多聚磷酸/液體丁苯橡膠復(fù)合改性瀝青流變性能研究

樊 崢

(廣西交通投資集團(tuán)南寧高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

瀝青路面作為高等級(jí)道路的主要路面結(jié)構(gòu)形式,具有噪音小、平整度高、抗滑性能良好、施工便捷等特點(diǎn)。由于交通需求的日益增長(zhǎng)和環(huán)境溫度的頻繁變化,普通瀝青路面已無(wú)法滿足目前交通運(yùn)輸?shù)氖褂眯枨?因此研究人員通過(guò)改性瀝青技術(shù),使用天然硬質(zhì)瀝青、廢舊橡膠、聚合物等改性劑提高普通瀝青的技術(shù)指標(biāo),以提高瀝青路面的使用壽命[1]。

多聚磷酸(Polyphosphoric Acid,以下簡(jiǎn)稱(chēng)PPA)是一種由磷酸通過(guò)分子間脫水交聯(lián)而生成的無(wú)機(jī)酸——常溫下為無(wú)色透明的粘稠狀液體,僅需簡(jiǎn)單機(jī)械攪拌即可均勻分散在瀝青中,并提高瀝青的各項(xiàng)技術(shù)性能[2]。PPA與常見(jiàn)的SBS、橡膠粉等聚合物改性劑相比,具有成本低、與瀝青相容性較好等特點(diǎn),有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值[3]。隨著對(duì)PPA改性劑相關(guān)研究和工程應(yīng)用的開(kāi)展,研究人員發(fā)現(xiàn)PPA可能會(huì)降低瀝青的低溫性能,且單一PPA改性瀝青的高溫性能往往低于聚合物改性瀝青,限制了其在實(shí)際工程中的大規(guī)模應(yīng)用[4]。液體丁苯橡膠(Liquid Styrene-Butadiene Rubber,以下簡(jiǎn)稱(chēng)LSBR)是一種由碎屑橡膠在無(wú)氧和高溫環(huán)境下通過(guò)熱解得到的液態(tài)橡膠,研究人員發(fā)現(xiàn)其與瀝青相容性?xún)?yōu)于丁苯橡膠顆粒,并能明顯提高基質(zhì)瀝青低溫性能,具有良好的應(yīng)用潛力。若將PPA與LSBR進(jìn)行協(xié)同改性,將可能同時(shí)發(fā)揮兩種改性劑的優(yōu)勢(shì),克服單一改性劑對(duì)瀝青性能的負(fù)面影響,有利于PPA和LSBR在實(shí)際工程中的推廣使用。因此,本文采用PPA/LSBR復(fù)合改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性,通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)、彎曲梁流變?cè)囼?yàn)與旋轉(zhuǎn)薄膜老化試驗(yàn),研究PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青流變性能與溫度敏感性能,以期對(duì)PPA與LSBR的實(shí)際應(yīng)用提供借鑒。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

本文基質(zhì)瀝青采用殼牌70#瀝青,其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 殼牌70#瀝青技術(shù)指標(biāo)表

1.2 多聚磷酸與液體丁苯橡膠

本文采用勝浩塑膠原料有限公司生產(chǎn)的LSBR,以及云南天耀化工有限公司生產(chǎn)的118%型PPA。其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 118%型PPA主要技術(shù)指標(biāo)表

2 多聚磷酸/液體丁苯橡膠復(fù)合改性瀝青的制備

將殼牌70#瀝青加熱呈熔融狀態(tài)后,加入預(yù)先稱(chēng)量好質(zhì)量的PPA,然后采用高速剪切乳化機(jī)進(jìn)行攪拌剪切(剪切溫度為150 ℃,轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,剪切45 min),然后摻入預(yù)定比例的LSBR,在170 ℃的溫度下以3 500 r/min繼續(xù)剪切60 min,剪切完成后將其放入150 ℃的恒溫烘箱內(nèi)發(fā)育溶脹60 min,即制備得到不同復(fù)配摻量的PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青[5]。

3 多聚磷酸/液體丁苯橡膠復(fù)合改性瀝青流變性能

3.1 高溫流變性能

為研究PPA/LSBR對(duì)瀝青高溫流變性能的影響,本文采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer,以下簡(jiǎn)稱(chēng)DSR)對(duì)不同PPA/LSBR復(fù)配摻量的樣品高溫流變性能進(jìn)行分析。DSR試驗(yàn)參數(shù)為:采用應(yīng)變控制水平為12%的應(yīng)變控制模式,加載頻率為10 rad·s-1,單點(diǎn)測(cè)試溫度分別為64 ℃、70 ℃、76 ℃、82 ℃。試驗(yàn)結(jié)果如表3與圖1、圖2所示。

