温拌剂和阻燃剂对SBS改性沥青流变性能的影响

2019-03-15乔建刚李志刚李士宣

石油炼制与化工 2019年3期

乔建刚，李志刚，程璨，李士宣

(1.河北工业大学土木与交通学院，天津 300401，2.天津市绿色交通工程材料技术中心)

目前，国内大部分道路均采用沥青路面，在铺筑路面时以热拌沥青混合料的方式为主，这样不仅会消耗大量的能源，而且在施工过程中会产生大量沥青烟、NO、CO2等有害气体，对环境造成严重影响[1]。为了解决这些问题，Li等[2]研究了温拌阻燃沥青混合料的性能，结果表明Sasobit温拌剂和FRMAXTM阻燃剂可以提高混合料高温性能、降低低温性能及水稳定性。Fakhri等[3]对温拌改性沥青的抗疲劳性能进行研究，结果表明温拌剂在一定程度上提高了沥青的抗疲劳性能。Xu等[4]通过对阻燃沥青结合料SARA馏分热分解进行研究，得到了阻燃剂的阻燃机理。王春等[5]研究了Sasobit温拌剂对阻燃沥青混合料性能的影响，结果表明掺加温拌剂会降低混合料阻燃效果。周志刚等[6]对阻燃温拌SBS改性沥青性能进行分析，结果表明温拌阻燃剂会提高改性沥青的抗疲劳性能。

国内外关于温拌阻燃沥青及其混合料性能方面的研究较多，但对温拌阻燃SBS改性沥青流变性能方面的研究较少。本课题在SBS改性沥青中掺加EC130温拌剂和FRMAXTM阻燃剂，考察温拌剂和阻燃剂对SBS改性沥青高低温流变性能和黏温性能的影响，为温拌剂及阻燃剂的推广应用提供依据。

1 实验

1.1 SBS改性沥青

实验所用沥青为河北伦特石油化工有限公司生产的SBS改性沥青，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)测试沥青性质，结果见表1。

表1 SBS改性沥青的性质

1.2 温拌剂

实验所用温拌剂为海川公司生产的EC130，其性质见表2。EC130为白色粉末，是一种含水的无机矿物沸石，在100 ℃高温条件下可与沥青作用使之发泡，从而降低沥青黏度，并使施工温度下降，根据工程经验，选取EC130温拌剂掺加量为沥青质量的6%。

表2 EC130温拌剂的性质

1.3 阻燃剂

实验所用阻燃剂为海川公司生产的FRMAXTM阻燃剂，其性质见表3。FRMAXTM为白色细颗粒，与EC130温拌剂相比，其粒径要大很多，且接触时有明显粗糙感，其阻燃机理是因为受热分解时释放大量不易燃烧的气体，同时吸收大量热量，从而起到阻止燃烧的作用。根据工程经验，选取FRMAXTM阻燃剂掺量为沥青质量的8%。

表3 FRMAXTM阻燃剂的性质

1.4 EC130/FRMAXTM复合改性沥青的制备

利用烘箱将用于试验的SBS改性沥青在160 ℃的条件下加热至熔融状态，然后打开剪切仪，参考行业标准《沥青混合料改性添加剂：温拌剂》(JT/T 860.6—2016)及《沥青混合料改性添加剂：阻燃剂》(JT/T 860.3—2014)中规定的方法进行试验，首先加入EC130温拌剂，将剪切仪转速逐渐调至1 000 r/min，剪切10 min；然后加入FRMAXTM阻燃剂并将转速调至3 500 r/min，继续剪切10 min，确保整个过程中温度保持在160～170 ℃；剪切完成后，在170 ℃的烘箱中溶胀发育20 min，即可得到EC130/FRMAXTM复合改性沥青。

1.5 沥青性能测试

采用动态剪切流变仪(DSR)研究掺加不同改性剂的沥青结合料的高温流变性能。通过测量复数剪切模量G*及相位角δ，得到改性沥青的车辙因子G*/sinδ，当车辙因子达到Superpave性能规范中的G*/sinδ<1.0 kPa时，试验结束。采用低温弯曲梁流变仪(BBR)研究掺加不同改性剂的沥青结合料的低温流变性能。通过测量蠕变劲度S及蠕变速率m两个指标评价改性沥青胶结料的低温抗裂性能。当不满足Superpave性能规范中S<300、m≥0.3的要求时，试验停止。采用布洛克菲尔德黏度计(Brookfield)测试沥青的黏温性能，通过绘制黏温曲线，确定改性沥青的施工温度。

