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寒冷地区SBS改性沥青的制备及性能研究
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寒冷地区SBS改性沥青的制备及性能研究
2022年04月28日    阅读量:27331    新闻来源:昆仑沥青  |  投稿

摘  要:利用3种中石油昆仑沥青,研究了不同基质沥青、相容剂加量对SBS改性沥青常规性质的影响,并利用沥青剪切流变仪测试了较优条件下样品在不同温度下的G*/sinδ值,利用弯曲梁流变仪测试了样品不同温度下的劲度模量S和劲度模量变化率m。结果表明:通过工艺的优化,I-C级SBS改性沥青TFOT后的延度(5℃)可达到40cm,软化点大于75℃,PG等级达到PG70-28等级,具有优良的高低温性能。


关键词:SBS改性沥青;性质分析;低温性能

一引言一


随着现代交通事业的发展,道路部门对沥青材料提出了越来越高的要求沥青网sinoasphalt.com。寒冷地区(如东北北区、内蒙东部地区以及西北地区)常年气温较低,沥青路面的低温开裂是该地区最常见的病害之一[1]。低温开裂的出现会为地表水和杂质渗入路面结构内部提供了通道,水和杂质的侵蚀作用使基层和路基结构发生软化,承载能力降低[2-3];其次,裂缝影响力路面的平整度和行车安全性,降低了路面的使用寿命[4-5]。沥青路面的低温抗裂性能与沥青结合料的低温性能紧密相关[6],要求沥青材料具有优良的低温性能,同时,由于车辆轴载的提高,对路面的高温稳定性的要求也日趋提高,要求沥青材料亦兼顾良好的高温性能。


本文利用中石油昆仑沥青资源为原料,通过原料筛选和工艺优化,研发出低温性能优良,高温性能兼顾的SBS改性沥青产品,并对沥青性质进行全面评价。


一实验部分一


产品的技术指标要求


本次试验的技术指标要求在交通部规范《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004中I-C级SBS改性沥青技术要求的基础上对软化点和TFOT后延度(5℃)提出了更高的要求,具体指标见表1。


表1 SBS改性沥青关键技术要求

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由于本次产品针对寒冷地区的路面情况而开发,对其低温延度要求较高,TFOT后延度(5℃)要求不低于35cm,而普通I-C级SBS改性沥青的,TFOT后延度(5℃)要求不低于20cm ,因此,相关试验工作将围绕提高产品的低温延度开展。


试验原料


基质沥青采用中石油两种原油资源生产3种石油沥青,代号分别为M-1、M-2和X-1,具体指标见表2。改性剂采用中国石油独山子石化公司生产的T6302H型SBS,具体指标见表3。相容剂为一种糠醛抽出油,外观:棕绿色粘稠状液体,运动粘度(100℃):32mm2/s,稳定剂为国内某厂家生产的稳定剂,型号为HMD-2。


表2 基质沥青性质分析

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注:M-1和M-2为同一油源生产的不同牌号沥青,M-2和X-1为不同油源生产的同一牌号沥青。


表3 SBS改性剂技术指标

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样品制备


将已准确称量的基质沥青和相容剂放于加热套上加热使至其处于流动状态,当基质沥青的温度达到185℃时,逐渐缓慢加入一定比例的SBS,并开启剪切机计时剪切30分钟后,加入一定比例的稳定剂,180℃下搅拌发育3小时,发育完成后,即制得SBS改性沥青。


一结果与分析一


不同基质沥青对改性沥青性质的影响研究


由于M-1、M-2和X-1三种基质沥青的牌号有所差别,在固定配方条件下,无法全面对比改性沥青的性能,因此,在本节试验中固定添加4.6%(外掺,下同)SBS改性剂和0.2%稳定剂,通过添加不同加量的相容剂,将样品的针入度控制在74-77dmm范围内,考察各基质沥青制备得到的改性沥青样品的性质差异。数据如表4所示。


表4 不同基质沥青对改性沥青性质的影响

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*为了对比不同改性沥青的抗老化能力而设定抗老化指数,即为TFOT前后5℃延度的比值。


由上表数据可知,不同油源生产的同牌号沥青以及同种油源生产的不同牌号沥青制备的改性沥青样品的低温性能和抗老化性能差异较大。对于X-1与M-2沥青而言,X-1沥青的改性效果较好,改性沥青不仅具有较好的高温性能,而且具有较好的低温性能,尤其是TFOT后的5℃延度,反映出该种基质沥青制备的改性沥青的抗老化性能较好;对于M-1和M-2沥青而言,添加大量的相容剂能够显著提高改性沥青的低温性能和抗老化性能,但生产成本较高。因此,选择X-1沥青作为基质沥青进行后续试验。


