采用测力延度评价复合改性沥青的低温性能

陈俊,李其祥,向东栋,高彦丽,王红亮,宋健伟

(湖北省煤转化与新型碳材料重点实验室(武汉科技大学),湖北 武汉 430081)

为了改善道路沥青的低温性能,常采用聚合物改性剂对基质沥青进行改性,使其低温抗裂性能得到较大改善[1-2].传统的延度试验法作为评价沥青低温性能的指标,因其操作方法简便、直观,在我国评价沥青路用性能中起着重要作用,但越来越多的研究表明,低温延度与沥青的弯曲梁流变试验(BBR)结果相关性不高,即延度的长短不能直接反映沥青低温性能的优劣[3].为解决这一问题,有研究者提出采用测力延度来评价沥青的低温拉伸特性.Radiziszewski发现通过测力延度得到的韧性比可以有效地评价改性沥青的性能,改性沥青的韧性与其混合料的疲劳寿命相关性良好[4].Shuler认为改性沥青测力延度曲线通常呈现两个斜率,拉伸初期出现的斜率主要受基质沥青性能的影响,而拉伸后期出现的斜率与改性沥青的性能及改性效果相关[5].许多的研究表明测力延度试验不仅与传统沥青的延度试验未相冲突,而且可以更有效地反映在拉伸过程中力和功以及其随着延度的变化,对沥青的低温性能作出更好的评价.

由于石油沥青的温度敏感性大,低温易脆,高温易流淌,弹性几乎没有,耐老化性能较差,而煤沥青价格低廉,它具有良好的黏附能力,其沥青质含量高,胶团颗粒大,有利于承受重载.将煤沥青与石油沥青共混制得一种复合改性沥青,该沥青对石料的黏附能力强,胶体体系稳定性优良,储存及运输过程中不会改变其性能,同时复合改性沥青的抗变形能力强,粗糙度大,用其铺筑的路面坚固性良好；且采用煤沥青代替部分石油沥青,经济性良好.本文中采用煤沥青与石油沥青共混,加入适量的添加剂制得一种性能优良且价格低廉的复合改性沥青,采用不同的改性剂以及改性剂含量研究改性沥青在拉伸过程中拉力与延度的关系,以及低温性能指标如屈服应变能E、拉断功W、韧性比R和柔量D5 ℃/Fz的相关性.

1 试验原料与仪器

1.1实验原料煤沥青(平煤武钢联合焦化公司,软化点80～90 ℃)、软化剂(煤焦油馏分,平煤武钢联合焦化公司)；SK-70石油沥青(韩国SK公司)；YH791型SBS改性剂(燕山石化公司)；橡胶粉(CRM,80目,天门市天德环保材料科技有限公司)；稳定剂(WDJ,湖北国创高新材料股份有限公司).

1.2实验仪器D120-2F电动搅拌器(杭州仪表电机有限公司)；98-1-B型电子调温电热套(天津市泰斯特仪器有限公司)；SYD-4508型延伸度试验器、SYD-2806型全自动沥青软化点试验器、SYD-2801E型针入度试验仪(上海昌吉地质仪器有限公司).

2 试验方法

将煤沥青与软化剂按7∶3的比例混合制得调制煤沥青(调制煤沥青比例为20%),再与基质石油沥青共混,加入SBS以及橡胶粉改性剂后制得改性沥青,依照T0604-2000、T0606-2000、T0605-1993检测其软化点(SP),25 ℃针入度(P25 ℃)以及老化前(D5 ℃)和旋转薄膜烘箱老化后5 ℃延度(RTFOTD5 ℃)指标.通过延度仪得到的数据分析改性沥青的低温性能指标.测力延度方案见表1.

3 结果与讨论

大部分SBS改性沥青的拉力-延度关系具有一致性[6],比较典型的关系如图1所示.AB段为沥青材料受外力后的初始变形阶段,即普通弹性形变阶段,此阶段的变形是可逆的,即拉力解除后试样可恢复原状.改性沥青在这段变形范围可看作理想的弹性体,此时AB段的斜率受基质沥青性能的影响；AB过后会达到一个拉力峰值Fmax,曲线下降段(Fmax～Fz)为沥青材料达到屈服点后,进入类似于金属材料受外力拉升达到屈服点后的变形阶段——颈缩阶段.之后曲线上升,沥青材料达到颈缩极限点,进入均匀拉升阶段——蠕变阶段,此阶段改性剂起到主要作用[7].

