基于微观分析的SBS改性沥青老化力学性能研究

植豪文

(佛山市公路桥梁工程监测站,广东佛山 528041)



基于微观分析的SBS改性沥青老化力学性能研究

植豪文

(佛山市公路桥梁工程监测站,广东佛山 528041)

摘要:利用红外光谱法和荧光显微方法探究SBS改性沥青老化前后化学组分和微观结构的变化,对原样、短期老化和长期老化SBS改性沥青进行微观研究分析,结合SBS改性沥青不同老化阶段的动态力学性能,从微观角度分析SBS改性沥青不同老化阶段宏观力学性能产生的原因。

关键词:公路;SBS改性沥青;荧光显微镜;红外光谱;流变力学

SBS改性沥青具有良好的高温抗车辙性、低温抗裂性及温度敏感性等,是高等级路面最常用的改性沥青。由于SBS改性沥青的应用时间不长,目前研究主要集中于其力学使用性能,对其力学形成的微观机理还没有足够的分析研究。该文通过红外光谱法、荧光显微法,结合动态流变性能试验,从化学组分和微观结构角度分析SBS改性沥青不同老化阶段动态力学性能的形成及变化机理。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用SBS改性沥青由试验室制成:加热壳牌70#基质沥青至160～170℃后添加4.5%SBS改性剂及适量稳定剂,高速剪切仪以4 000 r/min的速度高速剪切40 min;然后在170～180℃温度下高速剪切60 min,最后于160℃烘箱内溶胀发育4 h制得SBS改性沥青。按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的试验方法测定其技术指标(见表1),均符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

1.2 试验方法

(1)样品老化。采用旋转薄膜烘箱(RTFOT)法对SBS改性沥青进行85 min老化,获取短期老化样品;之后继续对样品施加20 h的压力老化(PAV),获取长期老化样品。

(2)动态流变力学分析。分别对SBS改性沥青的原样、短期老化样品及长期老化样品进行动态剪切流变试验(DSR),探究SBS改性沥青老化前后的高温抗车辙性能。

(3)红外光谱法。采用Bruker傅里叶变换红外光谱仪对老化前后SBS改性沥青样品进行红外光谱分析,其分辨率为4 cm-1,扫描次数32次,光谱采集范围400～4 000 cm-1。将样品滴于载玻片上,稍微加热,取微量样品涂于KBr盐片上,然后进行红外光谱检测。

表1 SBS改性沥青检测结果

(4)荧光显微分析。采用落射式荧光显微镜探究SBS改性沥青老化前后微观形貌的变化。将载玻片与盖玻片用铬酸溶液浸泡30 min后清洗干净并烘干备用。加热改性沥青至160℃使其呈流动态,利用玻璃棒滴于载玻片上,盖上盖玻片,置于160℃烘箱中直至其融化变平;置于室温冷却后,平放存于培养皿中,并防止倾斜。将样品置于荧光显微镜物镜下,调整放大倍数,利用蓝光光源激发样品并成像。

2 试验结果与分析

2.1 动态流变力学性能分析

分别对基质沥青及SBS改性沥青老化前后样品进行动态剪切流变试验,检测老化前后样品在不同温度(58、64、70、76、82℃)下的高温性能指标,结果见表2与表3。

表2 基质沥青老化前后高温性能指标

表3 SBS改性沥青老化前后高温性能指标

表2表明基质沥青老化后,复数剪切模量G∗持续增加,相位角则连续降低,弹性上升而粘性下降。这是由于基质沥青主要是热氧老化,在老化过程中碳碳双键等不饱和键与氧发生化学反应,形成羧基、酮等含氧官能团,导致大量饱和分、芳香分向胶质与沥青质转变。根据胶团理论,胶质与沥青质的增加致使沥青由原溶胶型沥青转变为凝胶型沥青,抗车辙能力提高,这也可从动态剪切流变试验所得抗车辙因子的规律得到验证。分析短期老化和长期老化对基质沥青的影响可以发现,无论在何种高温下,基质沥青在经过短期老化后,其动态流变性能已发生很大转变,相对于短期老化,动态流变性能在长期老化阶段几乎不发生变化,说明基质沥青的老化主要发生在短期老化阶段。而实验室短期老化试验(RTFOT)是模拟沥青在拌和摊铺过程中的老化,说明基质沥青在沥青混合料生产阶段已几乎发生完全老化,对以后路用性能影响很大。因此,需要对基质沥青进行改性。

分析表3所示SBS改性沥青老化前后高温性能指标,发现SBS改性沥青老化后的G∗、车辙因子等在不同高温下都有增加而相位角不断减小,说明随着老化程度的增加,SBS改性沥青的高温抗车辙能力不断提高,弹性增加而粘性减小。SBS改性沥青在老化过程中其高温性能的变化趋势与基质沥青类似,但仔细分析不同老化阶段,发现SBS改性沥青经过短期老化后其动态流变性能没有发生多大变化,与原样SBS相差无几;而相比原样,长期老化后SBS动态流变性能发生很大变化。说明SBS改性沥青的老化主要发生在长期老化阶段。

2.2 红外光谱分析

红外光谱法是一种对吸收红外光的各种化学物的一种定性与定量分析方法,它根据不同物质会选择性地吸收红外光区的电磁辐射以进行结构分析。动态流变性能可体现出SBS改性沥青的宏观力学性能,而材料内部组分的变化需通过红外光谱试验分析得到,通过化学组分的变化可以从机理上分析宏观力学性能的产生原因。通过对SBS改性沥青不同老化阶段样品进行红外光谱分析,从材料分子组成的角度探究SBS改性沥青老化前后化学组分和含量的变化,分析短期老化与长期老化对SBS改性沥青的影响,并以此为依据,分析SBS改性沥青不同老化阶段力学性能的形成机理。

