APAO改性瀝青性能試驗(yàn)研究

摘要：為分析非晶態(tài)聚α烯烴（APAO）對(duì)瀝青流變性能的影響，文章制備了不同摻量（2%、4%、6%和8%）的APAO改性瀝青，采用多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)（MSCR）試驗(yàn)、線(xiàn)性振幅掃描（LAS）試驗(yàn)、彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)和傅里葉紅外光譜（FTIR）試驗(yàn)，分別研究瀝青的高溫穩(wěn)定性、中溫抗疲勞性能、低溫抗裂性能和微觀(guān)特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，APAO降低了瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢蚼值，提高了瀝青的恢復(fù)率、疲勞壽命和蠕變剛度，即APAO改善了瀝青的抗車(chē)轍性能和抗疲勞性能，而APAO改性瀝青的低溫性能有所下降；FTIR分析表明APAO與瀝青之間存在新的化學(xué)反應(yīng)。

關(guān)鍵詞：道路工程；改性瀝青；APAO；流變性能；紅外光譜

0引言

非晶態(tài)聚α烯烴（APAO）是一種低分子量的飽和塑性非極性材料，近年來(lái)，APAO在瀝青改性中的應(yīng)用正逐漸成為研究的熱點(diǎn)［1-2］。以往的研究表明，APAO的添加明顯改善了瀝青的高溫穩(wěn)定性和老化性能，而且以往針對(duì)APAO改性瀝青的研究大多是采用三大指標(biāo)試驗(yàn)、黏度試驗(yàn)或溫度掃描試驗(yàn)等，即根據(jù)三大指標(biāo)、車(chē)轍因子或疲勞因子來(lái)表征瀝青的路用性能［3-4］。然而，有研究表明上述指標(biāo)不能真實(shí)表征瀝青的流變性能［5］。

基于此，需要針對(duì)瀝青改性性能研究引入更先進(jìn)的試驗(yàn)，如多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)（MSCR）和線(xiàn)性振幅掃描（LAS）試驗(yàn)，以更準(zhǔn)確地表征APAO改性瀝青的高溫穩(wěn)定性和疲勞性能。盡管目前的研究對(duì)APAO改性瀝青的性能表征已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作，但基于流變學(xué)的APAO對(duì)瀝青性能的影響還有待深入研究，同時(shí)，APAO與瀝青基體之間的微觀(guān)機(jī)理也可進(jìn)行進(jìn)一步分析［6-7］。因此，本研究采用不同摻量的APAO（2%、4%、6%和8%）對(duì)瀝青進(jìn)行改性，通過(guò)MSCR、LAS、BBR等流變?cè)囼?yàn)和FTIR微觀(guān)試驗(yàn)，對(duì)APAO改性瀝青的性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本研究選用茂名70#A級(jí)道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。瀝青改性劑選用2 385型APAO，其性能如表2所示。

1.2 改性瀝青的制備

APAO改性瀝青的制備工藝如下：（1）將500 g基質(zhì)瀝青加熱至流動(dòng)態(tài)；（2）在基質(zhì)瀝青中緩慢加入APAO，在高速剪切攪拌機(jī)中以4 000 rpm的轉(zhuǎn)速剪切0.5 h，制備過(guò)程中溫度控制為165 ℃。在本研究中使用4種比例的APAO（分別為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的2%、4%、6%和8%），0摻量APAO改性瀝青為基質(zhì)瀝青，且對(duì)其也采用上述制備過(guò)程進(jìn)行處理，以減少制備過(guò)程中的老化對(duì)結(jié)果對(duì)比的影響誤差。

1.3 試驗(yàn)方法

基于A(yíng)STM D7173標(biāo)準(zhǔn)，采用聚合物改性瀝青離析試驗(yàn)表征APAO改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。將裝有瀝青的鋁箔管置于163 ℃的烘箱中垂直放置48 h，隨后將鋁箔管的頂部和底部剪開(kāi)，測(cè)試頂部瀝青和底部瀝青的軟化點(diǎn)，并將差值作為儲(chǔ)存穩(wěn)定性指標(biāo)。每個(gè)試樣進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。

根據(jù)AASHTO TP 70標(biāo)準(zhǔn)，基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行MSCR試驗(yàn)。將試驗(yàn)溫度設(shè)置為58 ℃～70 ℃，測(cè)試的瀝青則是經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)后的樣品。MSCR試驗(yàn)在兩種應(yīng)力水平下進(jìn)行，分別為0.1 kPa和3.2 kPa，共10個(gè)循環(huán)。

