不同掺量EVA改性沥青流变性能研究

2022-11-10谭沥东

四川建筑 2022年5期

谭沥东

(厦门市水务中心，福建厦门 201001)

随着聚合物在生活中广泛使用，废品处理是不可避免的难题。一些废旧聚合物因降解性差，成为“白色污染”[1-2]。目前处理废旧聚合物有3个途径：填埋、焚烧、回收[3]。填埋会对土地资源造成不可避免的污染，焚烧过程中产生大量有毒有害气体，因此回收是最有效的处理方式。在道路工程领域，可用回收的EVA制备改性沥青，因此该研究具有重要意义。

国内外已有大量针对于EVA改性沥青的研究，沈化荣[4]研究发现EVA和沥青相容性好，EVA改性沥青的高温稳定性、低温柔韧性、弹性都有明显改善。李立寒等[5]将EVA沥青和PE、SBR沥青对比分析，发现EVA改性沥青适应温度范围更广，能够满足年最低气温高于-9 ℃区域重交通道路沥青的技术要求。范维玉等[6]对不同VA含量的改性沥青进行研究，发现随着VA含量的增加，EVA改性沥青的相位角δ增大，黏性成分逐渐增加，车辙因子G*/sinδ减小，抗车辙能力逐渐减弱，相容性先增强后减弱;在测定VA含量范围内，当VA含量为25%时，EVA改性沥青的综合性能达到最好。Mahmoud Ameri等[7]人通过对EVA改性沥青混合料永久变形、疲劳和低温开裂性能的测试，发现EVA改性沥青比基质沥青具有更好的抗车辙性能和抗疲劳开裂性能，且在EVA含量较低或者中等时(2%和4%)，EVA改性沥青具有更好的耐低温能力。Jing Jin等[8]通过将2种VA含量(14%，18%)的EVA进行紫衰减红外光谱(ATR-FTIR)、凝胶含量和高温凝胶渗透色谱(HTGPC)试验，对其降解机理进行了分析，发现氧的渗透、不稳定氧化产物和自由基的形成进一步促进了EVA的自然催化降解。Gordon[9]将EVA改性沥青的形态、热特性和基本流变性能进行了研究，发现EVA将自身结构中的半结晶质带入到沥青中，使得改性沥青在不同温度下，存在不同的晶体结构。

现今针对EVA改性沥青本身性能和EVA结构对改性沥青性能影响有了大量成果，尽管大家认为EVA和沥青相容性好，但在研究中EVA掺量少有超过10%。本文致力于不同EVA掺量对改性沥青性能影响，以三大指标、蠕变恢复率(R)、不可恢复蠕变柔量(Jnr)、应力敏感指数(Jnr-diff)、劲度模量(S)、m值作为技术指标，以此探究不同掺量EVA对改性沥青流变性能影响规律。

1 试验材料

1.1 基质沥青

试验选用2种组分不同的70#基质沥青，性能参数如表1所示。ES沥青在我国使用广泛，胶体结构优异。SK基质沥青各方面性能与ES基质沥青相似，但性能略差。

表1 基质沥青主要技术指标

1.2 EVA改性剂

本研究选取2种(由阿拉丁公司提供)不同VA质量分数EVA改性剂，性能参数如表2所示。

表2 EVA共聚物主要技术指标

1.3 改性沥青制备工艺

选用埃东BME100LT高速剪切机制备改性沥青。等沥青温度上升到170 ℃时，将设计好掺量(5%，10%，15%，20%)的EVA改性剂分批加入基质沥青中，并用玻璃棒缓慢搅拌。等EVA改性剂全部加入后，先低速速搅拌10 min，再使用4 000 r/min的转速剪切30 min，由此制得EVA改性沥青。

1.4 沥青性能评价指标

1.4.1 三大指标

根据JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》，以软化点(T0606-2011)为技术指标测试其高温性能，以延度试验(T0605-2011)评价其低温性能，以针入度值(T0604-2011)评价改性沥青软硬性。

1.4.2 MSCR试验

本文选用TA公司的DHR-3型动态剪切流变仪，根据规范AASHTO M 332进行试验，选用25 mm平板，试件厚度1 mm。MSCR试验过程：先在0.1 kPa的作用力下预加载10次，正式加载为先在0.1 kPa作用下加载10次，接着在3.2 kPa作用下加载10次(力的作用过程为1 s加载，9 s卸载恢复)。蠕变恢复率(R)，不可恢复蠕变柔量(Jnr)，应力敏感指标(Jnr-diff)由规范AASHTO M 332中公司计算得到。本文以64 ℃的R，Jnr，Jnr-diff为技术指标评价改性沥青高温性能。

1.4.3 BBR试验

BBR试验被广泛用于评价沥青低温性能，根据规范AASHTO M 320-10经行试件制备及试验操作。以-18 ℃时，加载60 s测得的劲度模量(S)和蠕变速率(m值)做为技术指标。S和m值由自带软件计算得到。

