溫拌劑和阻燃劑對SBS改性瀝青流變性能的影響

2019-03-15 08:57:38喬建剛李志剛李士宣

石油煉制與化工 2019年3期

喬建剛，李志剛，程璨，李士宣

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401，2.天津市綠色交通工程材料技術(shù)中心)

目前，國內(nèi)大部分道路均采用瀝青路面，在鋪筑路面時以熱拌瀝青混合料的方式為主，這樣不僅會消耗大量的能源，而且在施工過程中會產(chǎn)生大量瀝青煙、NO、CO2等有害氣體，對環(huán)境造成嚴(yán)重影響[1]。為了解決這些問題，Li等[2]研究了溫拌阻燃瀝青混合料的性能，結(jié)果表明Sasobit溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑可以提高混合料高溫性能、降低低溫性能及水穩(wěn)定性。Fakhri等[3]對溫拌改性瀝青的抗疲勞性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明溫拌劑在一定程度上提高了瀝青的抗疲勞性能。Xu等[4]通過對阻燃瀝青結(jié)合料SARA餾分熱分解進(jìn)行研究，得到了阻燃劑的阻燃機理。王春等[5]研究了Sasobit溫拌劑對阻燃瀝青混合料性能的影響，結(jié)果表明摻加溫拌劑會降低混合料阻燃效果。周志剛等[6]對阻燃溫拌SBS改性瀝青性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明溫拌阻燃劑會提高改性瀝青的抗疲勞性能。

國內(nèi)外關(guān)于溫拌阻燃瀝青及其混合料性能方面的研究較多，但對溫拌阻燃SBS改性瀝青流變性能方面的研究較少。本課題在SBS改性瀝青中摻加EC130溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑，考察溫拌劑和阻燃劑對SBS改性瀝青高低溫流變性能和黏溫性能的影響，為溫拌劑及阻燃劑的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實驗

1.1 SBS改性瀝青

實驗所用瀝青為河北倫特石油化工有限公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)測試瀝青性質(zhì)，結(jié)果見表1。

表1 SBS改性瀝青的性質(zhì)

1.2 溫拌劑

實驗所用溫拌劑為海川公司生產(chǎn)的EC130，其性質(zhì)見表2。EC130為白色粉末，是一種含水的無機礦物沸石，在100 ℃高溫條件下可與瀝青作用使之發(fā)泡，從而降低瀝青黏度，并使施工溫度下降，根據(jù)工程經(jīng)驗，選取EC130溫拌劑摻加量為瀝青質(zhì)量的6%。

表2 EC130溫拌劑的性質(zhì)

1.3 阻燃劑

實驗所用阻燃劑為海川公司生產(chǎn)的FRMAXTM阻燃劑，其性質(zhì)見表3。FRMAXTM為白色細(xì)顆粒，與EC130溫拌劑相比，其粒徑要大很多，且接觸時有明顯粗糙感，其阻燃機理是因為受熱分解時釋放大量不易燃燒的氣體，同時吸收大量熱量，從而起到阻止燃燒的作用。根據(jù)工程經(jīng)驗，選取FRMAXTM阻燃劑摻量為瀝青質(zhì)量的8%。

表3 FRMAXTM阻燃劑的性質(zhì)

1.4 EC130/FRMAXTM復(fù)合改性瀝青的制備

利用烘箱將用于試驗的SBS改性瀝青在160 ℃的條件下加熱至熔融狀態(tài)，然后打開剪切儀，參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《瀝青混合料改性添加劑：溫拌劑》(JT/T 860.6—2016)及《瀝青混合料改性添加劑：阻燃劑》(JT/T 860.3—2014)中規(guī)定的方法進(jìn)行試驗，首先加入EC130溫拌劑，將剪切儀轉(zhuǎn)速逐漸調(diào)至1 000 r/min，剪切10 min；然后加入FRMAXTM阻燃劑并將轉(zhuǎn)速調(diào)至3 500 r/min，繼續(xù)剪切10 min，確保整個過程中溫度保持在160～170 ℃；剪切完成后，在170 ℃的烘箱中溶脹發(fā)育20 min，即可得到EC130/FRMAXTM復(fù)合改性瀝青。

1.5 瀝青性能測試

采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)研究摻加不同改性劑的瀝青結(jié)合料的高溫流變性能。通過測量復(fù)數(shù)剪切模量G*及相位角δ，得到改性瀝青的車轍因子G*/sinδ，當(dāng)車轍因子達(dá)到Superpave性能規(guī)范中的G*/sinδ<1.0 kPa時，試驗結(jié)束。采用低溫彎曲梁流變儀(BBR)研究摻加不同改性劑的瀝青結(jié)合料的低溫流變性能。通過測量蠕變勁度S及蠕變速率m兩個指標(biāo)評價改性瀝青膠結(jié)料的低溫抗裂性能。當(dāng)不滿足Superpave性能規(guī)范中S<300、m≥0.3的要求時，試驗停止。采用布洛克菲爾德黏度計(Brookfield)測試瀝青的黏溫性能，通過繪制黏溫曲線，確定改性瀝青的施工溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫流變性能

不同改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ、車轍因子G*/sinδ與掃描溫度之間的關(guān)系如圖1～圖3所示。

圖1 不同改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量與溫度的關(guān)系■—SBS改性瀝青； ●—EC130+SBS改性瀝青； ▲—FRMAXTM+SBS改性瀝青；改性瀝青。圖2～圖6同

