不同聚合物弹性体改性乳化沥青的流变性能*

张树文,范金成,樊 亮,张 锐,周海防,韩 凌,李永振**

(1.山东高速建材集团有限公司,山东 济南 250098;2.山东省交通科学研究院,山东 济南 250102;3.山东省高速养护集团有限公司,山东 济南 250001;4.山东高速物资集团有限公司,山东 济南 250098)

乳化沥青的常温施工、节约资源、减少排放的特点决定了其良好的经济、社会和环境效益,其使用也成为了道路建设和养护中的重要手段之一。近几年来,以改性乳化沥青和特种乳化沥青为革新,以精细化、专业化施工设备为手段,实现了乳化沥青在道路建设、养护中的新用途,如复合碎石封层、高渗透乳化沥青透层、冷再生技术、冷拌沥青混合料、超薄罩面等。其中,封层用乳化沥青的创新随着养护和预防性养护的需要而蓬勃发展[1-7]。

传统意义上,封层是在道路面层上依次洒布乳化沥青和单一粒径的集料,形成单层或多层的碎石薄层结构;既能封闭沥青面层表面空隙,也能防止水分侵入面层或基层,分为上封层和下封层;可用于加铺磨耗层、应力吸收层、防水黏结层等。但是,普通乳化沥青一般由于固含量低、黏结能力弱,不能满足较高的路用养护要求。在此背景下,一些聚合物弹性体被用于沥青改性,常见的有丁苯橡胶(SBR,又称聚苯乙烯-丁二烯共聚物)、热塑性弹性体(SBS,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物)等。基于聚合物弹性体的改性型乳化沥青和相应的养护技术相对传统的普通乳化沥青更具有优势,如微表处[8-15]用的SBR改性乳化沥青(SBR乳化沥青)、超表处[16-18]封层用的特征乳化高黏沥青(EHV乳化沥青)和封层用高聚合物再生型乳化沥青(PMRE乳化沥青)[19]等。这些材料通常具有高固含量的特点,但在材料组成上有较大的差异,因此工作性不同、残留物性质和路用性能也迥异。

本文以三种乳化沥青为研究对象,着重利用动态剪切流变仪表征乳化沥青的流体特性、工作特性和残留物性质;针对SBR微表处、EHV超表处、PMRE碎石封层等预防性养护技术特点,对比分析三类乳化沥青胶结料的性质差异,总结对应养护技术的适用性。

1 实验部分

1.1 原料

SBR乳化沥青:拌和型乳化沥青,山东高速建材集团有限公司,由聚苯乙烯-丁二烯共聚物胶乳、基质沥青与乳化剂水溶液经胶体磨制备而成;PMRE乳化沥青:高聚合物再生型乳化沥青,山东高速建材集团有限公司,采用某高分子聚合物弹性体胶乳和多种再生剂对沥青复合改性后与乳化剂水溶液经胶体磨制备而成;EHV乳化沥青:乳化高黏沥青,山东大山路桥工程有限公司,由苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物弹性体将基质沥青改性成高黏沥青后和乳化剂水溶液经胶体磨制备而成。三种改性乳化沥青的技术指标如表1所示。

表1 沥青的技术指标

1.2 仪器及设备

动态剪切流变仪:AR2000ex型,美国TA公司。

1.3 分析测试

流变实验的目的在于模拟一定的温度和加载环境,获取乳化沥青流体性质以表征材料的稳定性、涂敷能力和工作性;获取乳化沥青残留物的黏弹参数以表征材料的高温、低温和疲劳性能等。实验分为乳化沥青流体性质的流变实验和蒸发残留物的流变实验。

1.3.1 流体性质流变实验

(1)流体法向力实验

实验采用Peakhold流体实验模式,使用25 mm平板,间隙距离1 mm,温度为35 ℃,剪切频率为6.81 /s(相当于旋转黏度计20 r/min),获取1 h内法向应力变化数据。

(2)时间扫描实验

采用小应变、低频震荡条件模拟乳化沥青的时间依赖的稳定性。使用25 mm平板,间隙1 mm;应变为5%,频率为0.5 rad/s,温度为50 ℃。获取模量(G*)和相位角参数。