采用LAS試驗(yàn)對(duì)APAO改性瀝青的疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)AASHTO TP 101-14標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)溫度設(shè)置為25 ℃。LAS試驗(yàn)由兩個(gè)階段組成：第一階段，在0.1%的極低應(yīng)變幅值下進(jìn)行頻率掃描試驗(yàn)，以表征未損傷狀態(tài)下瀝青的流變特性；第二階段，以0.1%的正弦應(yīng)變加載100個(gè)循環(huán)來(lái)進(jìn)行LAS試驗(yàn)，并以1%的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率開(kāi)始加載，加載達(dá)到30%的應(yīng)變結(jié)束循環(huán)。基于LAS試驗(yàn)，采用式（1）計(jì)算APAO改性瀝青的疲勞壽命：

Nf=A（γmax）B（1）

式中：Nf——瀝青的疲勞壽命；

[KG7mm]γmax——最大瀝青應(yīng)變水平，根據(jù)粘彈性連續(xù)損傷理論，確定常數(shù)A和B。

基于A(yíng)ASHTO T313采用彎曲梁流變儀（BBR）進(jìn)行試驗(yàn)，以蠕變剛度（S）和蠕變速率（m）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究長(zhǎng)期老化狀態(tài)下APAO改性瀝青的低溫性能。測(cè)試溫度分別設(shè)置為-12 ℃和-18 ℃。采用FTIR試驗(yàn)對(duì)APAO改性瀝青的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，所有FTIR光譜在4 000 cm-1～400 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)掃描32次，分辨率為4 cm-1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)

為了評(píng)價(jià)APAO改性瀝青在高溫?cái)嚢钘l件下的離析性能，對(duì)其進(jìn)行了儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，APAO改性瀝青的底部和頂部軟化點(diǎn)差異較小，且差值均＜2.5 ℃，說(shuō)明APAO的摻入并未在瀝青基體中產(chǎn)生嚴(yán)重的離析效應(yīng)，這可能是由于A(yíng)PAO增強(qiáng)了瀝青的相容性和黏度。但當(dāng)APAO摻量增大到8%時(shí)，瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性下降，軟化點(diǎn)差值為2.3 ℃且接近2.5 ℃。綜上所述，APAO易于在瀝青基體中混合，APAO改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性適宜，不過(guò)應(yīng)注意控制摻量，減少團(tuán)聚現(xiàn)象。

2.2 MSCR試驗(yàn)

采用MSCR試驗(yàn)對(duì)APAO改性瀝青的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）和彈性恢復(fù)率（R）。在58 ℃～70 ℃條件下，分別在0.1 kPa和3.2 kPa的應(yīng)力水平下進(jìn)行試驗(yàn)，與R值相比，Jnr值的變化程度更大。瀝青的Jnr值試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。如表4所示為64 ℃時(shí)APAO改性瀝青的MSCR試驗(yàn)結(jié)果。

由圖1可知，試驗(yàn)溫度的升高會(huì)增加瀝青的Jnr值，而降低其R值，這是因?yàn)殡S著溫度的升高，瀝青變得更加粘稠，因此瀝青的彈性和高溫性能下降。由表4可知，在同一應(yīng)力水平下，APAO的摻入降低了瀝青的Jnr值，表明經(jīng)APAO改性后的瀝青具有更高的抗車(chē)轍性能。同時(shí)，APAO摻量越高，瀝青的抗車(chē)轍性能越好。摻入8%APAO的瀝青高溫穩(wěn)定性最高。此外，由表4可知，在兩種應(yīng)力水平下瀝青的R值存在差異，且隨著應(yīng)力水平的增加，瀝青的R值降低；APAO的摻入提高了瀝青的R值，R值可以表征瀝青在高溫狀態(tài)下的彈性恢復(fù)程度。因此可以得出結(jié)論，與基質(zhì)瀝青相比，APAO改性瀝青具有更優(yōu)越的高溫穩(wěn)定性。

