不同稳定剂对SBS改性沥青混合料路用性能的影响
2018-11-26李林萍
程 龙,郭 欣,于 江,叶 奋,2,李林萍
(1.新疆大学 建筑工程学院,新疆 乌鲁木齐 830047;2.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室,上海 201804)
0 引 言
SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)改性沥青可以显著提升沥青路面的高温抗车辙性能、低温抗开裂性能、抗疲劳开裂性能,在中国道路工程中得到了广泛的应用[1-2];但由于SBS与基质沥青相容性差而大大降低了SBS的改性效果。鉴于此,国内外研究者提出使用稳定剂增强SBS改性沥青的存储稳定性能。游金梅采用不同掺量的多聚磷酸(PPA)改善SBS的存储性能,证明PPA的加入能够改善SBS改性沥青的高温性能、抗老化性能,但低温性能降低;Zhang F[3]发现使用硫(S)作为稳定剂可以改善SBS、SBR在基质沥青中的分散程度,并且提高了SBS改性沥青的抗老化性能;宋莉芳发现在沥青服役温度内,使用有机改性黏土及含硫化合物稳定剂,对SBS改性沥青的流变特性影响显著;常海洲[4]发现纳米CaCO3稳定剂能提高SBS改性沥青的高温稳定性、动态力学性能和低温抗裂性能。
虽然目前关于SBS复合改性沥青路用性能的研究已经取得丰硕的成果,但大多研究只是纵向针对不同掺量下某一种添加剂对SBS改性沥青存储稳定性能及其混合料路用性能的影响[5-7]。本文从改善SBS改性沥青存储稳定性的角度出发,分别以有机蒙脱土(OMMT)、炭黑(CB)、硫(S)作为稳定剂对SBS沥青进行复合改性,通过离析试验、三大指标试验探讨不同掺量的3种稳定剂对SBS沥青存储稳定性能的影响,从而确定不同种类稳定剂的最佳掺量;在此掺量的基础上对SBS复合改性沥青进行配合比设计,进行马歇尔稳定度试验、高温车辙试验、低温梁弯曲试验、疲劳试验,采用纵向对比与横向分析相结合的方法,全面探究3种稳定剂对SBS改性沥青混合料路用性能的影响,为SBS复合改性沥青更加广泛地应用于中国道路工程领域提供理论依据。
1 试验原材料
1.1 沥青及改性剂
本试验选取克拉玛依90#沥青为基质沥青。聚合物改性剂(简称SBS)选用独山子石化分公司的星型SBST1 61-B改性剂,掺量为3%、4%、5%。为了减少SBS在沥青中的沉淀和团聚现象,试验采用LHB-2型剪切乳化搅拌机制备改性沥青,首先取适量的沥青加入加热锅中,设定加热温度为180 ℃,然后将拟定掺量的SBS倒入沥青中,手工搅动1 min后,再自动搅拌60 min,即可制备SBS改性沥青。
1.2 复合改性沥青的制备
在制备SBS改性沥青的基础上,分别将不同掺量(2%、4%、6%)的稳定剂,即有机蒙脱土(简称OMMT)、硫(S)、炭黑(CB),依次加入180 ℃的SBS改性沥青中,使用高速剪切乳化搅拌机搅拌1 h,即可得到SBS/OMMT、SBS/S以及SBS/CB复合改性沥青[8-9]。
2 沥青及沥青混合料试验方法
改性沥青及沥青混合料试验方案如图1所示。
图1 试验方案
2.1 改性沥青存储稳定性试验
将制备好的改性沥青加热至充分流动状态,注入直径32 mm、高160 mm的铝管中(注入沥青质量约为50 g),将铝管口密封之后竖直放入163 ℃±0.5 ℃的烘箱中,放置48 h±1 h。然后,将铝管放入-20 ℃的冰箱中冷冻4 h。冻结的铝管随后剪切成等量的三段,从顶部和底部获得的试样用于评估储存稳定状态。
2.2 改性沥青混合料试验
2.2.1 高温车辙试验
采用《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》( JTJ E20—2011)中的试验方法,对沥青混合料进行高温车辙试验、浸水马歇尔稳定度试验和低温弯曲试验,其中以高温车辙试验作为评价改性沥青混合料高温性能的方法,评价指标选用动稳定度DS、相对变形指标δ。混合料低温试验温度为-10 ℃±0.5 ℃,加载速率为50 mm·min-1。
2.2.2 疲劳试验
本试验采用澳大利亚IPCGlobal公司制造的BFA四点弯曲疲劳试验机测试沥青混合料疲劳性能,测试过程中使用UTM软件操作系统。
2.3 疲劳寿命评价方法
本文采用的疲劳寿命评价方法为SHRP-A303中推荐的疲劳性能判断方法,即50%初始劲度模量降低疲劳寿命法(Nf50法,Nf50为50%初始劲度模量减少时的疲劳作用次数)。
