SBS-岩沥青复合改性沥青高温流变性能分析

王兆力,何正强,王 波,张星宇

(甘肃路桥建设集团养护科技有限责任公司,甘肃 兰州 730000)

SBS改性沥青具有良好的力学性能,岩沥青具有高温抗车辙、抗老化及耐久性能.余志刚[1]采用高模量剂和SBR两种材料对沥青进行改性,研究结果表明高模量剂和SBR复合改性沥青混凝土具有良好的低温抗裂性和抗疲劳耐久性.卢桂林等[2]研究表明当高模量改性剂掺量为6.67%时其对基质沥青的改性效果优于SBS改性沥青,且由于高模量改性剂在沥青中可形成聚合物链接,故高模量改性沥青制备的沥青混合料较SBS改性沥青混合料具有较好的抗变形能力.袁腾等[3]对3种不同高模量沥青材料的流变性能进行了研究.耿韩等[4]研究了高模量沥青低温抗裂性能的评价指标,结果表明蠕变劲度无法准确评价高模量沥青的低温抗裂性能,断裂能可适宜作为高模量沥青低温抗裂性能的评价指标.王海阳等[5]选用PR Module和PR PLASTS制备了高模量沥青,并研究了2种高模量沥青混合料的高低温性能,结果表明PR PLASTS对沥青的改性效果更加显著.赵立东等[6]通过流变试验对比研究了高模量改性剂和SBS改性剂对基质沥青的改性效果,研究结果表明高模量改性剂对基质沥青的高温抗变形能力的改善效果优于SBS改性剂.侯进军[7]研究了橡胶粉等量替换布敦岩沥青(BRA)对改性沥青混合料路用性能的影响,结果表明较细粒度的橡胶粉等量替换部分高模量剂对其产生的不利影响较小,并可改善改性沥青混合料的劈裂抗拉强度、冻融劈裂抗拉强度比和低温劈裂压缩模量,但相比较粗粒度的橡胶粉,较细的橡胶粉会使改性沥青混合料的低温劈裂压缩变形量有所降低.Wang、Zhu及Gajewski等[8-10]分别对高模量沥青混合料的动态模量、力学性能及疲劳寿命进行了研究.王朝辉等[11]对比分析了法国、欧洲及中国对高模量混凝土的研究与应用成果,研究结果表明国外对高模量沥青混凝土的评价指标主要为动态模量、动稳定度及车辙深度等,而国内对其的主要评价指标为动态模量与动稳定度等.

为了有效改善沥青混凝土路面抗车辙性能以及沥青胶结料与集料之间的黏附性,本文对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)和岩沥青复合改性沥青的高温流变性能进行研究,从而评价所研发SBS-岩沥青复合改性沥青的高温稳定性能.

1 材料与试验

1.1 材料

1.1.1 沥青

沥青选择SK-90#基质沥青,沥青的基本性质指标如表1所示.

表1 沥青的基本性能指标

1.1.2 SBS改性沥青

SBS改性沥青是由基质沥青、SBS改性剂及其他助剂制备而成,制备所得SBS改性沥青的主要性能指标如表2所示.

表2 SBS改性沥青主要性能指标试验结果

1.1.3 岩沥青

制备SBS-岩沥青复合改性沥青的岩沥青主要性能指标如表3所示.

表3 岩沥青技术指标

1.2 试验方法

1.2.1 SBS-岩沥青复合改性沥青的制备

以SK-90#基质沥青、SBS改性剂、岩沥青为主要材料,利用旋转剪切分散机制备改性沥青,制备所得SBS-岩沥青复合改性沥青如图1所示.

图1 制备的SBS-岩沥青复合改性沥青

1.2.2 动态剪切流变试验

目前,在众多的沥青高温性能指标中,车辙因子与沥青混合料的高温性能相关性较好.该文采用美国TA仪器公司生产的HR-1型动态剪切流变试验仪对SBS-岩沥青复合改性沥青的黏弹性进行研究.试验装置如图2所示.

图2 DSR试验装置

制备各岩沥青掺量下的SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物,将其浇筑在试模中,保持厚度约为1.5～2.0 mm.设置试验条件为:应变为8%,角速度为10 rad/s,扫描温度分别为60、70、82 ℃.

2 试验结果与分析

2.1 未老化条件下试验结果与分析

2.1.1 复数模量

不同岩沥青掺量下SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物复数模量的变化如图3所示.

图3 未老化条件下不同温度复数模量

复数模量值与沥青的高温稳定性呈正相关,表示试验过程中最大剪应力与最大剪应变的比值.由图3可知:随着岩沥青掺量的增加,3种不同温度条件下SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物的复数模量呈增大趋势.当岩沥青掺量为12%时,60、70、82 ℃温度下SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物的复数模量分别是SBS改性沥青的3.81倍、3.39倍和3.11倍.

