TLA/SBS复合改性沥青性能研究

高信春

(1.福建省高速公路达通检测有限公司,福州 350108;2.福建省高速技术咨询有限公司,福州 350018;3.福建省高速公路工程重点实验室,福州 350018)

沥青路面作为一种无接缝的连续式路面结构,具有很多的优势,如:路用性能优异,行车体验感好并且易于维修,在世界各地的城市道路和高等级公路中占有很大比例[1-3]。在服役过程中,沥青受雨水、光、氧、热等自然环境的综合影响,造成沥青材料老化。老化后的沥青宏观性能变硬、变脆,不能很好地裹覆集料,路面极易发生掉粒等病害,进而发展成坑槽,在雨水的综合作用下,发生水损害[4,5]。尤其是在我国南方湿热地区,由于具有高温多雨的气候环境特点,在重交通的复合作用下,路面极易发生车辙和水损病害[6-8]。因此提高沥青的抗滑性能对维持路面性能、延长路面使用寿命和保障路面安全性有重要作用。

在沥青中加入添加剂以改善沥青老化性能是一种普遍方式,常用添加剂有聚合物类、纤维类、无机化合物和天然沥青等。聚合物类材料之一苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)与沥青混合后可形成良好的网状结构,提高沥青的高低温性能和老化性能。天然沥青主要有湖沥青和岩沥青,其中最有名的湖沥青是位于南美洲特立尼达岛的特立尼达湖沥青(TLA)。TLA主要成分与石油沥青相似,因此与石油沥青具有较好的相容性。TLA各组成的比例与石油沥青有较大区别,TLA中的沥青质含量比较高,故而软化点高,相比普通基质沥青具有更好的高温性能,因此可以被用作改性剂用于改善沥青的物理性能[9,10]。

选取SBS和TLA对70#基质沥青进行改性制备TLA/SBS复合改性沥青,并对改性前后沥青的物理性能和流变性能进行研究,然后分别采用TFOT(薄膜加热试验)和PAV模拟TLA/SBS复合改性沥青短期和长期老化,并对其老化性能进行分析,探索TLA和SBS的加入对沥青性能的影响规律。

1 实 验

1.1 原材料

采用的特立尼达湖沥青(TLA)和基质沥青的主要性能指标检测情况见表1。

表1 TLA与基质沥青的主要技术性能指标

采用的SBS主要性能指标检测情况见表2。

表2 SBS1301的性能指标

1.2 样品制备

1)将基质沥青置于160 ℃烘箱加热至完全熔融备用。

2)将湖沥青捣碎备用。

3)在基质沥青中加入不同掺量(0、10%、20%、30%和40%)TLA,在180 ℃条件下进行普通搅拌30 min。

4)加入5%SBS进行高速剪切1 h,温度控制在180～190 ℃,转速控制为4 000 r/min;然后在180 ℃条件下进行普通搅拌2 h。

1.3 试样老化

1)短期热氧老化。按照《石油沥青薄膜烘箱试验法》(GB/T 5304—2001)采用薄膜加热试验(TFOT)模拟沥青的短期热氧老化,将装有50 g样品的老化盘放置在163 ℃的烘箱中5 h进行老化。

2)长期热氧老化。采用《沥青加速老化试验法(PAV法)》(SH/T 0774—2005)中的压力老化试验(PAV)模拟沥青的长期老化。PAV老化的试验条件:在温度为100 ℃、压力为2.1 MPa的条件下老化20 h,仪器型号:PAV9500,生产厂家:美国Prentex公司。

1.4 试验方法

1)物理性能测试。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的方法分别测试沥青样品的软化点、针入度和延度。

2)流变测试(DSR)。采用动态剪切流变仪(Anton Paar, MCR 102)测试沥青样品的流变性能,加载频率为10 rad/s,应变值为0.5%,温度区间为30～120 ℃,温度增量为2 ℃/min。