(3)温度扫描实验

用来模拟乳化沥青流体性质与温度的关系,考察升温过程中的破乳过程。使用25 mm平板,间隙为1 mm、应变为5%、频率为10 rad/s、温度范围为25～60 ℃;温度步长为1 ℃。获取G*和相位角参数。

1.3.2 蒸发残留物流变实验

乳化沥青蒸发残留物实验按照JTG E20-2011(T 0651)[20]进行测试,获取残留物后,进行残留物的流变实验。

(1)温度扫描实验

用来评价乳化沥青残留物的温度敏感性。采用25 mm平板,间隙为1 mm、应变为5%、频率为10 rad/s、温度范围为34～82 ℃、温度步长为2 ℃。

(2)频率扫描实验

用来评价乳化沥青残留物的高温性能。采用25 mm平板,间隙为1 mm、应变为5%、频率为0.01～25 Hz、温度范围为58～76 ℃、温度步长为3 ℃。

(3)疲劳实验

用来评价乳化沥青残留物的耐疲劳性能。采用8 mm平板,间隙为2 mm、应变为10%、频率为10 rad/s、温度为25 ℃,当测试样品的复数剪切模量降至初始值的50%时,认为发生疲劳损坏,此时对应的荷载作用次数作为样品疲劳寿命。

2 结果与讨论

2.1 流体实验

2.1.1 法向力与涂敷能力

当材料受到剪切作用时,由于自身弹性作用而在垂直剪切方向上产生法向应力。在涂敷材料的性能表征和区分中,更希望利用低法向力的产品;材料黏度一样时,法向力低者更能带来好的涂敷效果。这个认识在乳化沥青应用中也具有参考意义。

图1为三种乳化沥青的法向力和时间的关系图,可以看到:在35 ℃条件下,随着时间的延长,三者法向力发生了较大的变化,PMRE、EHV乳化沥青的法向力具有明显的衰减特征,而SBR乳化沥青的法向力则远高于前两者、且随着时间呈现增长趋势。这在一定程度上说明了不同乳化沥青对预防性养护技术的适用性。

时间/s图1 乳化沥青的法向应力变化

一般的,在封层技术使用时应需要较高的黏度和较低的法向力,PMRE、EHV乳化沥青具有这样的低法向力特征,标准黏度分别达到46 s、18 s,黏度显著大于SBR乳化沥青,能够提供更好的黏结力;法向力低于13 000 Pa,则能相对更好的提供涂敷能力,这适合于洒布车的洒布工艺。而SBR乳化沥青的法向力较高,更适合于微表处用的拌合类工艺。

2.1.2 时间扫描与存储稳定性

对乳化沥青进行时间扫描主要考察乳化沥青的储存稳定性。图2为乳化沥青|G*|与时间的变化关系,其中EHV乳化沥青的|G*|最高、PMRE乳化沥青次之、SBR乳化沥青最低,这与乳化沥青的流体黏度有很大的关系。但是随着时间变化,即使在震荡实验条件下,仅有PMRE乳化沥青的|G*|保持稳定,说明该乳化沥青的储存稳定性最好,其他两种乳化沥青稍逊。

t/s图2 |G*|与时间的关系

图3为乳化沥青相位角随着时间的变化关系。三种乳化沥青的相位角均在50°以下,都具有较大的弹性分量,这与聚合物的参与有着极大的关系。由于PMRE乳化沥青中的聚合物与SBR乳化沥青(聚合物为SBR胶乳)、EHV乳化沥青(聚合物为SBS)的聚合物体系不同;虽然质量含量为66%(小于EHV,大于SBR),但能够带来更小的相位角(小于35°)、体现出更大的弹性特征。这是PMRE乳化沥青的弹性优势,为封层应用提供良好的初期韧性。

t/s图3 相位角与时间的关系

2.1.3 温度扫描与破乳行为

图4为沥青原样的复数剪切模量与温度的关系图。

温度/℃图4 沥青原样的复数剪切模量与温度的关系

由图4可知,随着温度增加,SBR改性乳化沥青的复数模量逐渐增加,EHV乳化沥青和PMRE的复数剪切模量先增加,在35 ℃时达到最大值,然后逐渐减小。EHV乳化沥青和PMRE在35 ℃时已完全破乳,模量达到最大值,温度增加,沥青逐渐变软,模量逐渐下降,而SBR改性乳化沥青随着温度增加逐渐破乳,模量呈现逐渐增加的趋势。同时三种沥青的曲线变化率为EHV乳化沥青>PMRE>SBR改性乳化沥青,进一步说明了三种沥青中EHV乳化沥青的破乳速度最快,PMRE其次,SBR改性乳化沥青最慢。这也契合三种乳化沥青的破乳速度特征,即EHV乳化沥青为快裂型、PMRE乳化沥青为中裂型、SBR改性乳化沥青为慢裂型。

