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高黏复合改性橡胶沥青技术性能研究
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高黏复合改性橡胶沥青技术性能研究
2021年12月24日    阅读量:20966    新闻来源:《筑路机械与施工机械化》2020年第37卷  |  投稿

摘 要

采用弯曲梁蠕变试验、线性振幅扫描试验分析高黏复合改性橡胶沥青的流变性能,并对其与SBS、高黏沥青进行了黏度试验和储存稳定性试验分析,研究了3种沥青的抗紫外线老化性能,最后采用显微镜分析了3种沥青的微观结构。结果表明:相较于SBS改性沥青和高黏沥青,高黏复合改性橡胶沥青的弹性恢复性能、低温抗开裂性能、疲劳性能和抗紫外线老化性能更优;高黏复合改性橡胶沥青具有高温黏度小、低温黏度大的特点,比高黏沥青更易于施工;另外,高黏复合改性沥青的储存稳定性显著提高,可实现橡胶沥青的工厂化生产。


关键词 沥青 | 高黏 | 复合改性 | 技术性能


引言

在橡胶沥青路面材料的推广应用过程中,道路从业者发现橡胶沥青虽然成本较低,有利于环境保护和资源的综合利用[1],但橡胶沥青中胶粉用量大,一般外掺量在20%以上,且胶粉为硫化橡胶,在基质沥青中难以完全分散溶解,导致橡胶沥青存在黏度大、储存稳定性差、低温延展性差等缺点[2],极大地限制了其应用范围沥青网sinoasphalt.com。而SBS改性沥青对于提高路用沥青的高低温性能和力学性能均有显著效果,且改性技术比较成熟,但是SBS改性沥青的改性剂用量大,一般掺量为4%~5%[3],同时受SBS生产技术限制,国内SBS生产集中于岳阳石化和燕山石化等少数石化公司,SBS改性剂价格一直居高不下[4],因此SBS改性沥青的生产成本一直很高,与目前环保节约的建设理念并不相符。如何有效结合SBS改性沥青的技术优点和橡胶沥青的价格优势,从而既保证路面质量,节能环保,又能降低工程造价,成为道路工作者亟需解决的一道难题。


SBS改性剂主要对沥青胶结料的高温性能起增强作用,而橡胶则具有良好的弹性,可以提高沥青胶结料的抗疲劳与抗低温开裂能力[5],因此,在橡胶沥青中添加SBS改性剂的复合改性橡胶沥青技术应运而生。目前,在橡胶沥青中添加SBS改性剂的复合改性橡胶沥青技术正逐步推广开来[6],利用SBS改性剂和胶粉对沥青性能的不同改性作用,充分发挥各自的优势,得到的SBS/橡胶复合改性沥青能具有更好的综合性能[7]。复合改性橡胶沥青中SBS的掺量可以较小,从而降低成本,在保证改性效果的基础上也可以减少橡胶粉的用量,降低改性沥青的黏度,方便施工。橡胶粉的加入极大程度地降低了沥青的用量[8],同时也提高了沥青的黏度,改善了沥青混合料的性能。


现有研究涵盖了SBS复合改性橡胶沥青的改性工艺、原材料要求、混合料性能和生产工艺等内容。但是,高黏复合改性橡胶沥青的制备采用传统剪切工艺,胶粉通过化学脱硫制备,本文采用螺杆挤出工艺制备脱硫胶粉,并对高黏复合改性橡胶沥青的技术性能进行系统研究。


研究高黏复合改性橡胶沥青的各项技术性能及微观结构,并与SBS改性沥青、高黏沥青进行对比,为高黏复合改性橡胶沥青的推广应用提供参考。


原材料及试验方案


原材料

试验所用的基质沥青为韩国双龙70#基质沥青,其技术指标如表1所示。

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胶粉为江阴产40目轮胎橡胶粉。脱硫剂为420型脱硫剂。


SBS改性剂采用中石油独山子公司的6302L线型改性剂,苯乙烯-丁二烯的质量比为30:70,分子量为6×104g·mol^-1。


高黏改性剂采用TPS型改性剂,深黄色扁圆形固体颗粒状,直径为2~3mm,厚约1mm。


试样方案


高黏复合改性橡胶沥青添加4%SBS和20%胶粉;SBS改性沥青添加4%SBS;高黏沥青添加12%TPS。


制备方法


高黏复合改性橡胶沥青的制备方法如下:将基质沥青加热到180℃,加入脱硫胶粉,在4000r.min^-1的转速下剪切分散15min,再加入SBS剪切30min,最后掺入一定比例的硫磺粉剪切搅拌15min。热机械-化学复合脱硫胶粉制备方法为:将石油树脂、420型脱硫剂与硫化胶粉均匀混合,于120℃下反应72h,随后在280℃的螺杆挤出机中进行脱硫。螺杆挤出机采用德国BerstorffGmbH双螺杆挤出机(ZE25A×41D-UTS-UG)[9],挤出温度为280℃,螺杆转速为r.min^-1。


SBS改性沥青、高黏改性沥青制备方法如下:将基质沥青加热到180℃,加入SBS或者TPS,在4000r.min^-1的转速下剪切分散60min,最后掺入一定比例的硫磺粉剪切搅拌15min即可。