由上述试验结果可知,不同温度条件下,SBS和岩沥青对基质沥青的改善效果比较显著,可有效提高基质沥青的高温稳定性能.

2.1.2 相位角

不同岩沥青掺量下SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物相位角的变化如图4所示.

相位角是表征应力与应变之间延迟的物理量,在0～90°的范围内变化,相位角越大,表明材料的黏性越大,反之则弹性越大.由图4可知,掺加岩沥青改性沥青的相位角均随温度的升高出现不同程度的上升,这是因为掺加岩沥青后改性沥青在高温下表现出更显著的黏性材料的特征.而随着岩沥青的掺加,沥青的流动性变弱,弹性增强.当岩沥青掺量为12%时,60 ℃和70 ℃下SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物的相位角分别较SBS改性沥青减小6.42%和2.92%,82 ℃ SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物的相位角较SBS改性沥青增大6.85%.

图4 未老化条件下不同温度相位角

2.1.3 车辙因子

不同岩沥青掺量下SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物车辙因子的变化如图5所示.

图5 未老化条件下不同温度车辙因子

由图5可知：相同温度条件下,随着岩沥青掺量的增加,车辙因子呈现逐渐增大的趋势,但当温度较高时各岩沥青掺量下SBS-岩沥青复合改性沥青车辙因子的差异性较小.60 ℃温度条件下,12%岩沥青掺量的SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物的车辙因子是SBS改性沥青的3.96倍.82 ℃温度条件下,12%岩沥青掺量的SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物的车辙因子是SBS改性沥青的2.99倍.

随着温度的增大,不同岩沥青掺量下SBS-岩沥青复合改性沥青的车辙因子逐渐减小.当岩沥青掺量为0%和12%时,82 ℃下的车辙因子分别较60 ℃时减小79.34%和84.42%.

基于上述研究结果可知,当温度较低时,岩沥青对SBS改性沥青高温性能的改善效果比较显著,但当温度较高时,岩沥青对SBS改性沥青高温性能的改善效果较小.

2.2 老化条件下试验结果与分析

2.2.1 复数模量

老化条件和不同岩沥青掺量下SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物复数模量的变化如图6所示.

图6 老化条件下不同温度复数模量

由图6可知：不同岩沥青掺量和不同温度条件下,老化后SBS-岩沥青复合改性沥青的复数模量均大于未被老化的情况.随着岩沥青掺量的增加,各温度条件下SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物的复数模量呈增大趋势.当岩沥青掺量为12%时,60、70、82 ℃温度下SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物的复数模量分别是SBS改性乳化沥青的3.51倍、3.37倍和3.22倍.

2.2.2 相位角

老化条件和不同岩沥青掺量下SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物相位角的变化如图7所示.

图7显示不同岩沥青掺量和不同温度条件下,老化后SBS-岩沥青复合改性沥青的相位角大于未被老化的情况,随着岩沥青掺量的增大,该特点表现得更加显著.不同岩沥青掺量下,相位角均随温度的升高出现不同程度的上升,掺加岩沥青的改性沥青上升趋势较SBS改性沥青更加明显,这是因为沥青在高温下表现出黏性材料的特征.而随着岩沥青掺量的增大,沥青的流动性变弱,弹性增强,当岩沥青掺量为12%时,60、70、82 ℃温度下SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物的相位角分别较SBS改性沥青减小6.93%、6.40%和5.15%.

图7 老化条件下不同温度相位角

2.2.3 车辙因子

老化条件和不同岩沥青掺量下SBS-岩沥青复合改性沥青蒸发残留物车辙因子的变化如图8所示.

图8 老化条件下不同温度车辙因子

SBS-岩沥青复合改性沥青经薄膜老化后不同岩沥青掺量下改性沥青的车辙因子均大于未被老化的情况.这是由于沥青老化后其材料的黏性降低,塑性增强的原因.图8显示,随着岩沥青掺量的增加,车辙因子总体呈现增大的趋势.60、70、82 ℃温度下,12%岩沥青掺量的车辙因子分别是SBS改性沥青的3.65倍、3.50倍和3.32倍.

随着温度的增加,不同岩沥青掺量下复合改性沥青的车辙因子逐渐减小,0%和12%岩沥青掺量下,82 ℃温度条件下的车辙因子分别较60 ℃下减小82.9%和81.2%.这是因为随着温度的增加,改性沥青的黏性增大,材料整体的抗变形能力降低.

3 结论

1) 老化后SBS-岩沥青复合改性沥青的复数模量均大于未被老化的情况.

2) 老化后SBS-岩沥青复合改性沥青的相位角大于未被老化的情况.随着岩沥青掺量的增大,该特点表现的更加显著.

3) SBS-岩沥青复合改性沥青经薄膜老化后不同岩沥青掺量下改性沥青的车辙因子均大于未被老化的情况.