抗剥落剂对SBS改性沥青性能影响研究

叶 坦

(福建省交通建设试验检测中心有限公司,福建 福州 350007)

我国幅员辽阔,不同地区的气温和降水等环境因素差异较大,在荷载和自然环境的作用下,沥青路面会出现各种病害[1-2]。这些道路病害使得道路的使用寿命大幅度缩短,导致道路的使用性能严重降低[3]。为了保障交通运输的通畅和道路的使用寿命,除了考虑路面结构和施工设计外,还要注重沥青路面的高低温性能和抗水损坏能力[4-6]。

早在19世纪,以美国和欧洲为主的发达国家就已经开始使用改性沥青来提高沥青混合料的高低温性能。在20世纪30年代,英国开始大量使用橡胶改性沥青[7],此外,聚合物改性沥青也是一种改善沥青路面性能的有效方法[8-9]。聚合物通常可分为三大类:弹性体、塑性体和反应性聚合物,其中苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)是目前使用最广泛的弹性体,在沥青路面抵抗车辙和开裂方面有明显的效果,但是沥青与骨料之间的剥落问题依然存在[10],沥青与骨料之间的黏附性不足会导致路面出现各种病害[11-13]。为解决这一问题,很多学者通过在沥青中添加抗剥落剂的方式来提高沥青综合性能的同时,并增强沥青与骨料之间的黏结作用[14-15]。张恒龙等[16-17]分析了3种不同类型的抗剥落剂(M1,T9和LOF-6500)及其掺量对胶粉改性沥青流变特性的影响,发现添加抗剥落剂后胶粉改性沥青的高温性能等级并未发生变化,且抵抗老化的能力有所提升。黄诗洪[18]使用胺类和硅烷类两种抗剥落剂对橡胶粉改性沥青进行复合改性,通过测试复合改性沥青的高低温流变特性发现,硅烷类抗剥落剂可以提高橡胶粉改性沥青的高温性能。王建文等[19]将抗剥落剂掺入沥青混合料中,结果发现,沥青混合料的路用性能均有所改善,且抗剥落剂还能提高沥青混合料的疲劳性能。于浩伟等[20]研究了抗剥落剂掺量对沥青性能的影响,发现当抗剥落剂掺量为3%～4%时,沥青混合料的综合性能最优。申爱琴等[21]发现抗剥落剂掺量为0.4%时,对低温性能的改善效果最佳。

以上研究说明,抗剥落剂能提高沥青及其混合料的整体性能。因此,本文拟采用两种抗剥落剂(BWH551和LY型)对沥青路面上面层常用的SBS改性沥青进行复合改性,并对复合改性沥青的常规性能和流变性能进行对比分析,为抗剥落剂在工程上的运用提供理论依据。

1 材料与试验方法

1.1 原材料

1.1.1 原样沥青

选择SBS改性沥青为原样沥青,其各项性能指标如表1所示。

表1 SBS改性沥青性能指标

1.1.2 抗剥落剂

本研究选取的抗剥落剂有两种:一种是生物重油类表面活性剂型抗剥落剂,简称BWH551型抗剥落剂;另一种是环保型非胺类沥青抗剥落剂,简称LY型抗剥落剂,两种抗剥落剂的技术参数指标如表2所示。

表2 抗剥落剂技术参数指标

1.2 复合改性沥青制备方法

将SBS改性沥青加热至170 ℃左右,随后加入一定掺量的抗剥落剂,用高速剪切机在剪切速率4 000 r/min、温度170 ℃条件下剪切30 min,以促进抗剥落剂与沥青均匀混合。剪切完成后将样品放到150 ℃的烘箱内保温90 min,待发育完毕后取出。抗剥落剂的掺量为0.2%,0.4%和0.6%。

1.3 试验方法

本文采取的试验方法均根据JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行,其中根据T 0604—2011,T 0606—2011和T 0606—2011分别进行针入度、软化点和延度试验,测试复合改性沥青的三大指标;为评价复合改性沥青的高温流变特性,通过T 0628—2011进行温度扫描试验,测定复合改性沥青的复数剪切模量、相位角和车辙因子,试验温度为52 ℃～82 ℃;根据T 0627—2011规定,开展沥青弯曲蠕变劲度试验测得复合改性沥青的劲度模量和蠕变速率以评价复合改性沥青的低温流变特性,试验温度为-12 ℃,-18 ℃和-24 ℃;最后根据接触角试验评价复合改性沥青的黏附性能。