2 结果与讨论

2.1 高温流变性能

不同改性沥青的复数剪切模量G*、相位角δ、车辙因子G*/sinδ与扫描温度之间的关系如图1～图3所示。

图1 不同改性沥青的复数剪切模量与温度的关系■—SBS改性沥青； ●—EC130+SBS改性沥青； ▲—FRMAXTM+SBS改性沥青；改性沥青。图2～图6同

由图1可见：不同改性沥青的G*均随温度升高而下降，因为随着温度的升高，沥青材料由固态逐渐变成黏流态，导致G*下降；FRMAXTM+SBS改性沥青的G*最大，EC130+SBS改性沥青的G*最小，说明在SBS改性沥青中加入EC130温拌剂会加速沥青向黏流状态的转变，而加入FRMAXTM阻燃剂会使改性沥青的G*大幅提高，因为在高速剪切时沥青分子与之发生作用，吸附在FRMAXTM阻燃剂表面，对沥青分子的流动能力产生影响，使G*提高；在EC130温拌剂和FRMAXTM阻燃剂共同加入SBS改性沥青时，G*大约可以提高42%。

由图2可知：随着温度的升高，不同改性沥青相位角逐渐升高，由于在温度升高时沥青材料弹性成分降低，黏性成分增强，即δ增加；EC130+SBS改性沥青的相位角最大，FRMAXTS+SBS改性沥青的相位角最小，表明加入EC130温拌剂可以提高改性沥青的相位角，掺入FRMAXTM阻燃剂时相位角下降；当EC130温拌剂和FRMAXTM阻燃剂共同加入SBS改性沥青时，复合改性沥青的相位角大约下降了2.5%，其抗变形能力比SBS改性沥青有一定的提高。

图2 改性沥青的相位角与温度的关系

图3 不同改性沥青车辙因子与温度的关系

由图3可知：不同改性沥青的车辙因子均随着温度升高而下降；在SBS改性沥青中加入EC130温拌剂会导致车辙因子下降，而加入FRMAXTM阻燃剂会使车辙因子提高，根据Superpae性能规范中要求G*/sinδ>1.0 kPa，并根据临界温度确定沥青的最高适用温度，由此可知SBS改性沥青和掺加EC130温拌剂的SBS改性沥青的高温PG分级均为82 ℃，掺加FRMAXTM阻燃剂的SBS改性沥青和掺加EC130温拌剂与FRMAXTM阻燃剂的SBS改性沥青的高温PG分级均为88 ℃。FRMAXTM阻燃剂可以明显改善改性沥青的高温流变性能。

2.2 低温流变性能

不同改性沥青的蠕变劲度S和蠕变速率m与温度之间的关系见图4、图5。

图4 不同改性沥青的蠕变劲度与温度的关系

由图4可知：随着温度的下降，不同改性沥青的蠕变劲度均呈上升的趋势，主要是因为沥青材料在温度下降时变脆，导致蠕变劲度增大；SBS改性沥青的蠕变劲度最小，EC130+FRMAXTM+SBS改性沥青的最大，表明在沥青中掺入EC130温拌剂和FRMAXTM阻燃剂均会使沥青变脆，因为在制备过程中EC130温拌剂中的结晶水会与沥青分子发生作用，FRMAXTM阻燃剂则吸附在沥青分子表面，导致沥青分子间表面自由能下降，两者均会使改性沥青蠕变劲度增大、低温抗裂性能下降；EC130温拌剂和FRMAXTM阻燃剂共同加入SBS改性沥青中时约可以使-18 ℃时的沥青蠕变劲度升高39.7%。

图5 不同改性沥青的蠕变速率与温度的关系

由图5可知：随着温度的下降，不同改性沥青的蠕变速率逐渐下降，因此材料内部产生的拉应力变大，改性沥青更容易发生断裂；SBS改性沥青的蠕变速率最大，EC130+FRMAXTM改性沥青的蠕变速率最小；当EC130温拌剂和FRMAXTM阻燃剂共同掺入沥青中时蠕变速率下降约29.1%，从而使得复合改性沥青在低温状态下更容易发生断裂。

根据Superpave性能规范中荷载作用60 s的情况下S<300 MPa、m≥0.3的要求，确定合适的低温适用温度。由图4和图5可知，SBS改性沥青的低温PG分级为-18 ℃，其他3种改性沥青的低温PG分级均为-12 ℃，均比SBS改性沥青的低温流变性能有所下降。表明EC130温拌剂和FRMAXTM阻燃剂均会对沥青材料的低温流变性能产生不利影响。

2.3 黏温性能

不同改性沥青的黏度与温度之间的关系如图6所示。

图6 不同改性沥青的黏度与温度的关系

由图6可知：不同改性沥青的黏度均随着温度升高而下降，这是因为当温度升高时沥青材料由固态转为黏流态，沥青分子之间的摩擦力变小，黏度下降；EC130+SBS改性沥青的黏度最小，FRMAXTS+SBS改性沥青的黏度最大；EC130温拌剂和FRMAXTM阻燃剂共同加入SBS改性沥青时，其黏度与普通SBS改性沥青相差不大。

根据黏温曲线，对照行业标准《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中的施工温度可知，掺加EC130温拌剂可有效降低施工温度约25 ℃左右，掺加EC130温拌剂和FRMAXTM阻燃剂会对降温效果造成一定影响，但施工温度依然下降20 ℃左右。说明EC130温拌剂有利于减少能源消耗，并起到保护环境的作用。