试验方法


(1)流变性能。通过弯曲梁流变试验、线性振幅扫描试验研究3种沥青的流变性能。

(2)储存稳定性。采用聚合物改性沥青离析试验研究沥青的储存稳定性。

(3)抗紫外老化性能。紫外线老化试验条件为:温度60℃,紫外线灯6根40W,共计240W。

(4)沥青微观结构分析。采用德国Leika公司热台显微镜,型号为LEICADMLP。

(5)沥青常规性能测试按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行。


技术性能分析


常规性能

高黏复合改性橡胶沥青通过添加4%SBS和20%胶粉复配制备,SBS改性沥青、高黏沥青及高黏复合改性橡胶沥青的常规性能如表2所示。

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由表2可知以下几点。


(1)高黏沥青、高黏复合改性橡胶沥青都具有优异的弹性恢复性能和耐老化性能,RTFOT后残留延度比普通改性沥青有显著提高。

(2)从多应力重复蠕变恢复可以看出,高黏复合改性橡胶沥青的不可恢复蠕变比高黏沥青更小,远小于普通SBS改性沥青,说明其应变蠕变后的恢复更好,能有效抵抗应力反射裂缝以及强剪切流动。

(3)对比弗拉斯脆点指标可以发现,高黏复合改性橡胶沥青和常规SBS改性沥青、高黏沥青相比,老化前后的脆点指标变化不明显,且均能达到-30℃以下。该项指标反映了材料的抗低温开裂能力,脆点温度越低,抗开裂能力越好。


流变性能

(1)试验方法

选择原样沥青以及短期老化(薄膜烘箱老化TFOT)、长期老化(压力老化PAV)状态下的沥青,研究其低温流变性能。

通过弯曲梁蠕变试验和线性幅度扫描试验研究高黏沥青和高黏复合改性橡胶沥青(也可简称高胶沥青)的流变性能。


a.弯曲梁蠕变试验。通过低温状态下沥青的挠度与时间的关系,应用梁分析理论计算出蠕变劲度模量S和m值。Superpave规范将60s时的劲度模量和m值作为沥青低温抗裂性能的评价指标[10]。劲度模量是沥青流变力学性能的重要指标,可以表征沥青的抗变形能力,劲度模量越大,在相同的荷载作用下沥青变形越小,劲度模量的计算公式为

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SHARP推荐了2个评价指标:t=60s时蠕变劲度模量S和荷载作用时的沥青劲度的变化率m。要求S值不得大于300MPa,同时m值不小于0.3。本文试验温度为-18℃,利用BBR测得沥青在240s内的跨中挠度,通过式(1)计算出沥青劲度模量,求得m值。


b.线性振幅扫描试验(LAS)。根据AASHTOTP-101,采用动态剪切流变仪进行试验。试验夹具为8mm的上下底板以及2mm的间距[11]。试验分为2个步骤:第1步采用频率扫描,即样品在恒定0.1%的应变下进行频率扫描,频率扫描的范围为0.1~30Hz;第2步是线性振幅扫描,采用控制应变的加载方式,扫描时间为5min。试验期间加载的正弦波荷载振幅从0.1%线性增长至30%。频率扫描是用来估计未破坏材料的特性参数α,并计算疲劳方程中的参数B。振幅扫描采用黏弹性连续破坏理论viscoelastic continuum damage (VECD)来决定疲劳方程中的参数A。黏弹性连续破坏理论用来定量表征沥青胶结料在重复荷载作用下的破坏,其主要优点在于,能够通过简单的测试估计沥青在不同应变水平下的疲劳行为[12]。如式(2)所示,疲劳破坏用参数D来表征。

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由式(1)、(2)计算得到


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根据VECD理论以及试验数据,可将材料的虚模量G*sinδ和累积疲劳破坏变量D(t)的关系用式(5)表示。

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定义疲劳失效准则Df为疲劳破坏D达到初始G*sinδ的35%,如式(6)所示。疲劳寿命通过式(7)预测。

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(2)弯曲梁蠕变试验


高黏沥青与高黏复合改性橡胶沥青BBR试验结果如图1所示。


由图1可以看出,同温度下,同等老化状态下高黏复合改性橡胶沥青劲度模量S只有高黏沥青的一半,蠕变速率m高于高黏沥青。所以当温度下降产生微裂纹时,由于橡胶粉低温下仍处于高弹性状态,有效阻止沥青混合料进一步开裂,提高了抵抗低温开裂的能力。

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(3)线性振幅扫描试验

高黏沥青与高黏复合改性橡胶沥青的损伤曲线如图2所示,应变-疲劳寿命关系如图3所示。

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图2揭示了在相同的条件下,老化前后高黏复合改性橡胶沥青与高黏沥青应对不同破坏强度下的损伤情况。可以发现高黏复合改性橡胶沥青无论原样还是短期老化后试验曲线均趋于直线,表明其损伤速率缓慢,可有效抵抗疲劳损伤的累积。