3 不同稳定剂对SBS改性沥青性能的影响
3.1 对SBS改性沥青存储稳定性能的影响
对不同掺量的SBS/OMMT改性沥青、SBS/S改性沥青、SBS/CB改性沥青进行离析试验,结果如图2所示。离析试验上下软化点差值小于2.5 ℃,表明SBS改性沥青未离析。由图2(a)可以看出,不同掺量的SBS改性沥青离析值均大于2.5 ℃,且SBS改性沥青的软化点差值与SBS掺量并不是正相关,软化点差值从大到小依次为4%SBS、5%SBS、3%SBS。因此,本文选取软化点差值最大的4%SBS改性沥青为样本,分别加入有机蒙脱土、硫、炭黑3种添加剂制备复合改性沥青。复合改性沥青软化点离析值如图2(b)所示,由图可知,在适宜的掺量下3种稳定剂都可有效地减少SBS改性沥青的离析值,解决SBS改性沥青的离析问题。其中,当OMMT掺量小于4%时,OMMT的掺入并不能减小SBS改性沥青的离析值,而当OMMT掺量超过5%时SBS改性沥青的离析值可满足规范要求。CB在掺量为4%时即达到存储稳定,当CB掺量为4%~6%时,对SBS改性沥青存储稳定性能的影响不大。S的掺量为2%时,SBS改性沥青存储性能即可达到稳定,随S掺量继续增加,其离析值变大,存储性能愈加不稳定。根据离析试验结果制备3种存储稳定的SBS复合改性沥青:掺6%OMMT的SBS/OMMT改性沥青、掺5%CB的SBS/CB改性沥青、掺2%S的SBS/S改性沥青。
图2 不同改性沥青离析试验结果
3.2 不同稳定剂对SBS基本性能的影响
分别测定SBS改性沥青、SBS/OMMT复合改性沥青、SBS/S复合改性沥青以及SBS/CB复合改性沥青的基本性能,结果如表1所示。
表1 改性沥青常规试验结果
由表1可得:OMMT稳定剂对SBS改性沥青低温性能的改性效果明显,低温黏度随掺量的增加急剧降低;SBS/CB改性沥青低温黏度受添加剂掺量的影响最小,改性效果较为稳定;SBS/S改性沥青低温黏度随稳定剂S掺量的增加呈上升趋势。此外,S和OMMT均能提高SBS改性沥青针入度指数,而CB的加入则降低了SBS复合改性沥青对环境温度的敏感度,提高了沥青混合料的耐久性及使用寿命。
软化点试验结果显示:OMMT稳定剂掺量为4%时,改性沥青软化点提高了6 ℃,掺量为6%时,软化点温度上升14 ℃,说明OMMT对SBS改性沥青高温性能提升显著;而S和CB稳定剂对SBS改性沥青高温性能改性效果不明显。延度试验数据显示,不同掺量的普通SBS改性沥青延度均大于1 000 mm,SBS改性沥青表现出极佳的低温抗裂能力,而3种稳定剂的加入对SBS改性沥青低温抗裂能力均有不同程度的消极影响,其中SBS/OMMT改性沥青低温抗裂能力最差。
4 不同稳定剂的SBS改性沥青混合料配合比设计
沥青混合料的配合比设计采用马歇尔试验设计方法,即通过试配法确定混合料的矿料配合比,并通过马歇尔试验判断矿料级配的合理性,确定混合料的最佳油石比[10-12]。沥青材料选择:OMMT掺量6%的SBS/OMMT改性沥青、CB掺量5%的SBS/CB改性沥青、S掺量2%的SBS/S改性沥青。级配设计选择多碎石级配SAC-16。采用马歇尔试验设计方法确定混合料的最佳级配,结果见表2。通过马歇尔系列试验得到混合料体积参数、马歇尔稳定度、流值,如表3所示。
表2 SAC-16级配设计
表3 马歇尔试验结果
表3数据显示:3种SBS改性沥青混合料的空隙率与沥青掺量呈负相关,沥青掺量达到6.0%时,3种混合料的空隙率均降至5%左右。由马歇尔稳定度和流值数据可知,在同一油石比条件下,3种稳定剂的加入均能不同程度地增加SBS沥青混合料的稳定度。其中,当油石比为5.2%~6%时,SBS/CB和SBS/OMMT复合改性沥青混合料的变形量,较油石比为4.5%、5%时分别减少了24.4%、3.82%,而4种油石比SBS/S改性沥青混合料的塑性变形量一直低于普通SBS沥青混合料。按照中国现行OAC方法确定沥青最佳用量:SBS沥青最佳用量为5.675%;SBS/OMMT改性沥青最佳用量为5.792%;SBS/CB改性沥青最佳用量为5.93%;SBS/S改性沥青最佳用量为5.83%。根据普通SBS改性沥青和3种复合改性沥青最佳掺量与SAC-16级配,制备马歇尔标准试件和车辙板试件。
5 不同SBS复合改性沥青混合料的室内试验
5.1 浸水马歇尔试验