2.3 LAS試驗(yàn)

LAS試驗(yàn)?zāi)茱@示瀝青在不同應(yīng)變水平下的疲勞壽命，如表5所示為APAO改性瀝青的LAS試驗(yàn)結(jié)果。由表5可知，摻入APAO對(duì)瀝青進(jìn)行改性有效降低了高應(yīng)力水平下的剪切應(yīng)力。該結(jié)果還表明添加APAO可提高瀝青的疲勞壽命，這是因?yàn)锳PAO的摻入增強(qiáng)了瀝青的彈性，該結(jié)論也與MSCR試驗(yàn)結(jié)果一致。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，APAO的摻入提高了疲勞壽命公式（1）中的A系數(shù)，而降低了B系數(shù)，且6%APAO改性瀝青的A值最大，B值最小。在低應(yīng)變水平下，8%APAO改性瀝青的疲勞壽命明顯高于基質(zhì)瀝青的疲勞壽命，這是因?yàn)锳PAO的摻入使瀝青的黏度提高，與高應(yīng)變水平下的狀態(tài)相比，瀝青在低應(yīng)變水平下具有更高的抗疲勞性能，因?yàn)樵诟邞?yīng)變水平下瀝青受重載作用會(huì)發(fā)生較大變形。所以，可以認(rèn)為，經(jīng)APAO改性后的瀝青具有更高疲勞壽命。

2.4 BBR試驗(yàn)

采用BBR試驗(yàn)來(lái)確定不同試驗(yàn)溫度下APAO改性瀝青的低溫性能，評(píng)價(jià)指標(biāo)為蠕變速率（m）和蠕變剛度（S），BBR試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著APAO摻量的增加，瀝青的S值有所提高，說(shuō)明APAO提高了APAO改性瀝青的開(kāi)裂潛力，對(duì)其低溫抗裂性能有負(fù)面影響。m值隨著APAO摻量的增加而降低。一般來(lái)說(shuō)，瀝青的m值與溫度應(yīng)力有關(guān)，若瀝青的m值較大，在溫度降低的條件下，瀝青路面的溫度應(yīng)力會(huì)迅速釋放，容易出現(xiàn)低溫裂縫。在這種情況下，m值的下降說(shuō)明APAO的摻入不利于瀝青的低溫性能，這與S值的現(xiàn)象分析一致。APAO對(duì)瀝青材料低溫性能的影響有待進(jìn)一步研究。

2.5 FTIR試驗(yàn)

如圖2所示為基質(zhì)瀝青與APAO改性瀝青的FTIR試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可知，2 850 cm-1和2 920 cm-1兩處的吸收峰分別是由瀝青烷基（C-H）的對(duì)稱(chēng)與不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)引起的；1 590 cm-1和1 650 cm-1的吸收峰是由芳烴的C=C振動(dòng)引起的；在1 455 cm-1的吸收峰是由CH3和CH2的C-H伸縮振動(dòng)引起的；1 375 cm-1的吸收峰是由CH3振動(dòng)中的C-H伸縮振動(dòng)引起的；720 cm-1～910 cm-1處的吸收峰與苯環(huán)中的C-H振動(dòng)有關(guān)。還可以發(fā)現(xiàn)，APAO的添加提高了720 cm-1峰的強(qiáng)度，這是因?yàn)锳PAO存在亞甲基基團(tuán)，該峰取代芳烴產(chǎn)生了彎曲振動(dòng)，從而增大了峰值。與基質(zhì)瀝青相比，APAO改性瀝青在960 cm-1和740 cm-1兩處出現(xiàn)了新吸收峰。新吸收峰的產(chǎn)生意味著APAO在瀝青中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，分析原因?yàn)锳PAO分子存在C-H鍵，可以與瀝青分子連接組合。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）MSCR試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)APAO改性后的瀝青具有較高的抗車(chē)轍性能，且APAO摻量越高，瀝青的Jnr值減少而R值增加，說(shuō)明其高溫抗車(chē)轍性能得到改善。

（2）LAS試驗(yàn)結(jié)果表明，APAO的摻入可以增加瀝青的疲勞壽命，改善其抗疲勞開(kāi)裂性能，并且隨著APAO摻量的增加，改善效果也越明顯。

（3）BBR試驗(yàn)結(jié)果表明，APAO摻量的增加提高了瀝青的S值而降低了m值，說(shuō)明APAO的使用在一定程度上增加了瀝青的低溫開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，即對(duì)瀝青的低溫開(kāi)裂性能有負(fù)面影響。

（4）FTIR試驗(yàn)和儲(chǔ)存穩(wěn)定性分析表明，APAO與瀝青基體之間的相容性較好，與基質(zhì)瀝青相比，APAO改性瀝青出現(xiàn)了960 cm-1和740 cm-1兩處新吸收峰，說(shuō)明APAO與瀝青之間存在化學(xué)相互作用。

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作者簡(jiǎn)介：周理宏（1978—），工程師，主要從事公路工程施工監(jiān)理工作。