熱塑性樹脂改性高黏瀝青的流變性能評價

2023-10-17 08:42:04張文軒李強曾憲輝王家慶王曉威

林業(yè)工程學報 2023年5期

張文軒,李強*,曾憲輝,王家慶,王曉威

(1. 南京林業(yè)大學土木工程學院,南京 210037; 2. 西安建筑科技大學土木工程學院,西安 710055)

隨著海綿城市理念的推廣,排水瀝青路面因其優(yōu)良的排水和降噪等功能,在全球得到越來越廣泛的應用。同時,高黏改性瀝青因其優(yōu)良的黏附性能被大量應用于排水瀝青路面[1]。目前常用的高黏改性劑主要包括熱塑性彈性體類、橡膠類、納米材料類以及樹脂類。熱塑性彈性體和納米材料類改性效果良好,但價格昂貴[2-3];橡膠類材料目前主要采用廢舊橡膠進行瀝青改性,起到了環(huán)保的效果,但橡膠改性高黏瀝青的高溫性能較弱[4];而樹脂類材料具有黏附性好、耐腐蝕性強等優(yōu)點,且更適配于瀝青混合料直投工藝,可避免改性瀝青的離析問題,從而有效降低施工成本[5]。

近年來,已有研究人員對樹脂改性瀝青的制備和性能開展研究。廢舊聚乙烯的摻入能夠使瀝青從疏水狀態(tài)變?yōu)槌杷疇顟B(tài),從而提高瀝青材料的防水性能[6]。Kakar等[7]對廢舊聚乙烯改性瀝青混合料的路用性能進行研究,結果表明,廢舊聚乙烯能夠改變?yōu)r青的膠體結構,從而改善瀝青混合料的高溫抗變形能力與水穩(wěn)定性。采用酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等熱固性樹脂材料作為高黏改性劑可以改善瀝青的溫度敏感性,提升排水瀝青混合料的水穩(wěn)定性和高溫性能,但其低溫抗裂性能較差[5,8]。聚氨酯改性瀝青具有良好的水穩(wěn)定性和低溫抗裂能力,但高溫穩(wěn)定性不理想[9]。聚合物改性的高黏、高彈改性瀝青路用性能雖好,施工方便,但較易離析,儲存穩(wěn)定性差[10]。因此,國內外學者對采用聚合物和樹脂材料復合改性的高黏瀝青進行了研究。劉帆等[10]采用C9樹脂和Styrene-Butadiene-Styrene(SBS)對瀝青進行復合改性,發(fā)現(xiàn)C9樹脂可以增強SBS改性劑對基質瀝青的約束力,從而提高瀝青的感溫性能和高溫性能。聶鑫垚等[11]研究了C9石油樹脂對高黏改性瀝青性能的影響,發(fā)現(xiàn)H/C原子比高的C9石油樹脂能促進SBS與瀝青的相容性,進而可以提升瀝青的路用性能。

上述研究表明,不同類型樹脂材料對于高黏瀝青路用性能的影響規(guī)律并不一致,針對直投式改性高黏瀝青性能方面的研究也較少。筆者采用室內試驗對熱塑性樹脂改性高黏瀝青的黏彈性能、高溫抗變形性能和低溫抗裂性能進行評價,研究改性劑種類、摻量和改性工藝對其流變性能的影響,并通過傅里葉紅外光譜試驗對其改性機理進行分析。

1 材料與方法

1.1 原材料

分別選用70#普通瀝青和SBS改性瀝青作為制備高黏瀝青的基礎瀝青,技術性能見表1。選用兩種高黏改性劑進行對比研究,外觀和技術指標如圖1所示。一種是樹脂類高黏改性劑(SZ),其主要成分為熱塑性樹脂,并輔以部分熱塑性彈性體。熱塑性樹脂具有優(yōu)異的耐高低溫性能,可以在保證黏性的前提下同時提升瀝青的路用性能;另一種是常用的TAFPACK-Super(TPS)改性劑,作為對比組,其主要成分為熱塑性彈性體。

表1 瀝青技術性能Table 1 Properties of asphalt

1.2 高黏瀝青制備方法

為了評價改性工藝的影響,分別通過剪切法和直投法(ZT)制備高黏瀝青。在剪切法中,將70#普通瀝青和SBS改性瀝青分別加熱到140和160 ℃后保持恒溫,將一定劑量的高黏改性劑緩慢加入基質瀝青中,先后以3 000和6 000 r/min的剪切速率分別剪切15和30 min,確保改性劑均勻分布于瀝青中。在直投法中,先將粗、細集料預熱至180 ℃,向其中加入高黏改性劑后先拌和90 s,再加入瀝青拌和90 s,最后加入礦粉拌和90 s制備瀝青混合料,再通過離心分離法和阿布森法從基于直投法制備的瀝青混合料中回收高黏瀝青進行測試。具體操作為:通過離心分離法獲取瀝青抽提液,再采用CO2作保護氣體,在130～160 ℃下常壓蒸餾去除抽提液中的三氯乙烯溶劑,從而回收瀝青進行測試[12]。

