松香树脂对SBS改性沥青的性能影响*

2020-12-17冯光乐

武汉理工大学学报(交通科学与工程版) 2020年6期

晏明罗蓉冯光乐

(武汉理工大学交通学院武汉 430063)

0 引言

沥青路面相较于水泥混凝土路面有着更好的路用性能和安全性能，但在长期服役的过程中遭受行车荷载、雨水、温度、紫外线等环境因素的影响，会出现裂缝、剥落、滑移等病害.据相关文献表明，沥青路面早期服役期间出现的病害70%由水损害导致[1].水损害在沥青路面的作用方式有两种：①水分通过吸附在沥青表面继而渗入沥青内部降低沥青的黏附性，从而穿过沥青膜进入到混合料内部产生破坏；②沥青混合料在行车荷载的作用下，沥青和集料之间的界面产生剪切破坏，从而出现细微裂缝，然后水分进入裂缝，降低沥青与集料之间的黏附性，继而导致沥青从集料表面剥落.由此可见，沥青与集料之间的黏附性是沥青路面抵抗水损害的重要因素.因此，提高沥青和集料之间的黏附性是保障沥青路面使用质量和耐久性的关键[2].

相关研究表明，沥青与集料之间的黏附性与沥青中的官能团有很大的关系，其中羧基对集料的吸附性能最强.松香树脂含有双链和羧基活性基因，具有共轭双键和典型的羧基反应[3-5]，理论上作为沥青的改性剂可以提升沥青与集料之间的黏附性，继而提高沥青路面抵抗水损害的能力.可是松香树脂对SBS改性沥青的其他性能的影响仍是空白，本文将系统研究松香树脂对SBS改性沥青的黏附性能、物理性能、老化性能和抵抗永久变形能力的影响.

1 试验材料与试验设计

1.1 试验材料

试验用沥青为国创SBS改性沥青，性能指标见表1.松香树脂是210#松香改性酚醛树脂，性能指标见表2.

表1 SBS改性沥青性能指标

表2 210#松香改性酚醛树脂性能指标

1.2 试验制备

①SBS改性沥青和松香树脂置于170 ℃的烘箱中溶胀60 min;②将改性沥青置于加热套中，调整温度为180 ℃，采用机械搅拌，时间为45 min;③在180 ℃下搅拌发育30 min，逐渐降低搅拌速度，驱赶气泡;④浇注模具.210#松香改性酚醛树脂加入量分别为改性沥青质量的0%，2%，4%，6%.

1.3 黏附性能

通过全自动表面张力仪，采用插板法测定四种沥青的表面能参数，通过磁悬浮重量平衡系统，采用蒸气吸附法测定两种集料(辉绿岩/石灰岩)的表面能参数，基于GvOC表面能理论计算沥青与集料的结合能，评定不同沥青之间的黏附性大小[6-8].

1.4 老化性能

松香树脂/SBS复合改性沥青的针入度、软化点、延度、60 ℃黏度、沥青旋转薄膜加热试验(RT-FOT)根据文献[9]中的T0604,T0606,T0605,T0620，T0610测定.

1.5 抵抗变形能力

试验采用动态剪切流变仪，根据文献[10]，对复合改性沥青进行PG分级试验，在PG高温下进行多种温度下的多重应力蠕变恢复试验(MSCR)，绘制沥青未恢复蠕变柔量随温度变化曲线以及沥青恢复率随温度变化曲线，对比分析其抵抗永久变形和恢复变形的能力.

2 试验结果与分析

2.1 松香树脂对SBS改性沥青与集料间黏附性的影响

沥青与集料之间的黏附性是沥青路面抵抗水损害的基础，同时也影响了沥青路面的路用性能和使用寿命.目前，我国采用水煮法来评定沥青与集料之间的黏附性，但是水煮法存在主观性误差，受试验环境影响较大，且不能定量的评价沥青与集料之间的黏附性.文中基于表面能理论，采用插板法测定四种沥青的接触角，利用Young-Dupre方程计算各组沥青的表面能参数，根据式(1)计算各组沥青与集料的结合能，以此来评定各组沥青与集料的黏附性.

(1)

四种沥青的表面能参数见表3，集料选用道路工程常用的辉绿岩和石灰岩，其表面能参数见表4，结合能的计算结果见图1.

表3 沥青表面能参数

表4 集料表面能参数

图1 沥青与集料的结合能

由图1可知，随着松香树脂掺量的增加，SBS改性沥青和两种集料的结合能基本呈现线性增加的趋势，即松香树脂能够增大SBS改性沥青与两种集料的黏附性.这是由于影响沥青黏附性的影响因素主要有黏度、酸值、化学成分等因素，其中对沥青官能团的研究分析表明沥青中的化学成分对集料黏附性由弱到强排列为：酮<吡咯烷<酚<嘧啶类<亚砜<羧基，松香树脂中包含大量的羧基活性基因，从而能够提升SBS改性沥青与集料的黏附性.

四种沥青与辉绿岩的结合能大于其与石灰岩的结合能，表明沥青与辉绿岩的黏附性明显优于沥青与石灰岩的黏附性.这是由于两种集料的化学成分、酸碱值、表面构造以及表面电荷等因素会对其黏附性产生较大的影响.

