APAO&SBS复合改性沥青性能研究

2021-01-15孔令云管明阳全秀洁

应用化工 2020年12期

孔令云，管明阳，全秀洁

(1.重庆交通大学交通土建工料国家地方联合实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

SBS改性沥青因有良好的路用性能在道路建设中广泛使用[1-2]。但SBS改性沥青是物理改性，即SBS与沥青是机械地分散和包裹，则容易导致两相之间离析，从而影响改性沥青的质量和技术指标[3-4]。研究发现，非晶型α-烯烃共聚物(APAO)可改善沥青的高温稳定性能和抗老化性能[5-7]。故利用复合改性技术对沥青进行复合改性，使其各改性剂之间相互促进和补充[8-9]。

根据APAO的研究[10-13]，不同类型的APAO，其性能有显著的差异。基于此本文采用5种型号的APAO与SBS进行复合改性，制备了5种APAO&SBS复合改性沥青，并对比SBS改性沥青与5种APAO&SBS复合改性沥青的高温性能、温度敏感性能、抗老化性能和微观分散情况，以此来选择较好的APAO&SBS复合改性沥青。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

α-烯烃共聚物(APAO)，由辽阳奇达化工有限公司提供，选用5种不同类型的APAO进行实验，分别为175#APAO、193#APAO、126#APAO、056#APAO、192#APAO，技术指标见表1;苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS，牌号道改2#)，由巴陵石化有限公司提供，技术指标见表2;沥青(基质沥青，牌号昆仑AH-70#)，由昆仑集团农牧公司提供，技术指标见表3。

HR-2806E型沥青软化点实验仪；SZR-9型沥青针入度测定仪；KOEHLER型沥青材料延度测定仪；85型沥青薄膜烘箱；尼康Ts2R-FL倒置荧光显微镜。

表1 α-烯烃共聚物(APAO)技术指标Table 1 Technical specifications for α-olefine copolymer(APAO)

表2 SBS改性剂主要技术性能指标Table 2 The main technical performance indexes of SBS modifier

表3 基质沥青技术指标Table 3 Technical specifications of matrix asphalt

1.2 复合改性沥青制备

根据实验经验，APAO&SBS复合改性沥青应先加入SBS溶胀剪切，在SBS改性沥青进行熟化阶段加入APAO一起搅拌，最后置于烘箱中发育，以此保证沥青储存的稳定性。因此本实验采用如下制备过程：将基质沥青放入油浴锅中预热至150 ℃，边搅拌边加入2.0%SBS，低速搅拌20 min使SBS在基质沥青中溶胀；升高温度至180 ℃，用高速剪切机以8 000 r/min的速度剪切溶胀好的沥青1 h；降低温度至165 ℃，并加入6%APAO用搅拌机以600 r/min的速度搅拌2 h；将制备好的APAO&SBS复合改性沥青放入165 ℃的烘箱中保温35 min，使APAO&SBS复合改性沥青得以发育，并消除泡沫。

1.3 测试方法

改性沥青的三大指标(软化点、针入度、延度)实验和旋转薄膜加热实验(RTFOT)均按照JTGE 20—2011《公路工程沥青及沥青混合实验规程》中T 0604—2011、T 0606—2011(环球法)、T 0605—2011、T 0610—2011；沥青微观形貌采用荧光显微镜进行观察。

2 结果与讨论

2.1 不同改性沥青的基础技术指标

将制备好的5种复合改性沥青与SBS改性沥青分别进行沥青针入度、软化点、延度三大指标实验，结果见表4。

表4 不同改性沥青的三大指标测试结果Table 4 Three indexes of different modified asphalt were tested

由表4可知，随着APAO的加入，5种APAO&SBS复合改性沥青的软化点都比SBS改性沥青的软化点高，但针入度和延度比SBS改性沥青小。说明APAO的加入导致沥青高温性能提高，正温区低温性能降低；对比5种APAO&SBS复合改性沥青的三大指标发现，A2的软化点最高，A4的软化点最低，两者相差13.6%；A2的延度最高，A5的延度最低，两者相差133%；A2的针入度最高，A5的针入度最低，两者相差31.4%。综上所述，APAO&SBS复合改性沥青都具有较好的高温稳定性能，其中193#APAO的高、低温性能相对于其他几种APAO较好，因此在满足技术要求的情况下考虑成本应首选193#APAO与SBS对沥青进行复合改性。