表3 PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青溫度掃描結(jié)果表

圖1 PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青相位角與車(chē)轍因子曲線圖

圖2 老化后PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青相位角與車(chē)轍因子曲線圖

由表3和圖1～2可知:

(1)基質(zhì)瀝青中摻入2%的LSBR后,同一試驗(yàn)溫度條件下的改性瀝青相位角明顯提高,繼續(xù)摻入PPA后,改性瀝青的相位角發(fā)生明顯降低,且PPA摻量越大,相位角下降幅度越大。結(jié)果表明,LSBR改性劑使瀝青的彈性特征減弱、黏性特征增強(qiáng),對(duì)瀝青抵抗剪切性能產(chǎn)生負(fù)面影響,而PPA改性劑能改善LSBR改性瀝青的粘彈性特征,顯著提高瀝青高溫條件下的彈性特征。

(2)LSBR改性瀝青與基質(zhì)瀝青相比,同一試驗(yàn)溫度下的G*/sinδ降低約4.9%～7.7%,繼續(xù)摻入0.5%～1.5%的PPA進(jìn)行復(fù)合改性后,復(fù)合改性瀝青比LSBR改性瀝青的G*/sinδ提高約66.9%～306.1%。結(jié)果表明單一LSBR改性劑對(duì)瀝青的高溫抗車(chē)轍性能存在一定程度的負(fù)面影響,摻入PPA后能顯著提高LSBR改性瀝青的抗車(chē)轍性能。這是由于PPA與瀝青中的輕組分交聯(lián)形成共價(jià)交聯(lián)物質(zhì),并催化烷基芳烴環(huán)化生成較硬的萘芳烴。此外,PPA與瀝青組分的酸堿中和反應(yīng)、酯化反應(yīng)形成的含磷化合物使得瀝青硬度提升,宏觀表現(xiàn)為復(fù)合改性瀝青的彈性特征增強(qiáng)、抗車(chē)轍性能提高,從而改善瀝青的高溫流變性能。

(3)經(jīng)RTFOT短期老化后,基質(zhì)瀝青的G*/sinδ變化幅度為44.6%～53.7%,2%LSBR單一改性瀝青變化幅度為43.8%～52.9%,PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青變化幅度為20.5%～45.8%,表明PPA能在一定程度上改善瀝青老化前后的性能變化幅度。這是由于PPA能夠延緩瀝青老化過(guò)程中羰基等官能團(tuán)的生成速度,從而提高瀝青的抗老化性能,延長(zhǎng)瀝青使用壽命。

3.2 低溫流變性能

本文采用低溫彎曲梁流變儀(Beam Bending Rheometer,以下簡(jiǎn)稱(chēng)BBR)對(duì)PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青的低溫性能進(jìn)行研究。將瀝青樣品制備成小梁試件后,測(cè)試各組瀝青樣品的蠕變速率m和蠕變勁度S,結(jié)果如表4和圖3所示。

表4 PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果表

圖3 PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青蠕變速率和蠕變勁度曲線圖

由表4和圖3可知:

(1)摻入單一PPA改性劑后,基質(zhì)瀝青同等溫度條件下的蠕變速率明顯下降,且PPA摻量越大蠕變速率越低,繼續(xù)摻入LSBR改性劑后,復(fù)合改性瀝青蠕變速率出現(xiàn)明顯提高。蠕變速率指標(biāo)主要表征瀝青的應(yīng)力松弛性能,其值越大則瀝青低溫條件下響應(yīng)收縮形變速率越快、結(jié)構(gòu)內(nèi)部積累溫度應(yīng)力可能性越低,瀝青低溫抗裂性能越好。結(jié)果表明PPA改性及對(duì)瀝青的低溫應(yīng)力松弛能力存在負(fù)面影響,而摻入LSBR能顯著改善單一PPA改性瀝青的低溫抗裂性能,平衡PPA對(duì)瀝青低溫流變性能的負(fù)面影響。

(2)同一溫度條件下,單一PPA改性瀝青、PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青中的PPA摻量越大,則瀝青的蠕變勁度越大,在摻入LSBR后,瀝青的蠕變勁度則出現(xiàn)明顯下降。蠕變勁度模量反映了瀝青小梁試件抵抗荷載性能,其值越小瀝青在低溫下的變形柔韌能力越強(qiáng),反之蠕變勁度模量越大則瀝青越硬脆。結(jié)果表明PPA改性劑對(duì)瀝青的低溫性能存在負(fù)面影響,摻入LSBR與PPA進(jìn)行復(fù)合改性后,能有效減小PPA改性劑對(duì)瀝青低溫柔韌變形能力的影響,提高復(fù)合改性瀝青的低溫流變性能。這是由于LSBR與SBR結(jié)構(gòu)相似,同時(shí)裂紋尖端處的可塑性變形有利于增強(qiáng)瀝青的低溫抗開(kāi)裂性能。