2 试验结果与分析

2.1 常规物理性能

各复合改性沥青针入度、延度和软化点试验结果如图1所示,由图1(a)可知,随着抗剥落剂掺量的增加,复合改性沥青的针入度逐渐增加,且LY型抗剥落剂对SBS改性沥青针入度影响更大,在相同抗剥落剂掺量下,LY/SBS复合改性沥青的针入度大于BWH551/SBS复合改性沥青针入度。由图1(b)可知,BWH551/SBS复合改性沥青的延度随抗剥落剂掺量的增加呈先增加后降低的趋势,在抗剥落剂掺量为0.4%时延度达到最大值,而LY/SBS复合改性沥青的延度随抗剥落剂的加入逐渐增大。与针入度规律类似,在相同抗剥落剂掺量下,LY/SBS复合改性沥青的延度大于BWH551/SBS复合改性沥青延度。由图1(c)可知,BWH551/SBS复合改性沥青和LY/SBS复合改性沥青的软化点随抗剥落剂的增加先升高后降低,针对BWH551/SBS复合改性沥青,BWH551型抗剥落剂掺量为0.2%时,软化点最大,而针对LY/SBS复合改性沥青,LY型抗剥落剂掺量为0.4%时,软化点最大,说明BWH551和LY型抗剥落剂掺量分别为0.2%和0.4%时,复合改性沥青的高温性能较好。

2.2 高温流变性能

温度扫描试验可以测定沥青的动态剪切模量G*和相位角δ,其中G*代表沥青在某一温度下抵抗剪切变形的能力,反映了沥青的高温稳定性,G*越大高温稳定性越好。δ在一定程度上反映沥青的特性,沥青中的黏性成分随δ的增大而增多,弹性成分随δ的增大而减小,反之亦然。

1)复数剪切模量。抗剥落剂对SBS改性沥青复数剪切模量的影响如图2所示,从图2可以发现,随着温度的不断升高,复合改性沥青的车辙因子均逐渐降低,这说明温度越高,复数剪切模量越小,沥青在高温下抵抗变形的能力逐渐减小。此外,在相同温度条件下,添加0.2%的BWH551型抗剥落剂使得BWH551/SBS复合改性沥青复数剪切模量最高,对于LY/SBS复合改性沥青,当LY型抗剥落剂掺量为0.4%时,LY/SBS复合改性沥青复数剪切模量最高。这是因为LY型抗剥落剂中的饱和脂肪酸可以增强沥青的高温性能,多乙烯多胺可以增强沥青的黏附性,当LY的含量(质量分数)在0.4%～0.6%的范围内,沥青中的饱和脂肪酸过多,增大了沥青中饱和分的含量,从而降低了沥青的稠度。对比BWH551和LY型抗剥落剂,SBS改性沥青的复数剪切模量对LY型抗剥落剂掺量变化更为敏感。

2)车辙因子。车辙因子是复数剪切模量与相位角δ正弦的比值,即G*/sinδ,其反映了沥青抗永久变形性能,车辙因子越大高温性越好。抗剥落剂对SBS改性沥青车辙因子的影响如图3所示,随着抗剥落剂掺量的增大,车辙因子和复数剪切模量表现出相同的变化规律,即随着抗剥落剂掺量的增加先增大后减小。针对BWH551/SBS复合改性沥青,当BWH551型抗剥落剂掺量为0.2%时,复合改性沥青的车辙因子最大,较SBS改性沥青,52 ℃～82 ℃试验条件下,车辙因子分别提升了17.5%,23.6%,15.2%,7.4%,12.5%和3.5%。而针对LY/SBS复合改性沥青,掺加0.4%的LY型抗剥落剂使得复合改性沥青的车辙因子最大,较SBS改性沥青,52 ℃～82 ℃试验条件下,车辙因子分别提升了58.7%,56.7%,52.1%,51.8%,75%和32.7%。在相同抗剥落剂掺量条件下,LY型抗剥落剂对提升SBS改性沥青的高温性能更有利。这与LY型抗剥落剂中的饱和脂肪酸可以增强沥青的高温性能,多乙烯多胺可以增强沥青的黏附性有关。

2.3 低温流变性能

通过沥青弯曲蠕变劲度试验测得复合改性沥青的劲度模量(S)和蠕变速率(m)以评价复合改性沥青的低温抗裂性能。一般来说,具有较低的劲度模量和较高的蠕变速率的沥青具有较好的低温性能。

1)劲度模量。如图4所示是抗剥落剂对SBS改性沥青劲度模量的影响,从图4可以明显地发现,S值随温度的下降逐渐增大,表明复合改性SBS沥青的脆性和硬度增大,随着抗剥落剂掺量的增加S值逐渐升高,表明在低温状态下让沥青发生蠕变需要更大的力。随着BWH551型抗剥落剂掺量的增加,BWH551/SBS复合改性沥青的劲度模量逐渐增加,而随着LY型抗剥落剂掺量的增加,LY/SBS复合改性沥青的劲度模量逐渐降低,LY型抗剥落剂可以优化SBS沥青的低温性能。

