SBR/PP复合聚合物及SBS改性沥青混合料疲劳特性研究*

2023-10-27张平何延兵

公路与汽运 2023年5期

张平, 何延兵

(1.长沙理工检测咨询有限责任公司, 湖南长沙 410076;2.湖南省江杉高速公路建设开发有限公司, 湖南长沙 410076)

交通荷载、环境条件及材料差异等均可能导致沥青路面发生车辙、水损害、疲劳破坏等病害[1-3]。影响沥青混合料疲劳性能的因素有许多,沥青胶结料是关键因素之一。由于普通基质沥青无法承受较大的交通荷载,须掺入添加剂来改善其性能,提高其抗疲劳性能。聚合物改性剂主要通过改善沥青胶结料的物理、化学及流变性能增强沥青混合料的抗疲劳、抗车辙等性能[4-5]。道路施工领域最常用的聚合物有苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、丁苯橡胶(SBR)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等。已有研究表明,沥青混合料中使用5%左右的聚合物改性能使其具有较好的抗疲劳性能[6-7]。但聚合物与沥青胶结料的相容性较差,在沥青胶结料中其性能不稳定,常采用与沥青胶结料和聚合物相容性较好的纳米黏土来改善其不稳定性[8-9]。

复合聚合物是使用两种及以上聚合物制备而成的聚合物组合物[10]。目前热塑性弹性体聚合物(如SBS)改性沥青已取得了较好的成效[11-12],对SBR/PP复合改性沥青混合料的高温稳定性、水稳定性及低温抗裂性也进行了一定研究[13-14],但未开展疲劳性能研究。本文采用不同组分比例的SBR与PP组合制成复合聚合物对基质沥青进行改性,以相同条件下SBS改性沥青作为对照,通过沥青混合料间接拉伸强度及疲劳试验、直接拉伸强度及疲劳试验,对比分析SBR/PP复合聚合物和SBS改性沥青混合料的疲劳特性。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

(1) 沥青。选用同一批次的东海牌70#基质沥青,参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对其性能指标进行测试,结果见表1,均符合规范要求。

表1 东海牌70#基质沥青性能指标检测结果

(2) 集料。集料选用湖南怀化某采石场的石灰岩集料,根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》进行集料性能指标测试,结果见表2,均符合规范要求。

表2 集料性能指标检测结果单位:%

(3) 级配。按JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》进行级配设计,级配曲线见图1。

图1 沥青混合料级配曲线

1.2 聚合物改性剂

选择两类聚合物改性剂,分别为单一的SBS聚合物改性剂、由SBR与PP组合而成的复合聚合物改性剂。复合聚合物中SBR与PP掺配比例分别为75∶25、50∶50和25∶75,分别称为A型聚合物、B型聚合物、C型聚合物。考虑到采用聚合物改性存在稳定性问题,在改性剂中加入纳米黏土改善其稳定性。

1.3 配合比设计

(1) 改性沥青制备。两种改性沥青的制备采用同样的方式。先将70#基质沥青快速升温至流动状态,将基质沥青和不同掺量聚合物混合后手动搅拌10 min,然后在160 ℃温度下用高速剪切仪以3 000 r/min的转速搅拌45 min;加入纳米黏土剪切15 min,在170 ℃温度下发育60 min得到改性沥青。共制备改性剂掺量为4%、5%、6%的聚合物改性沥青12种。

(2) 最佳油石比确定。采用马歇尔试验方法进行体积设计,以4.5%为目标空隙率确定最佳油石比。以5%作为初始油石比,按照0.5%的间隔分别制作油石比为4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%的5组试件进行马歇尔试验,根据试验结果,确定复合聚合物改性沥青的最佳油石比为5.4%、SBS改性沥青的最佳油石比为5.1%。

1.4 试件制备

根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》,采用马歇尔击实法成型标准马歇尔试件进行间接拉伸强度及疲劳试验,试件直径为101.6 mm±0.25 mm,高度为63.5 mm±1.3 mm。采用轮碾法成型车辙板试件,再将其切割为长度250 mm±5 mm、宽度50 mm±5 mm、厚度50 mm±5 mm的小梁试件,进行直接拉伸强度及疲劳试验。

1.5 试验设计

(1) 间接拉伸强度及疲劳试验。采用万能试验机进行间接拉伸强度及疲劳试验,万能试验机测试精度为±1%。在万能试验机上放置间接拉伸压条,将马歇尔试件放置于压条上,上下压条与试件直径位于同一条垂线上,与升降台垂直。强度与疲劳试验温度均为15 ℃,加载频率为10 Hz,强度试验加载速率为50 mm/min。疲劳试验采用应力控制模式,应力比S分别为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6。

(2) 直接拉伸强度及疲劳试验。采用万能试验机进行直接拉伸强度及疲劳试验,采用环氧树脂将直接拉伸试件黏合在直接拉伸试验模具上,保证试件不产生偏心。试验温度为15 ℃,加载频率为10 Hz,强度试验加载速率为50 mm/min。疲劳试验采用应力控制模式,应力比S分别为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6。