2 结果与讨论

2.1 物理性能分析

2.1.1 TLA掺量对SBS改性沥青针入度的影响

TLA掺量与SBS改性沥青针入度的关系曲线如图1所示。由图1可以看出,随着TLA掺量的增加,SBS改性沥青针入度迅速减小。与SBS改性沥青相比,加入10%TLA的改性沥青,其针入度值减小了20.8%,以后每增加10%的掺量,针入度值依次减小的幅度为16.3%、18.5%和24.4%。由此可以看出,TLA的掺加使SBS改性沥青针入度的减小幅值均较大,其中当掺量为30%～40%时,针入度减小幅值最大。这是由于TLA中含有比SBS改性沥青更多的沥青质,沥青质在沥青中起到稠化的作用,同时TLA中含有较多的灰分(34.4%)也是TLA/SBS复合改性沥青针入度较低的一个重要原因。

2.1.2 TLA掺量对SBS改性沥青软化点的影响

TLA掺量与SBS改性沥青软化点的关系曲线如图2所示。从图2中可以看出,对于SBS改性沥青,加入TLA后,其软化点是增加的,且在掺量为10%～30%时,增加的幅度较大,说明TLA的加入使得SBS改性沥青的高温性能大幅度提高。对于SBS改性沥青而言,掺量从10%～40%来看,其软化点增加的幅度依次为18.7%、16.7%、18.4%和0.9%,即软化点变化幅度较大的点发生在TLA掺量为10%～30%处。

2.1.3 TLA掺量对SBS改性沥青延度的影响

因TLA自身脆性比较大,5 ℃时的延度较难测出,采用25 ℃作为试验温度进行TLA/SBS复合改性沥青延度测试。根据试验数据得到25 ℃下沥青的延度值、最大拉力值和拉伸柔度值随TLA掺量的变化趋势如图3和图4所示。

在试验温度为25 ℃的情况下,当TLA掺量为20%～40%时,随着TLA掺量的增加,沥青延度和拉伸柔度值逐渐减小,最大拉力值是逐渐增大的,这符合一般性结论:延度值越小,峰值力越大。从低温性能的常用评价指标延度和拉伸柔度来看,TLA的掺量越多,延度和拉伸柔度的值越小,即掺加TLA对沥青的低温性能是不利的,而且掺量越大,对沥青的低温性能越不利,这主要是由于TLA中灰分的影响。

TLA的掺量不同,对三项指标的影响程度也不同,当TLA掺量从10%以10%的增幅增加到40%时,延度的减小幅度依次为-14.2%、-8.7%和48.1%,最大拉力的增加幅度依次为-5.2%、67.4%和110.4%,拉伸柔度的减小幅度依次为-19.3%、34.3%和75.4%。其中,延度值变化较为缓慢的TLA掺量区间为20%～30%,区间30%～40%变化最大;拉力变化较为显著的TLA掺量区间为30%～40%,在10%～20%区间变化不大;拉伸柔度变化随着TLA掺量的增加,其减小幅度逐渐增大。

综合TLA/SBS复合改性沥青的针入度、软化点和延度的性能变化规律,当TLA掺量为30%时,改性沥青物理性能最佳,因此在接下来的研究过程中,TLA掺量确定为30%。

2.1.4 流变性能

对基质沥青、SBS改性沥青和SBS+30%TLA复合改性沥青进行动态剪切流变试验得到的温度扫描模式下的复数剪切模量(G*)变化情况如图5所示。由图5可以看出,随着温度的不断升高,基质沥青、SBS改性沥青和SBS+30%TLA复合改性沥青的G*逐渐降低,主要是温度的升高会改变沥青材料的粘弹性状态,由弹性状态转为粘性状态。由图5可知,SBS改性沥青较基质沥青的复数模量有所提高,在30～100 ℃温度区间,SBS+30%TLA复合改性沥青是三者中复数模量最高的,温度超过100 ℃后,5%SBS+30%TLA复合改性沥青与未添加TLA的SBS改性沥青的G*几乎相同。说明SBS的加入可以提高基质沥青的G*,TLA的加入进一步提高了沥青的G*,使得沥青分子流动变形减弱,这与TLA含有较多沥青质有关,使得沥青的刚性增强,从而使得沥青具有更高的模量。