由圖1可見：不同改性瀝青的G*均隨溫度升高而下降，因為隨著溫度的升高，瀝青材料由固態(tài)逐漸變成黏流態(tài)，導(dǎo)致G*下降；FRMAXTM+SBS改性瀝青的G*最大，EC130+SBS改性瀝青的G*最小，說明在SBS改性瀝青中加入EC130溫拌劑會加速瀝青向黏流狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，而加入FRMAXTM阻燃劑會使改性瀝青的G*大幅提高，因為在高速剪切時瀝青分子與之發(fā)生作用，吸附在FRMAXTM阻燃劑表面，對瀝青分子的流動能力產(chǎn)生影響，使G*提高；在EC130溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑共同加入SBS改性瀝青時，G*大約可以提高42%。

由圖2可知：隨著溫度的升高，不同改性瀝青相位角逐漸升高，由于在溫度升高時瀝青材料彈性成分降低，黏性成分增強，即δ增加；EC130+SBS改性瀝青的相位角最大，F(xiàn)RMAXTS+SBS改性瀝青的相位角最小，表明加入EC130溫拌劑可以提高改性瀝青的相位角，摻入FRMAXTM阻燃劑時相位角下降；當(dāng)EC130溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑共同加入SBS改性瀝青時，復(fù)合改性瀝青的相位角大約下降了2.5%，其抗變形能力比SBS改性瀝青有一定的提高。

圖2 改性瀝青的相位角與溫度的關(guān)系

圖3 不同改性瀝青車轍因子與溫度的關(guān)系

由圖3可知：不同改性瀝青的車轍因子均隨著溫度升高而下降；在SBS改性瀝青中加入EC130溫拌劑會導(dǎo)致車轍因子下降，而加入FRMAXTM阻燃劑會使車轍因子提高，根據(jù)Superpae性能規(guī)范中要求G*/sinδ>1.0 kPa，并根據(jù)臨界溫度確定瀝青的最高適用溫度，由此可知SBS改性瀝青和摻加EC130溫拌劑的SBS改性瀝青的高溫PG分級均為82 ℃，摻加FRMAXTM阻燃劑的SBS改性瀝青和摻加EC130溫拌劑與FRMAXTM阻燃劑的SBS改性瀝青的高溫PG分級均為88 ℃。FRMAXTM阻燃劑可以明顯改善改性瀝青的高溫流變性能。

2.2 低溫流變性能

不同改性瀝青的蠕變勁度S和蠕變速率m與溫度之間的關(guān)系見圖4、圖5。

圖4 不同改性瀝青的蠕變勁度與溫度的關(guān)系

由圖4可知：隨著溫度的下降，不同改性瀝青的蠕變勁度均呈上升的趨勢，主要是因為瀝青材料在溫度下降時變脆，導(dǎo)致蠕變勁度增大；SBS改性瀝青的蠕變勁度最小，EC130+FRMAXTM+SBS改性瀝青的最大，表明在瀝青中摻入EC130溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑均會使瀝青變脆，因為在制備過程中EC130溫拌劑中的結(jié)晶水會與瀝青分子發(fā)生作用，F(xiàn)RMAXTM阻燃劑則吸附在瀝青分子表面，導(dǎo)致瀝青分子間表面自由能下降，兩者均會使改性瀝青蠕變勁度增大、低溫抗裂性能下降；EC130溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑共同加入SBS改性瀝青中時約可以使-18 ℃時的瀝青蠕變勁度升高39.7%。

圖5 不同改性瀝青的蠕變速率與溫度的關(guān)系

由圖5可知：隨著溫度的下降，不同改性瀝青的蠕變速率逐漸下降，因此材料內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力變大，改性瀝青更容易發(fā)生斷裂；SBS改性瀝青的蠕變速率最大，EC130+FRMAXTM改性瀝青的蠕變速率最小；當(dāng)EC130溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑共同摻入瀝青中時蠕變速率下降約29.1%，從而使得復(fù)合改性瀝青在低溫狀態(tài)下更容易發(fā)生斷裂。

根據(jù)Superpave性能規(guī)范中荷載作用60 s的情況下S<300 MPa、m≥0.3的要求，確定合適的低溫適用溫度。由圖4和圖5可知，SBS改性瀝青的低溫PG分級為-18 ℃，其他3種改性瀝青的低溫PG分級均為-12 ℃，均比SBS改性瀝青的低溫流變性能有所下降。表明EC130溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑均會對瀝青材料的低溫流變性能產(chǎn)生不利影響。

2.3 黏溫性能

不同改性瀝青的黏度與溫度之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 不同改性瀝青的黏度與溫度的關(guān)系

由圖6可知：不同改性瀝青的黏度均隨著溫度升高而下降，這是因為當(dāng)溫度升高時瀝青材料由固態(tài)轉(zhuǎn)為黏流態(tài)，瀝青分子之間的摩擦力變小，黏度下降；EC130+SBS改性瀝青的黏度最小，F(xiàn)RMAXTS+SBS改性瀝青的黏度最大；EC130溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑共同加入SBS改性瀝青時，其黏度與普通SBS改性瀝青相差不大。

根據(jù)黏溫曲線，對照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中的施工溫度可知，摻加EC130溫拌劑可有效降低施工溫度約25 ℃左右，摻加EC130溫拌劑和FRMAXTM阻燃劑會對降溫效果造成一定影響，但施工溫度依然下降20 ℃左右。說明EC130溫拌劑有利于減少能源消耗，并起到保護(hù)環(huán)境的作用。