聚合物改性沥青材料延衰性能与作用机理研究

2023-08-04邸志伟刘俊龙

黑龙江交通科技 2023年8期

邸志伟,刘俊龙

(1.山西路桥第六工程有限公司,山西太原 030006;2.长安大学公路学院,陕西西安 710064)

1 引言

随着我国经济和社会的发展,道路交通逐渐成为国家发展和战略的重要组成部分。沥青路面由于其具有良好的路用性能、行车舒适性及施工便利性而逐渐成为我国道路的主要应用形式之一[1-2]。然而,在路面的长期应用过程中,光照、温度及湿度等自然环境的耦合作用下沥青路面会产生不同程度的病害,进而造成沥青路面使用性能、安全性及耐久性的明显劣化[3-4]。在众多自然环境因素中,光照辐射是引起其长期老化的主要原因之一,由于光照中的紫外辐射能量能够诱发沥青胶结料中部分化学键的断裂,引起沥青中羰基、亚砜基等基团的累积,进而促使沥青中化学组分产生转化,导致沥青胶体结构稳定性下降,最终造成沥青路面材料质地变硬,从而导致一系列病害的产生,对沥青路面的服役耐久性产生负面影响[5-6]。因此,采用合理的技术手段有效控制沥青路面的紫外老化对缓解其长期老化造成的性能劣化具有重要意义。

基于此,优选丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈树脂(ASA)作为沥青改性剂,制备丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈树脂改性沥青,对树脂改性沥青进行不同时间的紫外老化处理,借助线型振幅扫描试验深入分析丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈树脂对沥青胶结料疲劳特性的影响规律,采用差式扫描热试验系统研究丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈树脂改性沥青的玻璃化温度等热物性指标,明确和揭示了丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈树脂对于沥青胶结料紫外老化行为的控制效应及机理,为聚合物在沥青路面紫外老化控制中的良好应用奠定基础。

2 试验原材料及试验方法

2.1 基质沥青

选用70#基质沥青作为改性载体,技术性能指标如表1所示。

表1 70#基质沥青的技术性能指标

2.2 聚合物改性剂

丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈树脂(ASA)是由丙烯腈、苯乙烯和丙烯酸橡胶组成的三元共聚物,由于没有引入不含双键的丙烯酸酯橡胶,其耐候性有所改善。ASA树脂及分子结构式如图1所示。

图1 丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈及其分子结构式

2.3 聚合物改性沥青的制备

首先将沥青加热至130 ℃至熔融态,称取一定质量的沥青置于洁净的容器中;将定量的聚合物改性剂加入熔融的沥青中,采用高速剪切仪对混合物进行剪切搅拌,搅拌速率为2 500 rad/min,搅拌时间为15 min;搅拌完成后将沥青放入120 ℃烘箱中溶胀发育,溶胀结束后即可完成改性沥青的制备。

2.4 试验方法

(1)紫外老化试验

紫外老化试验按照最不利状况进行,试验紫外老时间按照我国西部地区的紫外辐射强度和辐射量进行计算(太阳光年辐射强度约为7 000 MJ/m2·a,紫外线辐射强度占5%～6%)。室内紫外辐照设备的辐射强度约为375 W/m2,按照对照关系可计算总紫外老化时间为305 h,具体将305 h划分为4个紫外老化时间节点。

(2)线型振幅扫描试验

线型振幅扫描试验(LAS)采用试验温度18 ℃,8 mm平板间距为1 mm。LAS试验第一步:频率扫描,控制应变模式,应变0.1%,扫描频率0.2～30 Hz,记录每个频率的剪切模量和相位角;LAS试验第二步:振幅扫描,采用控制应变模式,10 Hz加载频率,先在0.1%的应变下对试样预加载100个周期(10 s),然后在1%～30%应变水平中以1%的线性增长连续加载。

(3)差式扫描热试验

DSC试验采用低温差示扫描量热仪进行测试。试验试样质量约为9 mg,盛样皿为铝制。DSC试验的测试温度具体为-40～180 ℃,试验升温速率约为10 ℃/min。

3 结果与讨论

3.1 线型振幅扫描试验研究

分析可知,不同老化时间下70#基质沥青的LAS曲线,均出现了明显的应力峰值,达到峰值前的总体增长速率较快,峰值达到后便迅速降低,趋于平缓。与之相比,老化152.5 h的70#基质沥青存在应力峰值现象,但是峰值处出现了之前其他紫外老化时间下LAS曲线未曾出现的应力二次变化峰,之后峰值降低,并逐渐趋于平缓。而在228 h紫外老化70#基质沥青的LAS曲线中,峰值的出现后也出现了一个类似于152.5 h曲线的二次应力变化峰,但二次变化的幅度要明显弱于152.5 h,而应力值降低至最低值时对应的应变值也减小到5%左右。紫外老化引起的70#基质沥青的线性振幅扫描曲线变化具有一定的特异性,但总体抗疲劳性能出现了一定程度的劣化,这与紫外老化引起的沥青胶体结构失稳具有一定的关系。后续需结合聚合物改性沥青的LAS曲线进行综合分析。

分析可知,不同紫外老化时间条件下ASA聚合物改性沥青的LAS曲线中,紫外老化76.25 h的ASA聚合物改性沥青在应变值0～5%内迅速达到应力峰值,然后应力急速衰减,在6.4%左右开始出现短暂的平滑区,而后应力值继续加速减小,在10%左右达到应力最小值区域,并逐渐趋于平缓。该过程的变化与之前所做的70#基质沥青的LAS曲线有相似之处,同样出现尖锐的应力峰值、应力二次变化区以及变化平缓区。152.5 h和228 h的LAS曲线则均只表现出了应力峰值,并未出现应力的二次变化区域。在对比图也可以看出,紫外老化时间较短ASA聚合物改性沥青的应力峰值越高,而应变值相应越低。当紫外老化时间达305 h时曲线中的应力二次变化特征又再次出现。

3.2 聚合物改性沥青差式扫描热分析

由图2及表2分析可知,70#基质沥青差式扫描热曲线的吸热峰面积较大,同时吸热峰的总体数量相对较多,这表明70#沥青经紫外辐射产生老化后,其热稳定性出现了较大程度的劣化,二者主要是由于紫外辐射诱发沥青中四组分比例的变化,具体为沥青质含量明显增大,芳香分和胶质等轻组分的含量相对下降,从而导致沥青材料质地变硬,抗变形能力出现了显著的下降。在温度继续升高过程中,70#基质沥青剩余部分还未发生变化,表现为吸热峰较小的平缓曲线。

图2 70#基质沥青不同紫外老化时间下的DSC曲线图

表2 不同紫外老化时间下70#基质沥青的DSC结果

由图3及表3分析可知,不同紫外老化时间下ASA聚合物改性沥青的差式扫描热曲线变化趋势基本一致,曲线总体较为平滑,吸热峰数量相对较少。相对70#基质沥青其峰值宽度普遍更宽,这表明其吸热峰面积相比更大。而差式扫描热曲线越平缓,吸热峰越小,沥青表现越稳定,这表明在紫外老化处理后的ASA改性沥青样品的热稳定性仍能够保持在较高的水平,明显优于70#基质沥青,这也验证了ASA聚合物改性剂良好的抗老化改善效果。而同时,紫外老化时间与ASA聚合物改性沥青的热稳定性有较好的对应关系。