多聚磷酸/液体丁苯橡胶复合改性沥青流变性能研究

樊 峥

(广西交通投资集团南宁高速公路运营有限公司,广西 南宁 530022)

0 引言

沥青路面作为高等级道路的主要路面结构形式,具有噪音小、平整度高、抗滑性能良好、施工便捷等特点。由于交通需求的日益增长和环境温度的频繁变化,普通沥青路面已无法满足目前交通运输的使用需求,因此研究人员通过改性沥青技术,使用天然硬质沥青、废旧橡胶、聚合物等改性剂提高普通沥青的技术指标,以提高沥青路面的使用寿命[1]。

多聚磷酸(Polyphosphoric Acid,以下简称PPA)是一种由磷酸通过分子间脱水交联而生成的无机酸——常温下为无色透明的粘稠状液体,仅需简单机械搅拌即可均匀分散在沥青中,并提高沥青的各项技术性能[2]。PPA与常见的SBS、橡胶粉等聚合物改性剂相比,具有成本低、与沥青相容性较好等特点,有良好的应用前景和推广价值[3]。随着对PPA改性剂相关研究和工程应用的开展,研究人员发现PPA可能会降低沥青的低温性能,且单一PPA改性沥青的高温性能往往低于聚合物改性沥青,限制了其在实际工程中的大规模应用[4]。液体丁苯橡胶(Liquid Styrene-Butadiene Rubber,以下简称LSBR)是一种由碎屑橡胶在无氧和高温环境下通过热解得到的液态橡胶,研究人员发现其与沥青相容性优于丁苯橡胶颗粒,并能明显提高基质沥青低温性能,具有良好的应用潜力。若将PPA与LSBR进行协同改性,将可能同时发挥两种改性剂的优势,克服单一改性剂对沥青性能的负面影响,有利于PPA和LSBR在实际工程中的推广使用。因此,本文采用PPA/LSBR复合改性剂对基质沥青进行改性,通过动态剪切流变试验、弯曲梁流变试验与旋转薄膜老化试验,研究PPA/LSBR复合改性沥青流变性能与温度敏感性能,以期对PPA与LSBR的实际应用提供借鉴。

1 原材料

1.1 基质沥青

本文基质沥青采用壳牌70#沥青,其技术指标如表1所示。

表1 壳牌70#沥青技术指标表

1.2 多聚磷酸与液体丁苯橡胶

本文采用胜浩塑胶原料有限公司生产的LSBR,以及云南天耀化工有限公司生产的118%型PPA。其技术指标如表2所示。

表2 118%型PPA主要技术指标表

2 多聚磷酸/液体丁苯橡胶复合改性沥青的制备

将壳牌70#沥青加热呈熔融状态后,加入预先称量好质量的PPA,然后采用高速剪切乳化机进行搅拌剪切(剪切温度为150 ℃,转速为2 000 r/min,剪切45 min),然后掺入预定比例的LSBR,在170 ℃的温度下以3 500 r/min继续剪切60 min,剪切完成后将其放入150 ℃的恒温烘箱内发育溶胀60 min,即制备得到不同复配掺量的PPA/LSBR复合改性沥青[5]。

3 多聚磷酸/液体丁苯橡胶复合改性沥青流变性能

3.1 高温流变性能

为研究PPA/LSBR对沥青高温流变性能的影响,本文采用动态剪切流变仪(Dynamic Shear Rheometer,以下简称DSR)对不同PPA/LSBR复配掺量的样品高温流变性能进行分析。DSR试验参数为:采用应变控制水平为12%的应变控制模式,加载频率为10 rad·s-1,单点测试温度分别为64 ℃、70 ℃、76 ℃、82 ℃。试验结果如表3与图1、图2所示。

表3 PPA/LSBR复合改性沥青温度扫描结果表

图1 PPA/LSBR复合改性沥青相位角与车辙因子曲线图

图2 老化后PPA/LSBR复合改性沥青相位角与车辙因子曲线图

由表3和图1～2可知:

(1)基质沥青中掺入2%的LSBR后,同一试验温度条件下的改性沥青相位角明显提高,继续掺入PPA后,改性沥青的相位角发生明显降低,且PPA掺量越大,相位角下降幅度越大。结果表明,LSBR改性剂使沥青的弹性特征减弱、黏性特征增强,对沥青抵抗剪切性能产生负面影响,而PPA改性剂能改善LSBR改性沥青的粘弹性特征,显著提高沥青高温条件下的弹性特征。

(2)LSBR改性沥青与基质沥青相比,同一试验温度下的G*/sinδ降低约4.9%～7.7%,继续掺入0.5%～1.5%的PPA进行复合改性后,复合改性沥青比LSBR改性沥青的G*/sinδ提高约66.9%～306.1%。结果表明单一LSBR改性剂对沥青的高温抗车辙性能存在一定程度的负面影响,掺入PPA后能显著提高LSBR改性沥青的抗车辙性能。这是由于PPA与沥青中的轻组分交联形成共价交联物质,并催化烷基芳烃环化生成较硬的萘芳烃。此外,PPA与沥青组分的酸碱中和反应、酯化反应形成的含磷化合物使得沥青硬度提升,宏观表现为复合改性沥青的弹性特征增强、抗车辙性能提高,从而改善沥青的高温流变性能。

(3)经RTFOT短期老化后,基质沥青的G*/sinδ变化幅度为44.6%～53.7%,2%LSBR单一改性沥青变化幅度为43.8%～52.9%,PPA/LSBR复合改性沥青变化幅度为20.5%～45.8%,表明PPA能在一定程度上改善沥青老化前后的性能变化幅度。这是由于PPA能够延缓沥青老化过程中羰基等官能团的生成速度,从而提高沥青的抗老化性能,延长沥青使用寿命。