2)蠕变速率。由图5可知,复合改性沥青的蠕变速率随温度的降低逐渐下降,表明随着温度的降低复合改性沥青的低温松弛特性变差。BWH551/SBS复合改性沥青的蠕变速率随BWH551型抗剥落剂掺量的增加,蠕变速率先升高后降低,并且在掺量为0.2%时,m达到最大值。这是因为当BWH551的含量(质量分数)在0%～0.2%的范围内,随着抗剥落剂的加入沥青中的轻质组分增大,从而增大沥青的流动性,使延展性增大。LY/SBS复合改性沥青的蠕变速率则随LY型抗剥落剂掺量的增加逐渐增加,低温性能越来越好。结合温度扫描试验结果,最终确定0.2%为BWH551型抗剥落剂的最佳掺量,0.4%为LY型抗剥落剂最佳掺量。

2.4 黏附性分析

1)抗剥落剂对接触角的影响。选取0.2%BWH551/SBS复合改性沥青和0.4%LY/SBS复合改性沥青作为接触角试验的研究对象,其结果如表3所示,BWH551和LY型抗剥落剂改性后的SBS改性沥青与试剂的接触角均有所降低,三种沥青接触角大小排序为:SBS改性沥青>LY/SBS复合改性沥青>BWH551/SBS复合改性沥青。其原因主要是:BWH551型抗剥落剂为表面活性剂型抗剥落剂,与沥青充分混合后,一定程度上增大了SBS改性沥青的亲水性。LY型抗剥落剂中含有饱和脂肪酸和多乙烯多胺,多乙烯多胺的主要作用为吸附作用,当加入SBS改性沥青后,在很大程度上会增大SBS改性沥青的吸附能力。

表3 接触角测试结果

2)抗剥落剂对表面自由能的影响。根据接触角的测试结果,求得每种沥青的色散分量、极性分量和表面自由能,计算结果如表4所示。

表4 表面能及分量测试结果 ergs/cm2

由表4可知,BWH551和LY型抗剥落剂改性后SBS沥青的表面自由能明显增大,是因为这两种抗剥落剂当中均含有一种能够提高沥青吸附能力的成分,BWH551中含有一种能够增大沥青表面张力的温拌剂成分,LY型抗剥落剂中含有多乙烯多胺,能够有效提高沥青的吸附能力。且通过试验结果可以发现,当抗剥落剂掺加到沥青中后,沥青的吸附能力明显增强,沥青的表面自由能也明显增大,BWH551型抗剥落剂对提升SBS改性沥青的黏附性更有利。

3 经济性分析

随着社会经济的发展,道路上的各种问题日渐突出,特别是公路上的超载、超限问题日益加剧,同时沥青路面不可避免地出现了因材料原因造成的路面早期损害,降低了道路的使用寿命,同时增加了路面后期养护和维护的费用,这无形中加大了工程运营成本。如何开发能够同时兼顾“耐久”“环保”和“经济”的道路材料已成为当前公路建设研究的热点问题。

本文使用的各种改性剂价格及一公里高速公路改性剂使用量及费用如表5所示。通过表5的数据可知,一公里六车道高速公路所需BWH551和LY型抗剥落剂费用分别为0.48万元和0.8万元,从经济的角度首选应为BWH551型抗剥落剂。同时,综合复合改性沥青的高低温性能和黏附性,BWH551型抗剥落剂是最佳的选择。

表5 改性剂单价及费用

4 结论

本研究制备了BWH551/SBS复合改性沥青和LY/SBS复合改性沥青,对复合改性沥青的常规物理性能、高低温流变特性和黏附性进行了分析,主要结论如下:

1)随着抗剥落剂含量的增加复合改性沥青的针入度逐渐增加,软化点先增大后减小,BWH551/SBS复合改性沥青的延度随抗剥落剂掺量的增加先增加后降低,而LY/SBS复合改性沥青的延度随抗剥落剂的加入逐渐增大。

2)随着BWH551型抗剥落剂掺量的增大,BWH551/SBS复合改性沥青的高低温性呈现出先增强后减弱的趋势,当LY型抗剥落剂掺量小于0.4%时,其对SBS改性沥青的高温性能有积极作用,且随着LY型抗剥落剂掺量的增大,复合改性沥青的低温性能持续增强,推荐BWH551和LY型抗剥落剂掺量分别为0.2%和0.4%。

3)BWH551和LY型抗剥落剂掺加到沥青中后,沥青的吸附能力及抗水损害能力明显增强,BWH551型表面活性抗剥落剂对SBS改性沥青抗水损害能力的提升幅度明显高于LY型抗剥落剂。