分别对SBS、SBS/OMMT、SBS/S、SBS/CB沥青混合料进行浸水马歇尔试验,试验结果如表4所示。混合料浸水试验显示:普通SBS改性沥青混合料浸水残留稳定度达到93%以上,加入OMMT后SBS/OMMT混合料浸水残留稳定度达到97%以上,表现出极佳的抗水损能力; SBS/S改性沥青混合料浸水残留稳定度的平均值为92%,与普通SBS改性沥青浸水残留稳定度相接近,说明S添加剂对混合料的抗水损能力几乎没有作用;而SBS/CB改性沥青混合料的抗水损能力降低了11%,表明CB添加剂降低了SBS改性沥青的抗水损害能力。从马歇尔稳定度试验结果看,S、OMMT都能有效提高普通SBS改性沥青混合料的承载力。
表4 浸水马歇尔试验结果
5.2 动稳定度分析
同一条件下安排平行试验2次,若存在大于20%的误差则进行第3次试验,共完成4组车辙试验(共计8根小梁),试验结果如表5所示。
表5 车辙试验结果
车辙试验结果显示,OMMT/SBS改性沥青混合料的动稳定度为SBS改性沥青混合料的2.1倍,究其原因是,OMMT/SBS复合材料形成了剥离型的结构,其片层本身会对沥青分子链的运动产生一定的阻碍作用,所以其高温抗车辙能力最为突出[15-16],适用于对温度要求较高的炎热地区沥青道路建设。SBS/CB沥青混合料与SBS/S沥青混合料的高温抗车辙能力也达到普通SBS沥青混合料的1.5倍左右。车辙试验结果说明,3种添加剂都能有效提高SBS改性沥青混合料的抗车辙性能。
5.3 疲劳试验
基于材料和试验量的限制,疲劳性能检测仅选取应变1 000 με平行试验2次,共完成4组疲劳试验(实际试验12根),试验数据如表6所示。
表6 疲劳试验结果
经过对比发现,3种稳定剂的加入对SBS改性沥青的疲劳性能均有不同程度的提升。从疲劳性能观察,4种沥青混合料的疲劳性能从大到小依次为SBS/OMMT、SBS/CB、SBS/S、SBS。经过深入对比还发现有如下现象:SBS/OMMT沥青混合料的疲劳寿命为2.0×105~2.7×105次,相较单纯的4%掺量下的SBS改性沥青(即未掺加稳定剂时)混合料的疲劳寿命(0.9×105~1.2×105次),有近1倍的提升;而SBS/CB复合改性的动稳定度较SBS而言有0.5倍的提升;SBS/S的疲劳性能与SBS相接近。
5.4 混合料弯曲试验
弯曲梁试验是在-10 ℃低温环境下完成的,在同一条件下完成平行试验2次。混合料小梁试验结果见表7。由表7可以看出:普通SBS改性沥青混合料的平均劲度模量为1 618.09 MPa;而SBS/OMMT复合改性沥青混合料的劲度模量为1 267.01 MPa,较普通SBS改性沥青混合料下降了21.7%;SBS/CB复合改性沥青混合料的劲度模量为937.72 MPa,较普通SBS改性沥青混合料下降了42.1%;SBS/S复合改性沥青混合料劲度模量为1 855.47 MPa,比普通SBS改性沥青混合料上升了16.52%。此外,SBS/S的承载力也是混合料中最高的。OMMT虽然使SBS改性沥青的抗车辙性能和水稳定性能显著提升,但低温环境下其劲度模量仅仅是普通SBS改性沥青的79.9%;而SBS/CB混合料的低温承载力是3种复合改性SBS混合料中最小的,其劲度模量只达到SBS/S混合料的一半。小梁弯曲试验表明,稳定剂S能改善普通SBS改性沥青的低温性能,而OMMT和CB降低了SBS改性沥青的低温抗开裂能力。
表7 低温(-10 ℃)弯曲试验验结果
6 结 语
(1)存储稳定性能方面。通过沥青离析试验可得:SBS/S复合改性沥青S添加剂最佳掺量为2%,;SBS/OMMT复合改性沥青OMMT添加剂最佳掺量为6%;SBS/CB复合改性沥青CB添加剂最佳掺量为5%。
(2)高温性能方面。OMMT的加入对SBS的软化点有积极影响的试验结果,与OMMT能使 SBS改性沥青混合料高温抗车辙性能提高2.4倍的试验结果一致,而CB与S稳定剂对SBS改性沥青混合料高温性能的影响并不显著。
(3)低温性能方面。S使SBS改性沥青混合料低温劲度模量提高8%;CB降低了SBS改性沥青混合料40%的低温抗开裂能力;SBS/OMMT的低温劲度模量仅为SBS改性沥青混合料的79.9%。
(4)抗水损害性能方面。SBS/OMMT改性沥青混合料浸水残留度达到97%,水稳定性能极佳;S添加剂对混合料抗水损害性能几乎无影响;CB添加剂降低了SBS改性沥青混合料18%的抗水损害能力。
(5)疲劳性能方面。SBS/OMMT沥青混合料的疲劳寿命为2.0×105~7.7×105次,相较单纯的4%掺量下的SBS改性沥青混合料的疲劳寿命,有近1倍的提升,SBS/CB复合改性沥青混合料的动稳定度较SBS改性沥青混合料有0.5倍的提升,而SBS/S复合改性混合料的疲劳性能与SBS改性沥青混合料接近。