3.2 低温流变性能

本文采用低温弯曲梁流变仪(Beam Bending Rheometer,以下简称BBR)对PPA/LSBR复合改性沥青的低温性能进行研究。将沥青样品制备成小梁试件后,测试各组沥青样品的蠕变速率m和蠕变劲度S,结果如表4和图3所示。

表4 PPA/LSBR复合改性沥青BBR试验结果表

图3 PPA/LSBR复合改性沥青蠕变速率和蠕变劲度曲线图

由表4和图3可知:

(1)掺入单一PPA改性剂后,基质沥青同等温度条件下的蠕变速率明显下降,且PPA掺量越大蠕变速率越低,继续掺入LSBR改性剂后,复合改性沥青蠕变速率出现明显提高。蠕变速率指标主要表征沥青的应力松弛性能,其值越大则沥青低温条件下响应收缩形变速率越快、结构内部积累温度应力可能性越低,沥青低温抗裂性能越好。结果表明PPA改性及对沥青的低温应力松弛能力存在负面影响,而掺入LSBR能显著改善单一PPA改性沥青的低温抗裂性能,平衡PPA对沥青低温流变性能的负面影响。

(2)同一温度条件下,单一PPA改性沥青、PPA/LSBR复合改性沥青中的PPA掺量越大,则沥青的蠕变劲度越大,在掺入LSBR后,沥青的蠕变劲度则出现明显下降。蠕变劲度模量反映了沥青小梁试件抵抗荷载性能,其值越小沥青在低温下的变形柔韧能力越强,反之蠕变劲度模量越大则沥青越硬脆。结果表明PPA改性剂对沥青的低温性能存在负面影响,掺入LSBR与PPA进行复合改性后,能有效减小PPA改性剂对沥青低温柔韧变形能力的影响,提高复合改性沥青的低温流变性能。这是由于LSBR与SBR结构相似,同时裂纹尖端处的可塑性变形有利于增强沥青的低温抗开裂性能。

3.3 PG分级

本文依据SHRP中沥青PG分级的相关标准,基于表3、表4中的DSR与BBR测试结果,将PPA/LSBR复合改性沥青的PG等级汇总如下页表5所示。

表5 PPA/LSBR复合改性沥青PG分级汇总表

由表5可知,单一PPA改性剂对沥青PG低温等级存在负面影响,单一LSBR改性剂对沥青PG高温等级存在负面影响,但将PPA与LSBR对沥青进行复合改性时,能充分发挥两种改性剂的优点,改善单一改性剂对沥青性能的负面影响,提高复合改性沥青的PG等级,增强沥青在环境温度和行车荷载作用下抵抗变形开裂的性能。

4 PPA/LSBR复合改性沥青温度敏感性

为分析PPA/LSBR复合改性沥青温度敏感性,采用复数模量指数绝对值|GTS|作为温度敏感性评价指标。|GTS|通过将复数模量G*的双对数和测试温度T的对数进行拟合回归得到,计算公式如式(1)所示。根据DSR测试结果和式(1),分别计算|GTS|,结果如表6所示。

lg[lg(G*)]=GTS×lg(T)+C

(1)

式中:G*——复数剪切模量(Pa);

T——试验温度(K);

C——回归拟合中常数项;

GTS——复数模量指数。

表6 PPA/LSBR复合改性沥青GTS计算结果表

由表6可知,PPA单一改性沥青、PPA/LSBR复合改性沥青的|GTS|值均小于基质沥青,且PPA掺量越大,|GTS|值越小,而LSBR单一改性沥青的|GTS|值大于基质沥青。复数模量指数绝对值|GTS|反映了沥青在温度上升时抵抗剪切变形性能的变化幅度。结果表明,PPA改性剂能够抑制高温环境对沥青材料力学性能的负面影响,与LSBR复配时能够协同提高基质沥青的温度敏感性能,减少LSBR单一改性剂的负面影响,使沥青在高温条件下能够保持较好的抗剪切性能以抵抗行车荷载的作用。

5 结语

本文基于沥青高温、低温流变性能试验,研究了PPA/LSBR复合改性剂对于基质沥青的粘弹性特征、抵抗车辙变形性能、低温应力松弛性能、低温柔韧变形性能等流变性能的影响,得出以下结论:

(1)PPA改性剂能改善LSBR单一改性沥青的粘弹性特征、抗车辙因子,显著提高复合改性沥青高温条件下的弹性特征、抗车辙性能,且PPA掺量越大改性效果越好,从而提高沥青抗热氧老化性能,延长沥青使用寿命。

(2)LSBR改性剂能显著提高PPA单一改性沥青的低温应力松弛和柔韧变形性能,明显提高复合改性沥青的低温抗裂性能。

(3)PPA改性剂能够抑制高温环境对沥青材料力学性能的负面影响,与LSBR复配时能够协同提高基质沥青的温度敏感性能,减小LSBR单一改性剂的负面影响,使沥青在高温条件下能够保持较好的抗剪切性能以抵抗行车荷载的作用。

(4)PPA与LSBR对沥青进行复合改性时,能充分发挥两种改性剂的优点,改善单一改性剂对沥青性能的负面影响,提高复合改性沥青的PG等级,增强沥青在环境温度和行车荷载作用下抵抗变形开裂的性能。当掺入1.5%PPA与2%LSBR时,可将基质沥青的PG等级由PG64-18提高至PG76-18。