图1 拉力-延度示意图

拉力-延度曲线中反应的一些指标解释如下：屈服应变能E=Fmax×Lmax；拉断功W=SABCDF,即拉力-延度曲线与X轴组成图形的面积；韧性比R=SCDFE/SABE,SCDFE+SABE=SABCDF[8].图形面积根据计算机采集数据,采用矩形近似计算方法得到.FZ表示沥青材料由颈缩变形阶段转变到蠕变变形阶段的转折点拉力.

(1)改性沥青拉力-延度图分析.复合改性沥青老化前后的拉力-延度图分别见图2～5.

图2 SBS改性沥青样老化前拉力-延度图

图3 SBS改性沥青样老化后拉力-延度图

如图2所示,随着SBS添加量的增加,改性沥青的拉力峰值由59.0 N迅速增加到90.5 N,表明改性沥青可承受的剪应力逐渐增加.各曲线CD段的斜率随着SBS添加比例的增加而升高,表明改性沥青蠕变过程对应的拉力增大,这是因为SBS含量越高,变形过程中,沥青材料沿受力方向所需的能量越大,新的物理交联点和缠绕点越多[9],使其蠕变中需要的拉力增大,沥青材料的抗变形能力增强.SBS改性沥青老化后拉力-延度曲线见图3.如图所示,改性沥青老化后其拉力峰值Fmax均增大,这是因为沥青老化后基质沥青中沥青质的含量增加,使沥青变硬,增加了沥青分子键长和键角伸张的阻力,因而其最大拉力增加.

图4 SBS/CRM改性沥青样老化前拉力-延度图

图5 SBS/CRM改性沥青样老化后拉力-延度图

在4%SBS复合改性沥青中加入胶粉后,其拉力-延度曲线见图4.如图所示,添加胶粉降低了复合改性沥青的拉力峰值,由于胶粉自身具有弹性,当加入胶粉后,改性沥青材料在初期变形阶段能够抵消部分因形变产生的应力,从而导致拉力峰值减小.老化后4%SBS/CRM复合改性沥青的拉力-延度图见图5.加入胶粉的复合改性沥青老化后具有更高的拉力峰值,老化同时减少了沥青中轻质组分的含量,胶粉会吸附大量油分,使复合改性沥青中油分偏少,导致其老化后流动性能变差,低温抗裂能力下降.

(2)其他指标的相关性分析.本文中选取能够反映沥青低温性能的几个指标E、W、R、D5 ℃/Fz对沥青低温性能进行评价,其值见表2.

表2 拉力延度图分析结果

屈服应变能E反映了沥青材料在拉伸过程中,从开始变形到屈服点这一阶段中,外力所做功的大小,其值越大,表明拉伸过程中材料内部应力越大,即E值越大,沥青材料的低温抗裂性能就越差[7].表中添加胶粉后E值变小,说明添加胶粉可改善复合改性沥青的低温性能.沥青材料的拉断功W反映了沥青材料从受外力开始变形到断裂的过程中,外力对材料所做的功.表2中的W值数据表明,加入改性剂的复合改性沥青,具有远高于基质沥青的断裂功.拉力峰值数据表明,老化后的样品具有更高拉力峰值,由于高温老化过程破坏了改性剂在沥青中的存在形态,断裂的聚合物大分子能够提供的结构力减弱,重质组分增加加剧了沥青在拉伸时的应力集中现象.

表2中,添加改性剂的改性沥青老化前韧性比R值和柔量值D5 ℃/Fz均大于基质沥青,而添加SBS、胶粉能够改善基质沥青的低温抗裂性能,说明R值和柔量值大的沥青低温性能较好.添加SBS后,当添加量不大于4%时,R值呈增大趋势,但当添加量为5%时,R值减小,说明SBS添加量在2%～4%的范围内越大,改性沥青的低温性能越好.

4 结论

(1)拉力-延度曲线表明,随着SBS掺量的增大,改性沥青的低温抗变形能力增强；在4%SBS复合改性沥青中加入胶粉后,其拉力峰值减小,复合改性沥青的低温延度及抗变形能力减小.

(2)复合改性沥青的断裂功远高于基质沥青,老化后具有更高的拉力峰值；R值和柔量值大的沥青低温性能较好；SBS添加量在2%～4%的范围内越大,沥青的低温抗裂性能越好.

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