综上可以看出,PMRE乳化沥青具有适中的破乳速度、稳定的储存稳定性、较高的黏度和较低的法向力,工作性好,适合在封层技术中应用,其特殊的聚合物体系可以带来封层初期良好的弹性行为。而SBR乳化沥青的法向力很高,相对于PMRE、EHV乳化沥青更适合拌合型微表处技术。

2.2 蒸发残留物流变实验

乳化沥青蒸发残留物是实际上的黏结剂,其性质决定了混合料或封层的路用性能。本文获取了三种沥青的蒸发残留物,进行了流变实验以表征其路用性能的差异。

2.2.1 温度扫描特征

图5为沥青蒸发残留物的复数剪切模量与温度的关系图。由图5可知,随着温度增加,沥青的模量逐渐减小,整体上三种沥青在相同温度下的蒸发残留物|G*|为EHV乳化沥青最大,SBR改性乳化沥青其次,PMRE最小。

温度/℃图5 沥青蒸发残留物的G*与温度的关系

图6为沥青蒸发残留物的车辙因子与温度的关系图。

温度/℃图6 沥青蒸发残留物的车辙因子与温度的关系

在相同的温度下,三种沥青的车辙因子为EHV乳化沥青最大,SBR改性乳化沥青其次,PMRE最小。车辙因子反映沥青的高温抗车辙能力,EHV乳化沥青的高温性能最好,PMRE的高温性能和SBR改性沥青相当。

图7为沥青蒸发残留物的相位角与温度的关系图。在排除掉水分的影响后,三种残留物的相位角呈现和流体组成不同的特征。在较低的温度时,沥青材料的相位角越大,沥青中黏性成分越多,弹性成分越少,流动性越好,可以有效松驰材料低温收缩引起的拉应力,从而减少低温开裂。由相位角可知,三种沥青的低温性能为SBR改性乳化沥青最好,PMRE其次,EHV乳化沥青最差。

温度/℃图7 沥青蒸发残留物的相位角与温度的关系

综合复数剪切模量、相位角和车辙因子的实验结果看,PMRE的高低温性能比较均衡,而EHV乳化沥青的高温性能比较突出,SBR改性乳化沥青的低温性能较好。

2.2.2 频率扫描特征

对三种残留物进行不同温度下的频率扫描实验,利用时温等效原理,将不同温度下的复数剪切模量曲线沿着时间轴平移而叠合一起[21-22],构成参考温度58 ℃下的复数剪切模量主曲线。图8为沥青蒸发残留物的复数剪切模量主曲线。

角频率/(rad·s-1)图8 沥青蒸发残留物的复数剪切模量主曲线

由图8可以看出,三种沥青蒸发残留物的模量均随着剪切频率的增加而提高,在高频率条件下,复数剪切模量值表现为EHV乳化最大,沥青SBR改性乳化沥青其次,PMRE最小;在高温条件下,复数剪切模量值越大,沥青材料的弹性越好,高温性能越好,这与温度扫描实验得到的车辙因子结果相一致,即EHV乳化沥青高温性能最好,SBR改性乳化沥青其次,PMRE最差。

2.2.3 残留物疲劳实验

目前对沥青的疲劳研究通常采用的实验方法为时间扫描实验,对实验结果处理的方式主要有两种,一种是采用复数剪切模量下降至初始值的50%时所对应的荷载作用次数定义为沥青的疲劳寿命,另一种采用累积耗散能下降至初始值得50%时所对应的荷载作用次数定义为沥青的疲劳寿命[23-25],本文采用第一种方式评价三种沥青蒸发残留物的疲劳性能。

图9为沥青蒸发残留物复数剪切模量与荷载作用次数的关系图。由图9可知,随着荷载作用次数的增加,PMRE的复数模量下降速度介于SBR改性乳化沥青与EHV乳化沥青之间,SBR改性乳化沥青的复数模量下降速度最快,其降至初始复数模量50%时的荷载作用次数最小,这说明对于疲劳性能:EHV乳化沥青最好,PMRE其次,SBR改性乳化沥青最差。