根据沥青疲劳性能模型拟合得到图3所示的应变-疲劳寿命关系,从图3可以看出,高黏复合改性橡胶沥青的疲劳寿命约为高黏沥青的10倍,而且在老化状态下,高黏复合改性橡胶沥青表现得更为稳定。由此可见,使用高黏复合改性橡胶沥青作为胶粘材料可有效延长沥青路面黏使用寿命。


高、低温黏度性能


(1)低温黏度

3种改性沥青60℃低温黏度如图4所示。

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由图4可知以下几点。


a.相较于SBS改性沥青与高黏沥青,高黏复合改性橡胶沥青的60℃黏度分别增大了25倍、2.5倍,可见在60℃下3种沥青中高黏复合改性橡胶沥青的黏度最大。


b.常用的高黏沥青一般要求60℃黏度大于50000Pa.s,从图4中数据可见,高黏复合改性橡胶沥青的60℃黏度达到了240000Pa.s,远远优于一般的高黏沥青。


(2)高温黏度


高黏沥青与高黏复合改性橡胶沥青的高温黏度和黏流活化能如图5、6所示。

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从图5中的黏度试验结果发现,高黏复合改性橡胶沥青的黏度在原始及短期老化后黏度较低,但是长期老化后高于高黏沥青。再结合图6中对黏流活化能的分析结果发现,高黏沥青在老化前后黏流活化能变化明显,而高黏复合改性橡胶沥青较为平稳,表明高黏复合改性橡胶沥青具有良好的抵抗老化性能及温度稳定性。


从2种原样沥青的175℃黏度来看,高黏复合改性橡胶沥青的黏度低于高黏改性沥青。可见,在高温状态下,相较于高黏改性沥青,高黏复合改性橡胶沥青的黏度较小。


综合高黏复合改性橡胶沥青的高、低温黏度可知,高黏复合改性橡胶沥青具有高温黏度小、低温黏度大的特点。可见,高黏复合改性橡胶沥青在既能提高沥青与集料的黏结力,又能提高沥青路面路用性能的同时,施工和易性好,对施工各环节施工温度没有特殊要求。


储存稳定性


中国现行的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20-2011)中对“聚合物改性沥青离析试验”规定:对于改性沥青,将试样置于规定条件的盛样管中,并在163℃烘箱中放置48h后,从改性沥青的顶部和底部分别取样,测定环球法软化点之差来判定其储存稳定性。3种沥青的储存稳定性结果如表3所示。

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由表3可见,高黏复合改性橡胶沥青的储存稳定性与高黏沥青差异较小,而普通橡胶沥青的储存稳定性较差,其软化点差是高黏复合改性橡胶沥青的22倍。可见,通过螺杆挤出工艺制备的高黏复合改性橡胶沥青的储存稳定性有明显提高,能有效解决目前施工中普通橡胶沥青需要随拌随用、只能现场改性的弊病,从而实现橡胶沥青工厂化生产的目的。


抗紫外老化性能


高黏沥青与高黏复合改性橡胶沥青紫外老化试验结果如表4。老化试验在紫外线(温度60℃,紫外线灯6根40W,共计240W)下进行。

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由表4可知以下几点。


(1)起初48h内2种改性沥青的性能变化比较大,而后变化较小,这主要是由于紫外老化使改性沥青表面形成老化皮,从而减缓了紫外线的后期老化速率。


(2)从2种沥青老化前后软化点、延度变化来看,2种沥青紫外老化48、96、144、190h后,高黏复合改性橡胶沥青的软化点较高黏沥青的分别增大5.5%、5.6%、4.3%、4.4%,而延度则分别升高33.2%、34.8%、38.5%、37.5%,可见,高黏复合改性橡胶沥青的抗紫外线老化性能更优。


不同沥青的微观结构


高黏沥青与高黏复合改性橡胶沥青的微观结构如图7所示。

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从2种类型改性沥青的微观结构可以看出,高黏沥青的结构中显示TPS为连续相,而高黏复合改性橡胶沥青中,不但胶粉分散为微米状连续网状结构,SBS也形成了连续网状结构。因胶粉与SBS形成了连续网状结构,故其储存稳定性也与高黏沥青相当。


结语

本文通过研究高黏复合改性橡胶沥青的性能,并与SBS改性沥青、高黏沥青进行对比分析,得出如下结论。


(1)三种改性沥青的常规性能试验结果表明:相较于SBS改性沥青和高黏沥青,高黏复合改性橡胶沥青具有更好的弹性恢复性能和高低温性能,应变蠕变后的恢复性能也最突出。


(2)改性沥青的流变试验、紫外老化试验结果表明:相较于高黏沥青,高黏复合改性橡胶沥青的低温抗开裂性能、疲劳性能和抗紫外线老化性能均更优。


(3)从黏度指标对比来看,高黏复合改性橡胶沥青具有高温黏度小、低温黏度大的特点,其比高黏沥青更易于施工。


(4)高黏复合改性沥青的储存稳定性与高黏改性沥青差异较小,但较橡胶沥青显著提高,可实现橡胶沥青工厂化生产。

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标签:道路建设施工案例技术中心沥青混凝土
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