fig.13 Creep recovery rate

圖14 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縁ig.14 Unrecoverable creep compliance

如圖13所示,在相同應(yīng)力水平下,納米ZnO/SEBS改性瀝青的R是最大的,基質(zhì)瀝青最小,在0.1 kPa與3.2 kPa時(shí),納米ZnO/SEBS改性瀝青的R能夠達(dá)到基質(zhì)瀝青的35.7和141.5倍,因此可知在相對(duì)較高的應(yīng)力水平下,彈性特性差異將會(huì)更加顯著。這也能夠表明納米ZnO/SEBS改性瀝青受外力作用后,相比其他3種瀝青,會(huì)具有更好的恢復(fù)變形能力,擁有更好的高溫穩(wěn)定能力。此外SEBS改性瀝青的R均大于納米ZnO改性瀝青,表明在高溫階段SEBS對(duì)瀝青彈性特性的增強(qiáng)效果優(yōu)于納米ZnO。

平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr可以表征瀝青塑性變形的強(qiáng)度,值越大表明塑性變形越顯著,如圖14所示,在0.1 kPa和3.2 kPa條件下,基質(zhì)瀝青的平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr均處于4種瀝青中的最高水平,也就是說(shuō)基質(zhì)瀝青在應(yīng)力作用下將會(huì)有最大的塑性變形,根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知復(fù)合改性瀝青塑性變形最小,在外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變更容易恢復(fù)。說(shuō)明納米ZnO以及SEBS改性劑的加入能夠大幅增加瀝青的彈性組分,從而讓納米ZnO/SEBS改性瀝青在外力作用的時(shí)候出現(xiàn)更少的殘余永久塑性變形,能夠使改性瀝青擁有更好的承受交通荷載能力。

4.3 低溫流變?cè)囼?yàn)

蠕變速率m表征的是瀝青在較低溫度的荷載作用下的應(yīng)力松弛能力,蠕變速率大,則瀝青的應(yīng)力松弛能力強(qiáng),低溫性能將更好;蠕變勁度S表征的是瀝青在較低溫度的抗變形能力,蠕變勁度大,則表明造成相同應(yīng)變的應(yīng)力將會(huì)更大,瀝青較硬,低溫抗裂性能不好。圖15和圖16為4種類型瀝青的蠕變勁度及蠕變速率。

圖15 不同溫度下4種類型瀝青蠕變勁度Fig.15 Creep stiffness of four types of asphalt at different temperatures

圖16 不同溫度下4種類型瀝青蠕變速率Fig.16 Creep rate of four types of asphalt at different temperatures

如圖15和圖16所示,4種不同瀝青的S和溫度是反比關(guān)系,蠕變速率與溫度成正比關(guān)系。4種不同瀝青S由大到小為:70#基質(zhì)瀝青>3%ZnO改性瀝青>5%SEBS改性瀝青>納米ZnO/SEBS改性瀝青,加入這些外摻劑,瀝青S都出現(xiàn)下降趨勢(shì),特別是當(dāng)加入SEBS后,瀝青S有顯著下降,加入納米ZnO和SEBS后,瀝青S又有進(jìn)一步的下降,因此可知納米ZnO以及SEBS的加入能夠改善瀝青低溫柔韌性,以此來(lái)提高瀝青低溫性能;可知,當(dāng)溫度逐漸下降,瀝青S都慢慢增大,但加入SEBS改性劑的瀝青S增長(zhǎng)程度要小于沒(méi)加SEBS改性劑的瀝青,因此摻入SEBS改性劑可改善瀝青溫度敏感。

相同試驗(yàn)溫度條件下4種瀝青蠕變速率m由大到小為納米ZnO/SEBS復(fù)合改性瀝青>5%SEBS改性瀝青>3%ZnO改性瀝青>70#基質(zhì)瀝青。當(dāng)溫度降低時(shí),m逐漸減小,4種不同瀝青的m下降程度也相差不大,摻入SEBS改性劑和納米ZnO改性劑,瀝青m都能增長(zhǎng),但增長(zhǎng)程度均不如納米ZnO/SEBS改性瀝青明顯,因此認(rèn)為納米ZnO/SEBS改性劑能改善瀝青的應(yīng)力松弛能力。

故進(jìn)一步分析4種瀝青的S和m可知,低溫抗裂性優(yōu)到劣依次是:納米ZnO/SEBS改性瀝青>5%SEBS改性瀝青>3%ZnO改性瀝青>70#基質(zhì)瀝青。

4.4 PG分級(jí)結(jié)果

美國(guó)SHRP瀝青路用性能規(guī)范規(guī)定G*/sinδ≥1 kPa,S≤300 MPa,m≥0.3的溫度為PG分級(jí)溫度,結(jié)合DSR和BBR試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)4組瀝青進(jìn)行PG分級(jí),PG分級(jí)結(jié)果如表7所示。

表7 4種瀝青的PG分級(jí)Table 7 PG classification of four asphalts

由表7可以看出,納米ZnO改性瀝青可以一定程度地提升瀝青的高溫性能和低溫性能,而SEBS改性瀝青對(duì)瀝青的高低溫性能提升更為明顯。將納米ZnO/SEBS復(fù)合進(jìn)行改性時(shí),其高低溫性能提升是最優(yōu)的。明顯改善了瀝青對(duì)車(chē)轍的抵抗力,綜合性能相對(duì)最佳。

5 結(jié)論

選取不同摻量的納米ZnO、SEBS和不同制備方案,利用三因素三水平的正交試驗(yàn),通過(guò)三大基本性能試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析找到最佳的因素水平組合,并通過(guò)布氏旋轉(zhuǎn)黏度以及高低溫流變?cè)囼?yàn),對(duì)比分析基質(zhì)瀝青、納米ZnO改性瀝青、SEBS改性瀝青、納米ZnO/SEBS改性瀝青的高、低溫性能、溫度敏感性和流變性能,得出如下主要結(jié)論。

(1)正交試驗(yàn)均值分析可知,納米ZnO/SEBS改性瀝青中SEBS以及納米ZnO的最優(yōu)摻量是5%和3%,最佳制備方案為先摻加SEBS改性劑,再摻加納米ZnO改性劑,此方法制備的改性瀝青擁有更好的使用性能。

(2)正交試驗(yàn)極差分析可知,在高溫性能方面,SEBS改性劑的影響最大,在瀝青黏滯性以及低溫性能方面,納米ZnO的影響更大;納米ZnO/SEBS改性瀝青制備的最佳條件為納米ZnO摻量為3%、SEBS摻量為5%,制備方案為方案2。

(3)相比基質(zhì)瀝青,納米ZnO/SEBS改性瀝青的溫度敏感性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性分別提升823%、38.5%、148%,3個(gè)性能均有明顯改善。

(4)通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和彎曲梁流變?cè)囼?yàn)可知,4種改性瀝青中,納米ZnO/SEBS復(fù)合改性瀝青的流變性能提升最為顯著,綜合考慮PG分級(jí)結(jié)果,認(rèn)為納米ZnO/SEBS改性瀝青能夠顯著提高瀝青膠結(jié)料的高溫抗變形能力和低溫抗開(kāi)裂能力,其高溫、低溫性能最優(yōu)。