2 结果分析

2.1 三大指标

为探究不同掺量EVA对改性沥青常规性能影响，进行了三大指标试验，结果如图1所示。

图1 不同掺量EVA改性沥青三大指标

基质沥青的延度在5 ℃时几乎为0，而加入EVA后显著提升了沥青的延度，说明基质沥青经过EVA改性后延展性大幅提升。但随EVA着掺量增加，几种改性沥青的延度都呈下降趋势，说明过多的EVA改变了改性沥青黏弹性能占比，延展能力被削弱。基质沥青为ES70#的改性沥青延度大于SK70#。2种25%VA质量分数的改性沥青延度都大于30%VA质量分数的改性沥青，说明VA质量分数对延度的影响大于基质沥青种类对延度的影响。

加入EVA后，改性沥青针入度明显减小，说明EVA和基质沥青共混后使沥青在常温下更硬。随着EVA掺量增加，几种改性沥青针入度都呈下降的趋势，说明EVA掺量越大改性沥青的硬度越大。在相同EVA掺量时，32%VA质量分数的改性沥青针入度大于25%VA质量分数的改性沥青，说明25%质量分数的EVA改性沥青硬度更大。ES因自身针入度更小，导致制备的EVA改性沥青针入度小于SK制备的改性沥青。

基质沥青在加入EVA后，软化点明显上升，说明加入EVA能显著提升沥青高温性能。随着EVA掺量增加，几种改性沥青软化点都呈上升的趋势，说明EVA掺量越大，对其改性沥青高温性能提升越大。EVA掺量和软化点连成的曲线为凸函数，说明随着掺量增加，对高温性能的提升越来越小。25%VA质量分数的改性沥青软化点高于32%VA质量分数的改性沥青，且ES制备的改性沥青性软化点高于SK制备的，说明25%VA质量分数的改性剂和ES基质更适用于制备EVA改性沥青。

2.2 MSCR试验

MSCR试验测得的R和Jnr被证实和车辙试验有很好的相关性[10]，现今研究倾向于使用R和Jnr评价沥青高温性能。不同掺量的EVA改性沥青MSCR测试结果如图2所示。

64 ℃时，几种改性沥青在0.1 kPa和3.2 kPa作用下，蠕变恢复率如图2(a)、图2(b)所示。基质沥青在64 ℃的蠕变恢复率接近0，掺入EVA后蠕变恢复率明显增加，说明EVA能有效改善沥青变形恢复能力，使弹性变形比例增加，黏性变形比例减少。随着EVA掺量的增加，蠕变恢复率也逐渐升高，更多的EVA掺量能使改性沥青拥有更好的变形恢复能力。而在3.2 kPa作用下的蠕变恢复率小于0.1 kPa，说明EVA改性沥青弹性恢复性能随着作用力提高而迅速减小。

不可恢复蠕变柔量如图2(c)、图2(d)所示，其值越小说明沥青高温性能越好。基质沥青在加入EVA改性剂后，Jnr都呈减小的趋势，说明加入EVA使基质沥青有更好的抗变形能力。且随着EVA掺量增加，Jnr逐渐减小，说明EVA掺量越多，改性沥青高温性能改善效果越显著。当应力从0.1 kPa增加到3.2 kPa时，不可恢复蠕变柔量变大，这和沥青混凝土在更大承载时产生更大的车辙相符。

图2 MSCR测试结果

应力敏感指数如图2(e)所示，其值越大，沥青应力敏感性越大。在加入EVA改性剂后，沥青应力敏感指数降低，说明改性沥青受应力变化的影响更小，承载能力更强。随着EVA掺量增加，改性沥青应力敏感指数进一步减小，说明更多的EVA掺量使改性沥青承载能力进一步加强。

当选用相同的基质沥青时，25%VA质量分数的改性沥青蠕变恢复率更大，不可恢复蠕变柔量更小，说明25%VA质量分数的EVA改性沥青高温变形恢复能力更强。当VA质量分数相同时，E70制备的改性沥青有更大的变形恢复能力，基质沥青和VA质量分数共同影响了沥青的变形恢复能力。

EVA中C2H4基团会形成骨架结晶体，可支撑分子空间结构。该结构不仅有利于变形恢复，同时也利于提升改性沥青承载能力。因此当EVA掺量增加时，改性沥青内部形成更多骨架晶体，体现出更佳的高温性能。

2.3 BBR试验

为探究不同掺量EVA对改性沥青低温性能影响，进行了BBR试验，测得的劲度模量和m值如图3所示。

图3 不同掺量EVA改性沥青BBR测试结果

加入EVA后，沥青的劲度模量明显减小，m值明显升高，说明EVA使沥青在低温时更软，进而提升沥青延展性和抗开裂性能。随着EVA掺量增加，劲度模量逐渐降低，m值逐渐增加。表明EVA掺量越大，改性沥青低温时抗开裂性能越好，应力松弛能力越好，低温性能越佳。这和延度试验结论有区别。

25%VA质量分数的改性沥青有更小的劲度模量更大的m值，说明25%VA质量分数的EVA改性沥青低温性能优于32%VA质量分数的改性沥青。当VA质量分数相同时，由SK制备的改性沥青有更小的劲度模量，更大的m值，说明SK制备的改性沥青性能优于ES制备的改性沥青。

EVA加入沥青后，C4H6O2基团会形成与橡胶类似的结构，因此在延度测试时更容易造成应力集中。当EVA掺量越高时，应力集中更突出，使得延度测试结果降低。而EVA模量在低温时比基质沥青更软，且类似橡胶的结构有更好应力松弛能力，因此EVA掺量越多的改性沥青，在BBR试验中表现出更小的劲度模量和更大m值。