高粘度改性沥青紫外光氧老化特性研究

黎晓,黄东,聂良鹏,张新为,赵毅,5,郑煜

(1.重庆交通大学 材料科学与工程学院,重庆 400074;2.云南省交通规划设计研究院有限公司,云南 昆明 650000;3.云南通衢工程检测有限公司,云南 昆明 650000;4.中建路桥集团有限公司,河北 石家庄 050001;5.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆 400067;6.重庆晟赞建设工程有限公司,重庆 404100)

排水沥青路面中广泛使用了高粘度改性沥青[1],但对于自然环境影响下的高粘度沥青老化机理仍亟待深入研究。沥青老化主要分为热氧老化和紫外老化,谭忆秋等发现沥青热氧老化机理与紫外老化明显不同[2]。曹雪娟等研究发现SBS改性沥青受热氧老化后,官能团中生成大量酮、醛类物质[3]。杨震等认为紫外老化影响沥青的胶体结构发生转变[4]。刘香香发现沥青老化主要是非饱和键上发生化学取代或氧化反应,且随老化时间增加,氧化作用越明显[5]。

本文对高粘度改性沥青不同紫外老化历时后进行常规性能测试,采用红外光谱研究特征化学官能团变化规律,分析高粘度改性沥青的紫外老化机理。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

70#基质沥青、SBS沥青均来自重庆沥青拌合站,经测试其基本性能满足规范要求;直投式高粘改性剂A,自制。

JQ-500型高速剪切混合乳化机;JQ-U型紫外线加速老化试验箱;沥青软化点测定仪;针入度试验仪;延度试验仪;Bruker TEN-SOR II FTIR 红外光谱仪。

1.2 高粘度改性沥青制备

使用烘箱将沥青加热到180 ℃,掺入8%,12%的高粘改性剂A。在电炉加热过程中,人工搅拌5 min,使沥青完全浸润高粘剂A,然后在175～180 ℃温度范围内,使用高速剪切混合乳化机以4 000 r/min 的转速连续剪切40 min,接着放入180 ℃ 烘箱中发育40 min。

1.3 紫外冷凝老化

将50 g样品平铺在老化盘中,形成2 mm厚度的薄膜,放置于JQ-U型紫外线加速老化试验箱内,使用荧光紫外灯照射,光波长340 nm ,暴露温度60 ℃,凝露温度50 ℃,老化程序设定为紫外光暴露8 h+凝露4 h为一循环。沥青样品紫外老化历时条件选择为8,24,48,64 h四种不同历时,紫外老化后沥青样品状态见图1。

图1 紫外老化样品Fig.1 After ultraviolet aging of asphalt

1.4 性能测试

1.4.1 常规性能 软化点反映沥青黏度和高温稳定性及感温性。沥青软化点实验采用环球法,将装有试样的试样环连同试样底板置于(5±0.5) ℃水的恒温水槽中至少15 min;同时将金属支架、钢球、钢球定位环等亦置于相同水槽中。在5 ℃的蒸馏水中加热,使杯中水温在3 min内调节至维持每分钟上升(5±0.5) ℃,记录沥青软化点实验结果。

沥青针入度实验测定沥青针入度反映沥青软硬程度和稠度,抵抗剪切破坏的能力。将准备的试样放置于室温15～30 ℃的环境中1.5 h以上,再放入25 ℃的恒温水槽1.5 h以上,使用针入度实验仪完成实验。

沥青延度用于反映沥青的塑性变形能力及低温抗裂性能。按照规程制备试样,在室温冷却1.5 h后,将试件连同底板移入延度仪15 ℃水槽中,开动延度仪,并注意观察试样的延伸情况,记录实验结果。

1.4.2 红外光谱 将沥青样品溶于三氯乙烯溶液,均匀涂抹在溴化钾薄片上,干燥后进行实验。将获得的红外光谱数据使用Origin软件进行基线矫正,标峰,观察各样品官能团吸收峰变化规律。再使用Omnic软件转换透过率和吸光度,利用峰面积工具计算各特征吸收峰面积。

2 结果与讨论

2.1 常规性能分析

对70#高粘度改性沥青和SBS高粘度改性沥青紫外老化前后样品进行基本性能实验,各样品软化点、针入度、延度分析结果见图1～图3。同时根据式(1～3),计算各沥青样品软化点增量(SPI)、残留针入度(RP)和残余延度比(RD)评价其高温稳定性、低温抗裂性、抗剪切变形能力、抗老化性,研究基本性能指标与高粘度改性沥青紫外老化规律。

SPI=Rup-Vp

(1)

(2)

(3)

其中,SPI是软化点增量,Rup是紫外老化后的软化点,Vp是老化前的软化点;RP是残留针入度,ΔP1是老化后的针入度,ΔP2是老化前的针入度;RD是残留延度,ΔD1是老化后延度,ΔD2是老化前的延度。

2.1.1 软化点 实验结果见图2。

图2 软化点实验Fig.2 Softening point experiment

由图2可知,紫外老化前,沥青软化点随着高粘改性剂掺量的增加而提高,对比70#改性沥青和SBS改性沥青,SBS改性沥青的软化点值整体都比70#改性沥青高;紫外老化后,随着紫外时间增加,沥青软化点提高,且6种沥青的SPI值均呈上升增加的现象,70#基质沥青和SBS+12%改性沥青的软化点增量在同类沥青中最小。表明掺加高粘改性剂,能够有效提高沥青的软化点,改善沥青的高温性能,且随着掺量增加,效果更明显。其中SBS改性沥青的高温稳定性优于70# 改性沥青。70#改性沥青SPI值大幅增加,老化程度加剧;SBS+12%改性沥青的SPI值最小。