2.2 松香树脂对SBS改性沥青物理性能的影响

软化点、针入度、动力黏度是评价沥青的常规指标，也是表征改性沥青性能的重要指标.针入度表征沥青的软硬程度，抵抗剪切破坏能力；软化点反映了沥青的高温性能；黏度是表征沥青黏滞性的指标，其可反映沥青抵抗外力变形的能力.图2为不同松香树脂含量的改性沥青的测试结果.由图2可知，随着210#松香酚醛树脂含量的增加，沥青的针入度降低，且当松香树脂掺量大于2%时，趋势线基本呈直线变化，表明该松香树脂可以提高SBS改性沥青的硬度和抵抗剪切破坏的能力；SBS改性沥青软化点随210#松香树脂掺量呈现线性增加，说明松香树脂可以显著提高SBS改性沥青的高温性能；210#松香树脂能提高SBS改性沥青的动力黏度，该沥青在荷载作用下产生小的剪切变形，残留的永久变形小.

图2 不同因素随松香树脂掺量变化曲线

2.3 松香树脂对SBS改性沥青抗老化性能影响

测力延度试验可用于判断SBS改性沥青的种类或评价SBS改性沥青的低温性能，还能通过测力延度试验中的韧性指标来有效地评价改性沥青的抗老化性能[11].文中采用室内旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)模拟SBS改性沥青的老化过程，通过韧性和针入度比等指标来评价松香树脂对SBS改性沥青抗老化性能的影响.

沥青的延度反映了沥青路面的低温抗开裂性能，间接地说明了沥青的剪切敏感性，见图3～4.

图3 10 ℃测力延度曲线

图4 针入度比变化曲线

由图3～4可知，随着210#松香树脂掺量的增加，SBS改性沥青在10 ℃的延度不断减少，表明松香树脂会降低SBS改性沥青的低温性能；从老化角度出发，测力延度曲线与横轴围成图形的面积可以表征沥青的内聚力和抵抗老化的韧性，韧性和针入度比随松香树脂掺量增加而增加，说明松香树脂能够提高沥青抵抗断裂的内聚能和沥青的抗老化性能.210#松香树脂掺量大于4%，松香树脂对SBS改性沥青的抗老化性能提升不大.由于本实验是对改性沥青进行初期老化，只能反映准备沥青路面在短期服役情况下的抗老化性能.

2.4 松香树脂对SBS改性沥青高温性能的影响

多重应力蠕变恢复(MSCR)试验可以有效评价并区分不同种类的沥青抵抗永久变形和恢复变形的能力.本试验采用动态剪切流变仪，试验夹具：25 mm平行板；试验高度：1 mm间距；取点率：每0.1 s记录一个试验数据.首先将四组沥青进行PG分级，试验温度由PG高温确定.试验方法参照AASHTO M 332，试验温度分别为70，76，82，88 ℃，该实验在0.1和3.2 kPa两个应力水平下进行，前一应力水平下蠕变恢复试验重复20个周期，后一应力水平下蠕变恢复试验重复10个周期，每个周期加载1 s的恒定荷载，然后卸载9 s.

多重应力蠕变恢复试验采用两个指标来评价沥青的抵抗永久变形和恢复变形的能力，即为恢复蠕变柔量Jnr和恢复率R，见式(2)、式(3)，计算示意图见图5.

(2)

(3)

式中：σ为施加的应力大小，选用的是0.1和3.2 kPa;N为加载周期；ε0为第N个周期未加载前存在的应变；ε1为第N个周期加载结束时相对第N-1个周期恢复后的应变；ε2为第N个周期加载结束时的应变；ε3为第N个周期恢复结束时累计未恢复的应变；ε4为第N个周期恢复结束时相对于加载前未恢复的应变.

图5 试验示意图

根据式(2)～(3)计算出每个周期的未恢复的蠕变柔量和恢复率,然后根据式(4)～(5)计算各个应力水平下的平均未恢复蠕变柔量和平均恢复率，计算结果见图6～7.

(4)

(5)

式中：n为加载周期数.

图6 未恢复蠕变柔量曲线

图7 恢复率曲线

由图6～7可知，在同一应力水平和温度下，松香树脂掺量越高的SBS改性沥青的未恢复蠕变柔量逐渐降低，松香树脂掺量大于4%，在0.1和3.2 kPa两个应力水平下对SBS改性沥青的未恢复蠕变柔量影响不大.松香树脂掺量高的SBS改性沥青在应力加载和恢复阶段结束后产生的应变较小，具有较好的抵抗永久变形的能力，从而说明松香树脂能够提升SBS改性沥青的抵抗永久变形的能力和高温性能.

同样条件下，沥青的恢复率随着210#松香树脂掺量的增加呈现降低的趋势，即松香树脂掺量越高，SBS改性沥青的抵抗恢复变形的能力越弱，这是由于沥青是一种黏弹性物质，松香树脂在常温下是固态，当温度大于其软化点所对应的温度时会呈现一种粘稠的液态.本试验所采用的温度低于该树脂的软化点所对应的温度，因此在该温度下松香树脂会降低SBS改性沥青的可恢复能力.

随着温度的升高，四种沥青的为恢复蠕变柔量在逐渐增大，恢复率在逐渐降低，说明温度升高，沥青逐渐呈现流动状态，弹性比例降低，塑性比例增加，使沥青的累积变形增大.