高黏改性瀝青的制備及其性能研究

梁若翔，付 嬌，孟勇軍

(1.廣西大學(xué)，廣西 南寧 530007；2.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

近年來(lái)，隨著排水瀝青路面的推廣應(yīng)用，高黏改性瀝青也得到了廣泛研究。高黏改性瀝青和普通瀝青相比，不僅黏度更高，彈性更好，而且其高低溫性能、水穩(wěn)性、耐久性都得到全面提升，在提高路面路用性能的同時(shí)也延長(zhǎng)了路面的使用壽命[1]。在日本，其排水路面瀝青混合料中使用了高黏改性瀝青，而 TPS 改性劑是日本最廣泛使用的一種高黏瀝青改性劑，能顯著改善排水瀝青路面的使用性能[2]。我國(guó)在2002年后引進(jìn)了日本的TPS改性技術(shù)，但是由于TPS改性劑價(jià)格過(guò)高，國(guó)內(nèi)學(xué)者便積極探索研究適合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況的高黏改性劑。李廣俊[3]對(duì)3種不同的高黏改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，得出研究配制的SBS+15%TPS高黏改性瀝青高溫穩(wěn)定性好、水穩(wěn)定性好以及抗變形能力強(qiáng)。金杰等[4]研發(fā)的高黏改性瀝青，具有良好的高低溫性能，軟化點(diǎn)高，黏度大。張金生等[5]從瀝青的基本性能和抗老化性能進(jìn)行分析，得出SVA高黏改性瀝青具有良好的黏度、粘韌性以及抗老化性。

本文從降低工程造價(jià)出發(fā)，研究選用合適的高黏改性劑，通過(guò)室內(nèi)制備得到高黏改性瀝青，并通過(guò)性能試驗(yàn)，分析其基本性能和流變性能。

1 高黏改性瀝青的原材料和制備

1.1 SBS改性瀝青

本研究采用的是殼牌(中國(guó))有限公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范要求。

1.2 高黏度添加劑

本研究采用中路交建(北京)工程材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高黏度添加劑，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 高黏度添加劑技術(shù)指標(biāo)表

1.3 制備

高黏改性瀝青的制備基本分為四步，即加熱、攪拌、剪切及溶脹發(fā)育。具體步驟如下：

(1)用盛樣器裝取SBS改性瀝青500 g，然后放進(jìn)烘箱中加熱至180 ℃。

(2)按照設(shè)計(jì)比例稱取一定質(zhì)量的高黏度添加劑，加入到SBS改性瀝青中用玻璃棒攪拌均勻。

(3)使用剪切機(jī)以5 000±200 r/min速率剪切瀝青30 min，剪切溫度為180±10 ℃。

(4)停止剪切，把制備好的高黏改性瀝青放入180±5 ℃烘箱中發(fā)育30 min，然后澆模進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

2 高黏改性瀝青的性能試驗(yàn)

2.1 基本性能試驗(yàn)

為確定高黏度添加劑的最佳摻量比例，本次研究選擇7%、8%、9%、10%四種摻量比例進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，依次測(cè)定高黏改性瀝青的針入度、延度、軟化點(diǎn)、動(dòng)力黏度，結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果表

由表2可知，瀝青的針入度逐漸降低，當(dāng)摻量為8%時(shí)，針入度降低的幅度較大，降低0.1 mm左右；當(dāng)摻量為9%、10%時(shí)，針入度降低的幅度較小。瀝青的延度逐漸增加，當(dāng)摻量為8%時(shí)，延度增加的幅度較大，增加3 cm左右；當(dāng)摻量為9%、10%時(shí)，延度增加的幅度較小。瀝青的軟化點(diǎn)逐漸增加，當(dāng)摻量為8%時(shí)，軟化點(diǎn)增加的幅度較大，增加2.5 ℃；當(dāng)摻量為9%、10%時(shí)，軟化點(diǎn)增加的幅度變小。60 ℃黏度越大則高溫條件下瀝青對(duì)集料的粘附性越好，當(dāng)摻量為7%時(shí)，瀝青的60 ℃黏度已提高到2.66×105Pa·s，遠(yuǎn)超規(guī)范≥50 000 Pa·s的要求，并且隨著摻量比例的加大而繼續(xù)提高。