在剪切法中,SZ改性劑的摻量分別為瀝青質量的0%,5%,9%,13%和17%,TPS改性劑采用推薦的最佳摻量(70#普通瀝青為瀝青質量的13%、SBS改性瀝青為瀝青質量的9%)。在直投法中,僅采用SZ改性劑,其摻量為剪切法中確定的最佳摻量。

1.3 試驗方法

1)常規(guī)性能試驗:25 ℃針入度、軟化點、5 ℃延度、60 ℃動力黏度及48 h離析軟化點差。

2)頻率掃描試驗:采用動態(tài)剪切流變儀在試驗溫度10～70 ℃和掃描頻率為0～30 Hz內測試瀝青的黏彈性能。以40 ℃為參考溫度構建高黏瀝青的復數(shù)模量G*主曲線,并通過Christensen-Anderson模型[13]進行擬合,如下式所示。

(1)

ωr=ω×10lg α(T)

(2)

(3)

式中:lgα(T)為位移因子;T為測試溫度, ℃;Tg為玻璃化轉變溫度, ℃;C1、C2為擬合參數(shù);ωr為定義溫度下的縮減頻率,Hz;ω為掃描頻率,Hz;G*(ω)為復數(shù)模量,Pa;Gg為玻璃態(tài)模量,等于1 GPa;ωc為定義溫度下的交叉頻率,Hz;P為流變指數(shù)。

其中:交叉頻率ωc表示貯能模量即彈性成分和損耗模量即黏性成分近似相等時對應的頻率,ωc越大表示瀝青有更多的黏性成分;流變指數(shù)P反映瀝青膠結料的松弛譜寬度,P越大表示瀝青膠結料頻率敏感性較小,從彈性行為向黏性行為轉變速度也會變慢。

3)多應力重復蠕變試驗:分別采用0.1和3.2 kPa兩種加載應力水平,試驗溫度60 ℃,采用不可恢復蠕變(Jnr)以及恢復百分率(R)作為瀝青高溫抗變形和延遲彈性恢復性能的評價指標。

4)彎曲梁流變試驗:采用彎曲梁流變儀測定瀝青的彎曲蠕變勁度模量(S)和蠕變速率(m),以評價其低溫抗裂性能,試驗溫度-12 ℃。

5)傅里葉紅外光譜試驗:采用Cary 630紅外光譜儀在衰減全反射模式下檢測不同類型瀝青官能團的變化。用OMNIC光譜處理軟件,對各個官能團的峰面積進行計算,并按公式(4)計算特征官能團指數(shù),分析改性劑對瀝青黏附性及抗老化性能的作用機理[14]。

IX=AX/∑A

(4)

式中:IX為某一特征官能團指數(shù);AX為某一特征官能團峰面積,%/cm;∑A為600～2 000 cm-1范圍內所有官能團峰面積之和,%/cm。

2 結果與分析

2.1 常規(guī)技術性能

不同類型SZ改性高黏瀝青的常規(guī)技術性能指標如圖2所示。由圖2可見,不管采用70#普通瀝青還是SBS改性瀝青作為基質瀝青,隨著SZ改性劑摻量的增加,其針入度有所下降,而軟化點、5 ℃延度和60 ℃動力黏度均顯著提高,且變化趨勢逐漸放緩。根據(jù)JTG/T 3350-03—2020《排水瀝青路面設計與施工技術規(guī)范》中對高黏瀝青針入度、軟化點、延度和動力黏度的技術要求,確定采用70#普通瀝青和SBS改性瀝青作為基質瀝青時,SZ改性劑摻量須分別達到瀝青質量的13%和9%時,采用直投法制備的改性高黏瀝青才可以滿足規(guī)范要求。與相同摻量的TPS改性高黏瀝青相比,SZ改性高黏瀝青的針入度略有提高,軟化點、延度和動力黏度均有所下降,但下降幅度基本小于10%。與剪切法相比,采用直投法制備的改性高黏瀝青的針入度變大,動力黏度略有減小,軟化點和延度無明顯變化。此外,所有高黏瀝青的48 h軟化點差在1.8～2.2 ℃范圍內,均滿足存儲穩(wěn)定性要求(≤2.5 ℃)。

圖2 常規(guī)技術性能試驗結果Fig. 2 Test results of conventional property tests

2.2 黏彈性能

不同類型樹脂改性高黏瀝青的主曲線如圖3所示,CA模型擬合參數(shù)見表2。從圖3可以看出,無論采用哪種基質瀝青,其復數(shù)模量主曲線均隨著SZ改性劑摻量的增加而逐漸上移,表明在整個溫度域范圍內高黏瀝青的抗變形能力逐漸增強,在低頻(高溫)段表現(xiàn)得尤為明顯。從交叉頻率ωc的變化規(guī)律上也可以證實這一點,ωc逐漸降低,說明其勁度不斷增加[13]。當改性劑摻量相同時,在低頻(高溫)段SZ改性高黏瀝青的復數(shù)模量小于TPS改性高黏瀝青,而在高頻(低溫)段結果相反,說明TPS改性高黏瀝青具有更好的溫度敏感性。由于直投工藝中少量改性劑無法有效地分散在瀝青內部,其改性效率一般低于剪切法,因此與剪切法相比,在全溫度域內基于直投法制備的改性高黏瀝青的復數(shù)模量均略有減小。此外,流變指數(shù)P值也有所減小,表明其更顯脆性。