3.3 PG分級(jí)

本文依據(jù)SHRP中瀝青PG分級(jí)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),基于表3、表4中的DSR與BBR測(cè)試結(jié)果,將PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青的PG等級(jí)匯總?cè)缦马?yè)表5所示。

表5 PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青PG分級(jí)匯總表

由表5可知,單一PPA改性劑對(duì)瀝青PG低溫等級(jí)存在負(fù)面影響,單一LSBR改性劑對(duì)瀝青PG高溫等級(jí)存在負(fù)面影響,但將PPA與LSBR對(duì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性時(shí),能充分發(fā)揮兩種改性劑的優(yōu)點(diǎn),改善單一改性劑對(duì)瀝青性能的負(fù)面影響,提高復(fù)合改性瀝青的PG等級(jí),增強(qiáng)瀝青在環(huán)境溫度和行車(chē)荷載作用下抵抗變形開(kāi)裂的性能。

4 PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青溫度敏感性

為分析PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青溫度敏感性,采用復(fù)數(shù)模量指數(shù)絕對(duì)值|GTS|作為溫度敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)。|GTS|通過(guò)將復(fù)數(shù)模量G*的雙對(duì)數(shù)和測(cè)試溫度T的對(duì)數(shù)進(jìn)行擬合回歸得到,計(jì)算公式如式(1)所示。根據(jù)DSR測(cè)試結(jié)果和式(1),分別計(jì)算|GTS|,結(jié)果如表6所示。

lg[lg(G*)]=GTS×lg(T)+C

(1)

式中:G*——復(fù)數(shù)剪切模量(Pa);

T——試驗(yàn)溫度(K);

C——回歸擬合中常數(shù)項(xiàng);

GTS——復(fù)數(shù)模量指數(shù)。

表6 PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青GTS計(jì)算結(jié)果表

由表6可知,PPA單一改性瀝青、PPA/LSBR復(fù)合改性瀝青的|GTS|值均小于基質(zhì)瀝青,且PPA摻量越大,|GTS|值越小,而LSBR單一改性瀝青的|GTS|值大于基質(zhì)瀝青。復(fù)數(shù)模量指數(shù)絕對(duì)值|GTS|反映了瀝青在溫度上升時(shí)抵抗剪切變形性能的變化幅度。結(jié)果表明,PPA改性劑能夠抑制高溫環(huán)境對(duì)瀝青材料力學(xué)性能的負(fù)面影響,與LSBR復(fù)配時(shí)能夠協(xié)同提高基質(zhì)瀝青的溫度敏感性能,減少LSBR單一改性劑的負(fù)面影響,使瀝青在高溫條件下能夠保持較好的抗剪切性能以抵抗行車(chē)荷載的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于瀝青高溫、低溫流變性能試驗(yàn),研究了PPA/LSBR復(fù)合改性劑對(duì)于基質(zhì)瀝青的粘彈性特征、抵抗車(chē)轍變形性能、低溫應(yīng)力松弛性能、低溫柔韌變形性能等流變性能的影響,得出以下結(jié)論:

(1)PPA改性劑能改善LSBR單一改性瀝青的粘彈性特征、抗車(chē)轍因子,顯著提高復(fù)合改性瀝青高溫條件下的彈性特征、抗車(chē)轍性能,且PPA摻量越大改性效果越好,從而提高瀝青抗熱氧老化性能,延長(zhǎng)瀝青使用壽命。

(2)LSBR改性劑能顯著提高PPA單一改性瀝青的低溫應(yīng)力松弛和柔韌變形性能,明顯提高復(fù)合改性瀝青的低溫抗裂性能。

(3)PPA改性劑能夠抑制高溫環(huán)境對(duì)瀝青材料力學(xué)性能的負(fù)面影響,與LSBR復(fù)配時(shí)能夠協(xié)同提高基質(zhì)瀝青的溫度敏感性能,減小LSBR單一改性劑的負(fù)面影響,使瀝青在高溫條件下能夠保持較好的抗剪切性能以抵抗行車(chē)荷載的作用。

(4)PPA與LSBR對(duì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性時(shí),能充分發(fā)揮兩種改性劑的優(yōu)點(diǎn),改善單一改性劑對(duì)瀝青性能的負(fù)面影響,提高復(fù)合改性瀝青的PG等級(jí),增強(qiáng)瀝青在環(huán)境溫度和行車(chē)荷載作用下抵抗變形開(kāi)裂的性能。當(dāng)摻入1.5%PPA與2%LSBR時(shí),可將基質(zhì)瀝青的PG等級(jí)由PG64-18提高至PG76-18。