所以，總體來(lái)看，7%～10%高黏度添加劑的摻量越多，延度、軟化點(diǎn)、60 ℃黏度三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是逐步增大的，但是綜合考慮施工和易性和經(jīng)濟(jì)性方面，8%性價(jià)比是最高的，即最佳摻量比例為8%。

2.2 流變性能研究

本項(xiàng)目對(duì)瀝青的流變性能研究采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)，通過(guò)溫度掃描研究瀝青復(fù)數(shù)剪切模量、相位角以及車轍因子的變化規(guī)律，分析瀝青的流變性能。試驗(yàn)結(jié)果及分析如下：

2.2.1 復(fù)數(shù)剪切模量

通過(guò)溫度掃描試驗(yàn)得到G*隨溫度的變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1 復(fù)數(shù)模量-溫度關(guān)系曲線圖

由圖1可知，隨著溫度逐漸升高，復(fù)數(shù)模量值整體降低，并且降低的趨勢(shì)接近，表明溫度升高時(shí)瀝青抵抗外界荷載的能力下降。雖然高黏改性瀝青與SBS改性瀝青的復(fù)數(shù)模量值有著類似的變化趨勢(shì)，但高黏改性瀝青的復(fù)數(shù)模量值始終大于SBS改性瀝青，且隨著摻量比例的加大而升高，表明摻加高黏度添加劑使瀝青抵抗外界荷載的能力得到提升，當(dāng)摻量從0變?yōu)?%時(shí)，復(fù)數(shù)模量值明顯升高；當(dāng)摻量>8%時(shí)，增強(qiáng)效果逐漸降低；當(dāng)摻量從9%升高到10%時(shí)，復(fù)數(shù)模量值幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)。所以，綜合來(lái)說(shuō)摻量為8%時(shí)，增強(qiáng)效果最佳。

2.2.2 相位角

通過(guò)溫度掃描試驗(yàn)得到相位角φ隨溫度的變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 相位角-溫度關(guān)系曲線圖

由圖2可知，相位角隨著溫度的升高逐漸變大，表明溫度升高時(shí)瀝青的彈性占比變小，黏性占比變大，瀝青的不可恢復(fù)變形增大，容易形成車轍。高黏度添加劑摻入SBS改性瀝青后，相位角變小，表明瀝青的可恢復(fù)變形增大，能減少車轍病害發(fā)生的概率，而隨著摻量比例的加大，相位角繼續(xù)降低，當(dāng)摻量從8%增加到 9%時(shí)，相位角的降低幅度減小，當(dāng)摻量從9%變?yōu)?0%時(shí)，相位角數(shù)值幾乎不變，所以適宜的摻量比例為8%、9%。

2.2.3 車轍因子

車轍因子綜合考慮了復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，能很好地反映瀝青的抗車轍性能，通過(guò)復(fù)數(shù)剪切模量和相位角計(jì)算車轍因子，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，車轍因子隨著溫度升高而逐漸變小，而高黏改性瀝青的車轍因子始終大于SBS改性瀝青，表明高黏改性瀝青比SBS改性瀝青具有更好的抵抗外界荷載的能力，抗車轍性能較好，并且隨著摻量比例的加大，車轍因子也逐漸變大，當(dāng)摻量從7%到8%時(shí)，車轍因子變大的幅度較大；當(dāng)摻量>8%時(shí)，車轍因子變大的幅度減?。划?dāng)摻量從9%增加到10%時(shí)，車轍因子未見(jiàn)變大跡象。

圖3 車轍因子-溫度關(guān)系曲線圖

3 結(jié)語(yǔ)

(1)采用SBS改性瀝青添加高黏添加劑的方式制備高黏改性瀝青，結(jié)合不同摻量對(duì)針入度、5 ℃延度、軟化點(diǎn)、60 ℃黏度影響的變化規(guī)律，確定最佳添加比例為8%時(shí)， 60 ℃黏度達(dá)到了3.11×105Pa·s，遠(yuǎn)超規(guī)范≥5.0×104Pa·s的要求。

(2)通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，研究瀝青復(fù)數(shù)剪切模量、相位角以及車轍因子的變化規(guī)律，驗(yàn)證了制備的高黏改性瀝青具有良好的流變性能。