采用測力延度評價復合改性瀝青的低溫性能

陳俊,李其祥,向東棟,高彥麗,王紅亮,宋健偉

(湖北省煤轉化與新型碳材料重點實驗室(武漢科技大學),湖北 武漢 430081)

為了改善道路瀝青的低溫性能,常采用聚合物改性劑對基質瀝青進行改性,使其低溫抗裂性能得到較大改善[1-2].傳統的延度試驗法作為評價瀝青低溫性能的指標,因其操作方法簡便、直觀,在我國評價瀝青路用性能中起著重要作用,但越來越多的研究表明,低溫延度與瀝青的彎曲梁流變試驗(BBR)結果相關性不高,即延度的長短不能直接反映瀝青低溫性能的優劣[3].為解決這一問題,有研究者提出采用測力延度來評價瀝青的低溫拉伸特性.Radiziszewski發現通過測力延度得到的韌性比可以有效地評價改性瀝青的性能,改性瀝青的韌性與其混合料的疲勞壽命相關性良好[4].Shuler認為改性瀝青測力延度曲線通常呈現兩個斜率,拉伸初期出現的斜率主要受基質瀝青性能的影響,而拉伸后期出現的斜率與改性瀝青的性能及改性效果相關[5].許多的研究表明測力延度試驗不僅與傳統瀝青的延度試驗未相沖突,而且可以更有效地反映在拉伸過程中力和功以及其隨著延度的變化,對瀝青的低溫性能作出更好的評價.

由于石油瀝青的溫度敏感性大,低溫易脆,高溫易流淌,彈性幾乎沒有,耐老化性能較差,而煤瀝青價格低廉,它具有良好的黏附能力,其瀝青質含量高,膠團顆粒大,有利于承受重載.將煤瀝青與石油瀝青共混制得一種復合改性瀝青,該瀝青對石料的黏附能力強,膠體體系穩定性優良,儲存及運輸過程中不會改變其性能,同時復合改性瀝青的抗變形能力強,粗糙度大,用其鋪筑的路面堅固性良好；且采用煤瀝青代替部分石油瀝青,經濟性良好.本文中采用煤瀝青與石油瀝青共混,加入適量的添加劑制得一種性能優良且價格低廉的復合改性瀝青,采用不同的改性劑以及改性劑含量研究改性瀝青在拉伸過程中拉力與延度的關系,以及低溫性能指標如屈服應變能E、拉斷功W、韌性比R和柔量D5 ℃/Fz的相關性.

1 試驗原料與儀器

1.1實驗原料煤瀝青(平煤武鋼聯合焦化公司,軟化點80～90 ℃)、軟化劑(煤焦油餾分,平煤武鋼聯合焦化公司)；SK-70石油瀝青(韓國SK公司)；YH791型SBS改性劑(燕山石化公司)；橡膠粉(CRM,80目,天門市天德環保材料科技有限公司)；穩定劑(WDJ,湖北國創高新材料股份有限公司).

1.2實驗儀器D120-2F電動攪拌器(杭州儀表電機有限公司)；98-1-B型電子調溫電熱套(天津市泰斯特儀器有限公司)；SYD-4508型延伸度試驗器、SYD-2806型全自動瀝青軟化點試驗器、SYD-2801E型針入度試驗儀(上海昌吉地質儀器有限公司).

2 試驗方法

將煤瀝青與軟化劑按7∶3的比例混合制得調制煤瀝青(調制煤瀝青比例為20%),再與基質石油瀝青共混,加入SBS以及橡膠粉改性劑后制得改性瀝青,依照T0604-2000、T0606-2000、T0605-1993檢測其軟化點(SP),25 ℃針入度(P25 ℃)以及老化前(D5 ℃)和旋轉薄膜烘箱老化后5 ℃延度(RTFOTD5 ℃)指標.通過延度儀得到的數據分析改性瀝青的低溫性能指標.測力延度方案見表1.

3 結果與討論

大部分SBS改性瀝青的拉力-延度關系具有一致性[6],比較典型的關系如圖1所示.AB段為瀝青材料受外力后的初始變形階段,即普通彈性形變階段,此階段的變形是可逆的,即拉力解除后試樣可恢復原狀.改性瀝青在這段變形范圍可看作理想的彈性體,此時AB段的斜率受基質瀝青性能的影響；AB過后會達到一個拉力峰值Fmax,曲線下降段(Fmax～Fz)為瀝青材料達到屈服點后,進入類似于金屬材料受外力拉升達到屈服點后的變形階段——頸縮階段.之后曲線上升,瀝青材料達到頸縮極限點,進入均勻拉升階段——蠕變階段,此階段改性劑起到主要作用[7].