圖3 復數(shù)模量主曲線Fig. 3 Master curves of complex modulus

表2 CA模型擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of CA model

2.3 高溫抗變形性能

基于MSCR試驗獲取的不同類型SZ改性高黏瀝青的累計應變曲線如圖4所示,評價指標Jnr和R結果如圖5所示。從圖4可見,當在70#普通瀝青中加入的SZ改性劑摻量達到13%及以上時,其在3.2 kPa應力下表現(xiàn)出的應變曲線形狀會發(fā)生明顯改變,即由普通瀝青的“臺階狀”變?yōu)楦男詾r青的“鋸齒狀”,表明其變形恢復性能得到了本質的提

圖4 MSCR試驗累計應變曲線Fig. 4 Cumulative strain curves of MSCR tests

圖5 Jnr和R試驗結果Fig. 5 Test results of Jnr and R

升。樹脂內部結晶體的存在可以增加瀝青的高溫穩(wěn)定性,而且瀝青和熱塑性樹脂或熱塑性彈性體之間形成了三維結構,使得瀝青在線性彈性區(qū)間內具有較好的彈性恢復效果[15]。結合圖5可以發(fā)現(xiàn),隨著SZ改性劑摻量的增加,高黏瀝青的累計應變和Jnr逐漸減小,R逐漸增大,表明其抗車轍性能和能力不斷提高。除了改性劑與瀝青之間的交聯(lián)作用,樹脂材料本身軟化點也較高,有益于提升瀝青的彈性和抗變形能力[16]。另外,當SZ改性劑摻量超過13%后其提升趨勢明顯放緩。當改性劑摻量相同時,SZ改性高黏瀝青表現(xiàn)出和TPS改性高黏瀝青相近的高溫性能。當采用70#普通瀝青作為基質瀝青時,基于直投法制備的SZ改性高黏瀝青的Jnr值比剪切法提高了1.5～1.7倍,而R值降低了9%～10%,表明其高溫性能略差;當采用SBS改性瀝青作為基質瀝青時,兩者幾乎沒有明顯的區(qū)別。

根據(jù)AASHTO規(guī)范,當3.2 kPa應力下的不可恢復蠕變Jnr(3.2)小于2.0 kPa-1時,該瀝青可以適用于重交通道路;當Jnr(3.2)小于0.5 kPa-1時,該瀝青可以適用于極重交通道路。而應力敏感性指標Jnr-diff(0.1和3.2 kPa應力下的不可恢復蠕變Jnr(0.1)和Jnr(3.2)的相對差值)應小于75%。因此,當70#普通瀝青中改性劑摻量達到13%時,其可以達到重交通道路水平;而采用SBS改性瀝青為基質瀝青時,所有瀝青均可達到極重交通道路水平。另外,當改性劑摻量分別達到13%(70#普通瀝青)和9%(SBS改性瀝青)時,高黏改性瀝青的高溫應力敏感性才滿足要求。然而,不能簡單地下結論說所有瀝青是高度應力敏感的。因為制備的高黏瀝青的Jnr(0.1)和Jnr(3.2)的值都非常小,這意味著它們在任何應力水平下都表現(xiàn)出優(yōu)越的抗車轍性,Jnr-diff的限制(<75%)不適用于這些高黏改性瀝青[14]。

2.4 低溫抗裂性能

不同類型SZ改性高黏瀝青的BBR試驗結果如圖6所示。從圖6可以看出,隨著SZ改性劑摻量的增加,-12 ℃時高黏瀝青的勁度模量S值不斷減小,蠕變速率m值不斷增大,表明其低溫抗裂和應力松弛能力逐漸提升,這與表2中玻璃化轉變溫度Tg的結果一致。這是由于改性劑中的熱塑性彈性體可以吸收瀝青中的輕組分,從而增大了熱塑性彈性體分子間的距離,使其能充分溶脹并變得松軟,為瀝青提供更好的韌性。此外,樹脂側鏈含有苯環(huán),其溶解參數(shù)與熱塑性彈體中聚苯乙烯嵌段相近,這會使其發(fā)生部分溶脹,從而降低瀝青的硬度和脆性[10]。當改性劑摻量相同時,基于剪切法制備的SZ改性高黏瀝青的低溫抗裂性能要優(yōu)于TPS改性高黏瀝青和基于直投法制備的SZ改性高黏瀝青,表現(xiàn)為更低的S值和更高的m值,后兩者的低溫性能相近。另外,所有類型高黏瀝青的低溫性能指標均滿足AASHTO T313-08“Determining the Flexural Creep Stiffness of Asphalt Binder Using the Bending Beam Rheometer (BBR)”要求(S≤300 MPa、m≥0.3)。