SBS为聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯的嵌段聚合物,其化学组成与沥青有一定区别(见图1)。基质沥青与SBS改性沥青的红外光谱见图2。

图1 SBS共聚物化学分子式

图2 基质沥青与SBS改性沥青的红外光谱

从图2可见:SBS改性沥青的红外光谱在699 cm-1处出现基质沥青未有的特征吸收峰,其归属于苯乙烯基苯环单取代峰。根据相关文献,基质沥青在810 cm-1处出现有别于SBS的特征吸收峰,其归属于沥青芳香族面外振动。因此,A699/A810可作为SBS含量的半定量分析依据,对SBS改性沥青不同老化阶段的SBS含量进行半定量分析,探索其在不同老化过程中的变化情况。

分别对基质沥青,SBS改性沥青原样、RTFOT 和PAV样品进行红外光谱分析,局部红外光谱对比见图3。根据图3只能定性分析不同老化阶段SBS改性沥青均存在SBS,因此利用A699/A810指标对不同老化阶段进行半定量分析,探究其含量。半定量分析显示SBS原样、RTFOT、PAV的A699/ A810分别为0.53、0.51、0.41,表明SBS改性沥青经过短期老化后其SBS含量并未发生多少变化,而经过长期老化后SBS含量急剧减少。说明短期老化对SBS改性沥青内SBS并未造成多大影响,而长期老化会导致SBS的碳碳双键被氧化而遭到破坏,链段结构发生断裂,SBS降解,使SBS改性沥青的宏观性能大幅下降。

图3 基质沥青及SBS改性沥青不同老化阶段的局部红外光谱

2.3 荧光显微分析

由于在改性沥青中基质沥青并不会被激发产生荧光,而SBS聚合物改性剂在受到高能光束照射时会产生明显的荧光效应,可通过荧光现象观察SBS改性剂在基质沥青中分布的结构、物相及形态等,以微观形貌分析SBS改性沥青的力学性能,建立SBS改性沥青微观形态与宏观力学性能之间的联系。通过分析SBS改性沥青不同老化阶段的微观形貌,研究SBS改性沥青不同老化阶段的力学形成机理是一种有效方法。

利用荧光显微镜分别对SBS改性沥青原样、RTFOT、PAV样品进行拍照分析,放大倍数为400 倍,并对荧光图像进行灰度处理,结果见图4。

从图4(a)可知:基质沥青由于不受蓝光激发,在荧光显微图像中呈黑色,而SBS改性剂在灰度图中呈白色;基质沥青与SBS改性剂具有良好的相容性,SBS改性剂在基质沥青中吸收轻质组分溶胀形成连续相,SBS颗粒相互连接形成空间网状结构,与基质沥青构成两相连续体。由于空间网状结构的存在,SBS改性沥青呈弹性体,是使SBS改性沥青的弹性、复数剪切模量、抗车辙能力较基质沥青显著提高的微观原因。

从图4(b))可见:经过短期老化后,SBS改性剂在基质沥青中仍呈空间网状结构,与SBS改性沥青原样荧光显微图片相比,短期老化对SBS改性沥青的空间结构并未有实质性影响。

从图4(c)可见:经过长期老化后,SBS改性剂形成的空间网状结构消失,SBS呈颗粒状分散相,SBS改性沥青成为单相连续结构。

图4 SBS改性沥青老化前后荧光显微图片

荧光显微图像结果表明:长期老化对SBS改性沥青产生非常大的影响,致使SBS改性剂发生降解与消散,极大影响了SBS改性沥青的宏观力学性能,这与红外光谱法所得结论相一致。这也从微观结构上解释了SBS改性沥青经过短期老化后其宏观动态力学性能并未发生明显变化,而经过长期老化后其力学性能大幅改变的原因。

3 结论

材料的宏观力学性能与其化学组分和微观结构紧密相连。该文对比分析了基质沥青与SBS改性沥青不同老化阶段的动态力学性能,分别从化学组分和微观结构两个层面分析了SBS改性沥青在不同老化阶段的宏观力学性能差别的产生原因,得出以下结论:

(1)不同于基质沥青老化主要发生在短期老化阶段,SBS改性沥青老化主要发生于长期老化阶段,短期老化对其性能影响较小。

(2)SBS改性沥青由于添加的SBS改性剂在基质沥青中吸收轻质组分形成空间网状结构,与基质沥青形成连续两相体系,成为弹性体,因而其动态力学性能强于基质沥青。

(3)短期老化阶段,通过红外光谱法探究SBS改性沥青的组分变化,发现其SBS含量变化较小;同时通过荧光显微法分析其微观结构形态,发现短期老化后SBS改性剂在基质沥青中仍呈空间网状结构,与基质沥青形成连续的两相体系,从而在化学组分和微观结构层面解释了为何宏观力学性能上经过短期老化后SBS改性沥青的复数剪切模量、相位角及车辙因子并未发生较大变化,保持了原样的动态力学性质的原因。

(4)长期老化阶段,红外半定量分析发现改性沥青中SBS含量相比于原样降低许多,SBS改性剂发生降解,同时荧光显微图片反映SBS改性剂空间网状结构破裂。体现在宏观层面即复数剪切模量翻倍、相位角大幅减小、抗车辙因子显著增加等动态力学性能发生改变,这分别从化学组分和微观结构层面解释了SBS改性沥青经过长期老化阶段后其宏观力学性能发生变化的微观原因。

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收稿日期:2016-01-27

中图分类号:U416.217

文献标志码:A

文章编号:1671-2668(2016)02-0092-04