圖1 拉力-延度示意圖

拉力-延度曲線中反應的一些指標解釋如下：屈服應變能E=Fmax×Lmax；拉斷功W=SABCDF,即拉力-延度曲線與X軸組成圖形的面積；韌性比R=SCDFE/SABE,SCDFE+SABE=SABCDF[8].圖形面積根據計算機采集數據,采用矩形近似計算方法得到.FZ表示瀝青材料由頸縮變形階段轉變到蠕變變形階段的轉折點拉力.

(1)改性瀝青拉力-延度圖分析.復合改性瀝青老化前后的拉力-延度圖分別見圖2～5.

圖2 SBS改性瀝青樣老化前拉力-延度圖

圖3 SBS改性瀝青樣老化后拉力-延度圖

如圖2所示,隨著SBS添加量的增加,改性瀝青的拉力峰值由59.0 N迅速增加到90.5 N,表明改性瀝青可承受的剪應力逐漸增加.各曲線CD段的斜率隨著SBS添加比例的增加而升高,表明改性瀝青蠕變過程對應的拉力增大,這是因為SBS含量越高,變形過程中,瀝青材料沿受力方向所需的能量越大,新的物理交聯點和纏繞點越多[9],使其蠕變中需要的拉力增大,瀝青材料的抗變形能力增強.SBS改性瀝青老化后拉力-延度曲線見圖3.如圖所示,改性瀝青老化后其拉力峰值Fmax均增大,這是因為瀝青老化后基質瀝青中瀝青質的含量增加,使瀝青變硬,增加了瀝青分子鍵長和鍵角伸張的阻力,因而其最大拉力增加.

圖4 SBS/CRM改性瀝青樣老化前拉力-延度圖

圖5 SBS/CRM改性瀝青樣老化后拉力-延度圖

在4%SBS復合改性瀝青中加入膠粉后,其拉力-延度曲線見圖4.如圖所示,添加膠粉降低了復合改性瀝青的拉力峰值,由于膠粉自身具有彈性,當加入膠粉后,改性瀝青材料在初期變形階段能夠抵消部分因形變產生的應力,從而導致拉力峰值減小.老化后4%SBS/CRM復合改性瀝青的拉力-延度圖見圖5.加入膠粉的復合改性瀝青老化后具有更高的拉力峰值,老化同時減少了瀝青中輕質組分的含量,膠粉會吸附大量油分,使復合改性瀝青中油分偏少,導致其老化后流動性能變差,低溫抗裂能力下降.

(2)其他指標的相關性分析.本文中選取能夠反映瀝青低溫性能的幾個指標E、W、R、D5 ℃/Fz對瀝青低溫性能進行評價,其值見表2.

表2 拉力延度圖分析結果

屈服應變能E反映了瀝青材料在拉伸過程中,從開始變形到屈服點這一階段中,外力所做功的大小,其值越大,表明拉伸過程中材料內部應力越大,即E值越大,瀝青材料的低溫抗裂性能就越差[7].表中添加膠粉后E值變小,說明添加膠粉可改善復合改性瀝青的低溫性能.瀝青材料的拉斷功W反映了瀝青材料從受外力開始變形到斷裂的過程中,外力對材料所做的功.表2中的W值數據表明,加入改性劑的復合改性瀝青,具有遠高于基質瀝青的斷裂功.拉力峰值數據表明,老化后的樣品具有更高拉力峰值,由于高溫老化過程破壞了改性劑在瀝青中的存在形態,斷裂的聚合物大分子能夠提供的結構力減弱,重質組分增加加劇了瀝青在拉伸時的應力集中現象.

表2中,添加改性劑的改性瀝青老化前韌性比R值和柔量值D5 ℃/Fz均大于基質瀝青,而添加SBS、膠粉能夠改善基質瀝青的低溫抗裂性能,說明R值和柔量值大的瀝青低溫性能較好.添加SBS后,當添加量不大于4%時,R值呈增大趨勢,但當添加量為5%時,R值減小,說明SBS添加量在2%～4%的范圍內越大,改性瀝青的低溫性能越好.

4 結論

(1)拉力-延度曲線表明,隨著SBS摻量的增大,改性瀝青的低溫抗變形能力增強；在4%SBS復合改性瀝青中加入膠粉后,其拉力峰值減小,復合改性瀝青的低溫延度及抗變形能力減小.

(2)復合改性瀝青的斷裂功遠高于基質瀝青,老化后具有更高的拉力峰值；R值和柔量值大的瀝青低溫性能較好；SBS添加量在2%～4%的范圍內越大,瀝青的低溫抗裂性能越好.

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