2.1.2 针入度 实验结果见图3。

由图3可知,70#沥青和SBS沥青在掺加高粘改性剂改性后,针入度随着掺量提高而下降。同时在紫外老化中,紫外老化时间越长,针入度下降越明显。对比70#改性沥青和SBS改性沥青的针入度值,SBS改性沥青针入度更小,抗剪切变形能力更好。6种沥青的残留针入度随着紫外时间的增加,呈下降趋势。残留针入度(RP)可表征沥青的抗老化性能[6],RD值越大,表明抗老化性能越好。SBS沥青和SBS+12%改性沥青的RP值在紫外老化64 h 后,残留针入度仍有89%以上。

2.1.3 延度 实验结果见图4。

由图4可知, 70#沥青改性后,随着掺量提高延度下降,SBS复合改性后,延度变化不大。这是由于在同样改性工艺下,70#沥青相较于SBS沥青高温性能差,导致发生部分热氧老化反应,沥青延度下降。SBS在紫外老化过程中,70#沥青的延度均随着紫外时间增加而下降,SBS沥青在紫外24 h之前也保持延度下降的趋势,在紫外48 h后,SBS+8%改性沥青和SBS+12%改性沥青的延度提高,随后又下降,其中SBS+12%改性沥青的RD最高。表明高粘改性剂提高了沥青的抗老化性,SBS+12%改性沥青在紫外老化64 h后延度仍有73%。

2.2 70#高粘度改性沥青红外光谱分析

2.2.1 70#高粘度改性沥青特征峰表征 70#基质沥青、70#+8%改性沥青、70#+12%改性沥青紫外老化前后的红外光谱见图5。

图5 70#改性沥青紫外老化前后红外官能团Fig.5 Infrared functional groups of 70 # modified asphalt before and after ultraviolet aging

(4)

(5)

(6)

其中,A(xx)表示在xx cm-1的峰面积,A(zz～yy)表示在zz cm-1到yy cm-1之间的峰面积。

分别对70#基质沥青和掺量8%,12%高粘改性剂的改性沥青特征官能团吸收峰羰基、亚硝基以及烯烃基团使用OMNIC软件对吸收峰面积进行计算,结果见图6。

图6 70#改性沥青紫外前后特征官能团系数Fig.6 Characteristic functional group coefficient of 70 # modified asphalt before and after UV

2.3 SBS高粘度改性沥青红外光谱分析

2.3.1 SBS高粘度改性沥青特征峰表征 分别对不同时长的紫外老化后的SBS沥青、SBS+8%高粘度改性沥青、SBS+12%高粘度改性沥青样品进行红外实验,使用Origin软件对出现基线倾斜、飘移等情况的光谱进行矫正,标峰处理,见图7。

图7 SBS高粘度改性沥青紫外老化前后红外官能团Fig.7 Infrared functional groups of SBS modified asphalt before and after UV aging

由图7可知,与70#基质沥青红外光谱图类似,SBS改性沥青的红外光谱图有明显的9处吸收峰。对比70#基质沥青发现,未添加高粘改性剂的SBS沥青在966 cm-1处均出现吸收峰,这是由于SBS沥青本身改性剂的化学官能团中含有聚苯乙烯和聚丁二烯。因为采用的高粘改性剂A本身也属于一种SBS改性剂,两者的主要化学官能团相同,高粘改性剂掺量越高,966 cm-1的吸收峰更加显著。在未紫外老化前,各沥青在1 700 cm-1和1 024 cm-1都有明显吸收峰,老化后波峰大小发生变化;观察966 cm-1处的吸收峰大小,随着紫外老化时间增加,波峰趋于平缓。可以分析出SBS改性沥青在紫外老化前后羰基和亚砜基含量都发生变化,紫外老化使SBS改性沥青966 cm-1化学官能团发生断裂,官能团含量减少。

2.3.2 SBS高粘度改性沥青特征峰峰面积分析 将SBS沥青、SBS+8%高粘度改性沥青、SBS+12%高粘度改性沥青紫外老化前后的红外光谱图数据导入OMNIC软件进行峰面积计算,通过公式(4)～(6),定量分析各系数变化,判断紫外老化对改性沥青官能团影响,分析结果见图8。

图8 SBS改性沥青紫外前后特征官能团系数Fig.8 Characteristic functional group coefficient of SBS modified asphalt before and after UV

由图8(c)可知,SBS沥青、SBS+8%改性沥青和SBS+12%改性沥青的IPB系数随着紫外时间的增加而下降,表明在紫外老化过程中,SBS改性沥青中的聚丁二烯官能团在紫外照射下发生分解,含量减小,导致高粘改性剂受损,沥青老化加剧。

整体来看,SBS+12%改性沥青生成的羰基和亚砜基等含氧极性官能团最少,在紫外老化过程中,其老化表现是以高粘改性剂的分解为主,沥青少量基团发生吸氧反应。

3 结论

(1)随着高粘改性剂的加入,两种高粘度改性沥青均呈现软化点增大,针入度减小的趋势,70#沥青的延度下降明显,SBS沥青延度无明显变化。

(2)在紫外老化下,沥青同时会发生吸氧反应,红外光谱分析结果显示羰基和亚砜基等极性氧化官能团增加,高粘改性剂发生分解,聚丁二烯和聚苯二烯官能团减少。

(3) SBS高粘度改性沥青在紫外老化中的氧化极性官能团少于70#高粘度改性沥青,高粘改性剂掺量越多,生成的羰基和亚砜基越少,会抑制沥青化学官能团与氧作用发生反应。

(4)SBS高粘度改性沥青的整体性能均优于70# 高粘度改性沥青,其中SBS+12%改性沥青的抗紫外老化能力最好,主要表现为软化点增量小,残留针入度大,残留延度大,羰基和亚砜基等极性官能团少。