2.2 不同沥青的温度敏感性

分别测试不同改性沥青在15，25，30 ℃温度下的针入度值取对数，按式(1)进行线性回归，按式(2)计算针入度指数，按式(3)计算当量软化点T800。结果见表5。

lgP=K+Algpen×T

(1)

(2)

(3)

式中，lgP为不同温度下的针入度对数；T为实验温度(℃)；K为回归方程常数；AlgPen为回归方程系数。

表5 不同改性沥青温度敏感性测试结果Table 5 Temperature sensitivity test results of different modified asphalt

由表5可知，5种APAO&SBS复合改性沥青的针入度指数比SBS改性沥青高，说明复合改性沥青比单一聚合物改性沥青具有更低的温度敏感性。这是因为溶于沥青中的APAO分散较为均匀，进而形成稳定的三维网状体系，限制了沥青胶体体系的移动，降低了沥青温度敏感性[14]；5种APAO&SBS复合改性沥青的当量软化点T800比SBS改性沥青高，说明复合改性沥青可以改善沥青的高温稳定性能；对比5种复合改性沥青，发现A2的针入度指数、当量软化点T800比其他复合改性量好，说明193#APAO更具有提高沥青高温稳定性的能力，这与三大指标实验数据分析的结论一致。

2.3 不同改性沥青的抗老化性能

分别进行不同改性沥青的旋转薄膜加热实验，按式(4)计算旋转薄膜烘箱质量变化，按式(5)计算旋转薄膜烘箱针入度比，按式(6)计算旋转薄膜烘箱软化点增量值，结果见图1～图3。

(4)

式中LT——试样旋转薄膜加热质量变化,%；

m0——盛样瓶质量,g；

m1——旋转薄膜加热前盛样瓶与试样合计质量,g；

m2——旋转薄膜加热后盛样瓶与试样合计质量,g。

(5)

式中KP——实验旋转薄膜加热后残留物针入度比,%；

P1——旋转薄膜加热前原试样的针入度,0.1 mm；

P2——旋转薄膜加热后原试样的针入度,0.1 mm。

ΔT=T2-T1

式中ΔT——旋转薄膜加热实验后软化点增值,℃；

T1——旋转薄膜加热实验前软化点,℃；

T2——旋转薄膜加热实验后软化点，℃。

图1 旋转薄膜加热实验质量变化Fig.1 Quality change of rotating film heating test

图2 旋转薄膜加热实验针入度比Fig.2 Rotating film heating test needle penetration ratio

图3 旋转薄膜加热实验软化点增量Fig.3 Rotating film heating test softening point increment

由图1～图3可知，旋转薄膜加热实验质量损失的大小关系为A5>A1>A4>A3>A2>S；针入度比的大小关系为A2>A1>A4>A3>A5>S；软化点增量的大小关系为S>A5>A3>A4>A2>A1。复合改性沥青与SBS改性沥青相比，前者的旋转薄膜质量变化增大，但针入度比也增大，且软化点增量较小。综合而言，复合改性沥青的抗老化性能较好；对比5种复合改性沥青，A2的抗老化性能相对较好，A5的抗老化性能相对较差，所以在道路施工中，应尽可能选用193#APAO，这与三大指标实验数据、温度敏感性分析所得的结论一致。

2.4 不同改性沥青的微观形貌

不同改性沥青的微观形貌照片见图4。

由图4可知，SBS在沥青中分散较为均匀，但呈现微小的颗粒状态，连续性不好；APAO&SBS复合改性沥青中，SBS分散于APAO和沥青所形成的网状结构中，使SBS的连续性增强，整个体系更加牢固，说明APAO可以改善SBS在沥青中的连续性；比较5种APAO&SBS复合改性沥青，A2中SBS的连续性和分散性相对较好，说明该复合改性沥青稳定性好，不易离析，可以较长时间存储。