荷载作用次数/次图9 沥青蒸发残留物复数剪切模量与荷载作用次数的关系

3 综合性能对比

3.1 路用效果

三种乳化沥青都以预防性养护技术应用于沥青路面表面层。其中SBR改性乳化沥青常用于微表处技术,PMRE常用于PMRE封层技术,EHV乳化沥青应用于超表处技术。微表处是采用专用设备将SBR改性乳化沥青、粗细集料、填料、水和添加剂等按照设计配比拌和成稀浆混合料铺设在原路面上的快凝型薄层罩面;超表处是通过超表处封层车,依次将层间界面剂、EHV乳化沥青、集料、EHV乳化沥青、表面保护剂等材料,五层同步洒/撒布施工至原路面的薄层结构;PMRE封层是在道路面层上依次洒布PMRE乳化沥青和单一粒径的集料,形成单层或多层的碎石薄层结构。

图10为三种预防性养护技术施工后开放交通时的照片。由图10可知,三种预防性养护技术的外观差别明显,微表处技术材料组成中集料含有级配结构,外观上集料粗细搭配并含有胶浆;PMRE技术材料组成中只有5～10 mm的玄武岩碎石,外观上集料颗粒明显并呈现集料岩石的原始颜色;超表处技术材料组成采用单一粒径的玄武岩集料,集料粒径小于PMRE,施工时采用多层同步撒布,颜色呈现沥青与玄武岩复合的黑色。

图10 三种预防性养护技术施工后图片

图11为三种预防性养护技术施工后开放交通时和开放交通后使用半年的摆式摩擦系数检测结果。

图11 三种预防性养护技术的摆式摩擦系数

图12为三种预防性养护技术施工后开放交通时和开放交通后使用半年的构造深度检测结果。

图12 三种预防性养护技术的构造深度

由图11可知,三种预防性养护技术在施工后开放交通时的摆式摩擦结果几乎一致,均能较好的改善路面抗滑性能, 开放交通后半年经过车辆荷载作用后, 微表处和超表处摆式摩擦结果分别衰减了29BPN、24BPN,PMRE封层衰减了12BPN,说明在解决路面抗滑病害时PMRE的使用寿命最长。由图12可知,三种预防性养护技术施工后开放交通时的构造深度差距明显,为PMRE构造深度最大,可以达到1.20 mm,而超表处和微表处相差不大。在通车使用半年后PMRE的构造深度可达0.81 mm,而微表处和超表处的构造深度值均已接近文献[26]中技术要求的临界值0.60 mm,说明PMRE封层改善路面的抗磨耗性能好于微表处和超表处。

3.2 综合对比

综合三种乳化沥青的流体性质、残留物性质和预防性养护技术路用效果,对比分析三种乳化沥青的性能优劣和使用特点。表2为三种乳化沥青的流变性能对比,其中★表示性能的优劣程度,★越多性能越好。

表2 三种乳化沥青的流变性能对比

由表2可知,流体性质和残留物性质方面,EHV乳化沥青性能最佳,PMRE其次,SBR乳化沥青最差。路用效果方面,PMRE性能最佳,EHV乳化沥青其次,SBR乳化沥青最差。

4 结 论

(1)PMRE和EHV乳化沥青具有较高的黏度和较低的法向力,具有较好的涂敷能力,适合于封层的洒布工艺,SBR乳化沥青具有较低的黏度和较高的法向力,不利于封层车洒布工艺,更适合于微表处用的拌合类工艺。

(2)综合蒸发残留物的温度扫描实验、频率扫描实验及疲劳实验结果,PMRE的高低温性能比较均衡,而EHV乳化沥青的高温性能比较突出,SBR改性乳化沥青的低温性能较好。

(3)综合蒸发残留物的疲劳实验结果,PMRE的疲劳性能优于SBR改性乳化沥青,差于EHV乳化沥青。

(4)综合性能对比,流体性质和残留物性质方面,EHV乳化沥青性能最佳,PMRE其次,SBR乳化沥青最差。路用效果方面,PMRE性能最佳,EHV乳化沥青其次,SBR乳化沥青最差。