不同相容剂加量对改性沥青性质的影响研究


选定改性效果的X-1沥青作为基质沥青,添加4.6%SBS改性剂,考察不同加量的相容剂对改性沥青性质的影响规律,数据如图1-3所示。

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图1 不同相容剂加量对改性沥青针入度的影响


针入度能够在一定程度上表征沥青的软硬程度,同等条件下,针入度越大说明沥青越软。由图1数据可知,相容剂作为软组分,能够有效降低改性沥青的稠度,随着相容剂加量的增大,改性沥青的针入度逐渐增大。

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图2 不同相容剂加量对改性沥青延度的影响


在改性沥青的评价体系中,5℃延度表征沥青材料的低温抗开裂性能,该值越大说明改性沥青的抵抗温缩裂缝的能力越强,低温条件下的路用性能越好。由图2可知,随着相容剂加量的提高,改性沥青的延度(5℃)逐渐增大,说明改性沥青抗裂性能增强,这是因为相容剂的加入一方面降低了改性沥青的黏度,使得沥青分子在外力作用下产生滑移的能力增强,另一方面,相容剂富含芳香分,能够有效改善SBS在沥青中的溶胀,发挥SBS的改性作用。

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图3 不同相容剂加量对改性沥青TFOT后延度的影响


改性沥青的TFOT后延度是指改性沥青经过薄膜烘箱老化后的5℃延度,是沥青在模拟经过沥青与集料拌合后性能的变化情况,一方面表征改性沥青的抗老化性能,另一方面表征改性沥青经过短期老化后的低温性能。由图3可知,随着相容剂加量的提高,改性沥青TFOT后延度呈现升高的趋势,并趋于平缓,说明相容剂的加入改善了沥青的抗老化性能,但加量到达一定程度后,其改善低温性能的作用减弱。这是因为沥青中芳香分和胶质的转化、SBS的溶胀和降解同时发生,相容剂加入的初期虽能改善SBS在沥青的溶胀,使得SBS颗粒逐渐溶胀完全,但随着加量的提高,SBS发挥出了最大的改性作用,后期主要表现为SBS的降解对延度的影响逐渐明显。


改性工艺的优化


为进一步降低生产成本,在保证改性沥青的各项指标满足要求的情况下,对改性沥青的工艺进行了优化,相容剂加量选择8%,SBS加量由4.6%降低为4.3%,考察制备的改性沥青的各项性质。数据见表5。


表5 改性工艺的优化结果

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由上表数据可知,将SBS加量由4.6%降至4.3%后,改性沥青的各项指标仍能够满足技术要求。


2.4 改性沥青PG等级分析


PG分级中关于沥青胶结料试验是通过工程学原理测量物理性质,并同现场性能直接联系在一起。沥青在使用过程中要经历三个阶段,首先是新鲜的基质沥青,其次是经过现场拌合过后轻微老化的沥青,最后是路面长时间使用过后的深度老化沥青。


动态剪切试验(DSR)由奥地利安东帕公司生产的MCR旋转流变仪测定, 将少量样品放在直径为25mm的平板夹具的下平板上,调节上平板至1000μm,用热刀将平板周围挤出的样品刮净,恒温10min后进行流变性能测定;低温弯曲梁试验(BBR)由美国cannon公司生产的TE型流变仪进行测定,先将沥青试样制成6.25×12.5×125mm的小梁,在某一负温条件下用980mN的荷载进行加载,测试加载一定时间后的挠度和蠕变劲度S(t)等参数。结果如表6所示。


表6 改性沥青PG分级测试结果

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一 结论一


(1)在改性沥青生产过程中,添加相容剂能够显著提高改性沥青TFOT后的延度,但是,但加量到达一定程度后,其改善低温性能的作用减弱。

(2)中石油昆仑沥青中X-1沥青具有优良的改性性能,通过改性配方的优化能够生产出高低温性能优良的改性沥青产品,TFOT后5℃延度较一般I-C级SBS改性沥青显著提高。

(3)制备的改性沥青的PG等级达到PG70-28等级,高低温兼顾,可用于寒冷地区重载交通路面。


参考文献

[1]马宏岩,王东升,冯德成,吴小双.寒冷地区沥青路面老化材料的低温性能评价[J].功能材料,2015,24(46):24074-24076.

[2]Haas R C. A method for designing asphalt pavements to minimize low-temperature shrinkage cracking[M].Asphalt Institute Research Report RR-73-1.1973.

[3]Rajbongshi P,Das A. Estimation of temperature stress and low-temperature crack spacing in asphalt pavements [J]. Journal of Transportation Engineering,2009,135 ( 10 ) :745-752.

[4]Zhou C, Huang B, Shu X,et al. Validating MEPDG with Tennessee pavement performance data [J]. Journal of Transportation Engineering,2013,139(3): 306-312.

[5]张肖宁,潘大林,朱希岭.沥青混合料一维非线性粘弹本构方程 [J].力学学报,1992,(6):728-734.

[6] 胡力群,熊伟明,王军.粗集料棱角性对OGFC 多孔沥青混合料性能的影响[J].功能材料,2014,20:20150-20154.


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