2 试验结果与分析

2.1 强度特性

2.1.1 间接拉伸强度

不同聚合物掺量下两种改性沥青混合料的间接拉伸强度试验结果见图2。

图2 聚合物改性沥青混合料间接拉伸强度试验结果

从图2可以看出:同一掺量下,A型与B型聚合物改性沥青混合料的间接拉伸强度高于SBS改性沥青混合料,其中B型聚合物改性沥青混合料强度提高22%～28%,掺量为5%时提升约28%;C型聚合物改性沥青混合料的间接拉伸强度略低于SBS改性沥青混合料。聚合物相同时,随着聚合物掺量的增加,改性沥青混合料的间接拉伸强度呈现先增大后减小的趋势,掺量为5%时改性沥青混合料的间接拉伸强度最高。

2.1.2 直接拉伸强度试验

不同聚合物掺量下两种改性沥青混合料的直接拉伸强度试验结果见图3。

图3 聚合物改性沥青混合料直接拉伸强度试验结果

由图3可知:同一掺量下,A型与B型聚合物改性沥青混合料的直接拉伸强度高于SBS改性沥青混合料,其中B型聚合物改性沥青混合料的强度提高19%～32%,掺量为5%时提高约32%;C型聚合物改性沥青混合料的直接拉伸强度略低于SBS改性沥青混合料。聚合物相同时,随着聚合物掺量的增加,改性沥青混合料的直接拉伸强度变化呈现先增大后减小的趋势,掺量为5%时直接拉伸强度最高。

2.2 疲劳特性

根据上面的分析,聚合物掺量为5%时沥青混合料的间接拉伸强度和直接拉伸强度达到峰值。故采用掺量为5%的聚合物改性沥青开展间接拉伸疲劳试验与直接拉伸疲劳试验,探究沥青混合料的疲劳寿命N变化规律。

2.2.1 间接拉伸疲劳寿命

不同聚合物掺量下两种改性沥青混合料的间接拉伸疲劳寿命N试验结果见图4。

图4 聚合物改性沥青混合料间接拉伸疲劳寿命试验结果

从图4可以看出:4种聚合物改性沥青混合料的间接拉伸疲劳寿命存在较大差异,A型和B型聚合物改性沥青混合料的间接拉伸疲劳寿命高于SBS改性沥青混合料,SBR掺配比例为75%时,间接拉伸疲劳寿命提高35%～55%;C型聚合物改性沥青混合料的间接拉伸疲劳寿命略低于SBS改性沥青混合料。

采用S-N疲劳方程[见式(1)]将间接拉伸疲劳寿命Nf与应力比S在双对数坐标中进行拟合,拟合结果见图5,拟合参数见表3。

图5 不同类型聚合物改性沥青混合料间接拉伸疲劳寿命与应力比的拟合结果

表3 不同类型改性沥青混合料间接拉伸疲劳寿命与应力比的拟合参数

Nf=k(1/S)n

(1)

从图5、表3可以看出:4种聚合物改性沥青混合料的间接拉伸疲劳寿命与应力比在双对数坐标系中表现出良好的线性相关关系,R2值均超过0.90。随着复合聚合物中SBR掺配比例的增加,改性沥青混合料的间接拉伸疲劳寿命增长,说明提高复合聚合物中SBR掺配比例有助于改善沥青混合料的疲劳寿命。参数n能反映改性沥青混合料的应力敏感性,n值的大小排序为A型聚合物改性沥青混合料

2.2.2 直接拉伸疲劳寿命

不同聚合物掺量下两种改性沥青混合料直接拉伸疲劳寿命试验结果见图6,直接拉伸疲劳寿命与应力比的拟合结果见图7,拟合参数见表4。

图6 聚合物改性沥青混合料直接拉伸疲劳寿命试验结果

图7 不同类型聚合物改性沥青混合料直接拉伸疲劳寿命与应力比的拟合结果

表4 不同类型聚合物改性沥青混合料直接拉伸疲劳寿命与应力比的拟合参数

从图6可以看出:4种聚合物改性沥青混合料的直接拉伸疲劳寿命的变化趋势与间接拉伸疲劳寿命相似。复合聚合物中SBR掺配比例为50%或75%时,直接拉伸疲劳寿命高于SBS改性沥青混合料;SBR掺配比例达到75%时,直接拉伸疲劳寿命提升30%～45%。C型聚合物改性沥青混合料的直接拉伸疲劳寿命低于SBS改性沥青混合料。

从图7、表4可以看出:4种聚合物改性沥青混合料的直接拉伸疲劳寿命与应力比存在较好的线性关系,R2值均超过0.85。随着复合聚合物中SBR掺配比例的增加,改性沥青混合料的直接拉伸疲劳寿命得到改善;A型聚合物改性沥青混合料的应力敏感性最低,应力敏感性由高到低为C型聚合物改性沥青混合料>SBS改性沥青混合料>B型聚合物改性沥青混合料>A型聚合物改性沥青混合料;与间接拉伸疲劳寿命相比,直接拉伸疲劳寿命的应力敏感性略高。