利用DSR测得的不同样品在30～120 ℃温度范围内相位角(δ)变化情况如图6所示。从图6中可以看出,3个沥青样品的δ随温度升高逐渐增大。这是由于沥青是一种粘弹性材料,对温度较敏感,温度变化时,沥青流动状态也发生变化,由弹性向粘性转变,从而使得相位角随着温度的升高而逐渐增大。SBS和TLA的加入使得沥青的相位角(δ)有所减小,表明SBS和TLA的添加使得沥青在温度变化过程中弹性成分比例增加。SBS融于沥青后与沥青分子形成网状结构,有效阻碍高温下沥青分子的运动,最终表现为相位角减小,变形后的恢复能力增强。但同时TLA的加入也稀释了SBS的作用,因此TLA/SBS改性沥青的相位角大于SBS改性沥青的相位角。

基质沥青、SBS改性沥青和SBS+30%TLA复合改性沥青的车辙因子随温度的变化情况如图7所示。从图7中可以看出,随着温度的升高,基质沥青、SBS改性沥青和SBS+30%TLA复合改性沥青的车辙因子降低。SBS改性沥青较基质沥青的车辙因子有所提高,在30～100 ℃温度区间内,SBS+30%TLA复合改性沥青是三者中车辙因子最高的。TLA的加入使得基质沥青的车辙因子增加,显著提高沥青抵抗高温车辙变形。

2.2 老化性能

计算基质沥青、5%SBS改性沥青和30%TLA/5%SBS复合改性沥青经过不同老化方式后的残留针入度比、软化点变化及粘度老化指数的结果如表3所示。其中

表3 老化后老化指标值的计算结果

残留针入度比(%)=老化后针入度/老化前针入度

(1)

软化点变化=老化后软化点-老化前软化点

(2)

粘度老化指数(%)=(老化后粘度-老化前粘度)/老化前粘度

(3)

由表3可知,老化后,SBS改性沥青和TLA/SBS复合改性沥青的残留针入度比增加,软化点变化降低,粘度老化指数降低,说明改性后的沥青老化性能相较于基质沥青有所改善。与SBS改性沥青相比,加入TLA后,TLA/SBS复合改性沥青的残留针入度比、软化点变化和粘度老化指数均下降,TFOT老化的下降值分别为7.6%、2.8 ℃和8%,PAV老化的下降值分别为4%、8.3 ℃和26%,表明TLA的加入可进一步改善SBS改性沥青的老化性能,且对沥青长期老化的改善作用更明显。

3 结 论

a.对4种湖沥青掺量(10%,20%,30%和40%)下的TLA/SBS复合改性沥青的性能研究表明,随着TLA掺量的增加,沥青的针入度减小,软化点增加,改性沥青的高温稳定性不断得到提高。但同时,改性沥青的延度随着湖沥青掺量增加而减小,因此湖沥青的掺量应控制在一定范围内,以避免对其延展性产生较大影响,建议TLA掺量控制为30%。

b.从30%TLA/SBS复合改性沥青温度扫描试验可以得出,与基质沥青相比,30%TLA/SBS改性沥青的复数模量提高,相位角降低,车辙因子增大,说明TLA的加入能够有效阻碍沥青分子的运动,沥青抵抗高温变形能力增强,这对于南方高温地区湖沥青改性沥青路面的应用具有积极的意义。

c.TLA的加入使得基质沥青和SBS改性沥青短期老化和长期老化后的性能劣化程度减小,主要表现为残留针入度比变大,软化点差变小,粘度老化指数变小,表明TLA提高了基质沥青和SBS改性沥青的老化性能,尤其对沥青长期老化的改善作用更明显。