聚合物改性瀝青材料延衰性能與作用機理研究

邸志偉,劉俊龍

(1.山西路橋第六工程有限公司,山西 太原 030006;2.長安大學 公路學院,陜西 西安 710064)

1 引 言

隨著我國經濟和社會的發展,道路交通逐漸成為國家發展和戰略的重要組成部分。瀝青路面由于其具有良好的路用性能、行車舒適性及施工便利性而逐漸成為我國道路的主要應用形式之一[1-2]。然而,在路面的長期應用過程中,光照、溫度及濕度等自然環境的耦合作用下瀝青路面會產生不同程度的病害,進而造成瀝青路面使用性能、安全性及耐久性的明顯劣化[3-4]。在眾多自然環境因素中,光照輻射是引起其長期老化的主要原因之一,由于光照中的紫外輻射能量能夠誘發瀝青膠結料中部分化學鍵的斷裂,引起瀝青中羰基、亞砜基等基團的累積,進而促使瀝青中化學組分產生轉化,導致瀝青膠體結構穩定性下降,最終造成瀝青路面材料質地變硬,從而導致一系列病害的產生,對瀝青路面的服役耐久性產生負面影響[5-6]。因此,采用合理的技術手段有效控制瀝青路面的紫外老化對緩解其長期老化造成的性能劣化具有重要意義。

基于此,優選丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈樹脂(ASA)作為瀝青改性劑,制備丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈樹脂改性瀝青,對樹脂改性瀝青進行不同時間的紫外老化處理,借助線型振幅掃描試驗深入分析丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈樹脂對瀝青膠結料疲勞特性的影響規律,采用差式掃描熱試驗系統研究丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈樹脂改性瀝青的玻璃化溫度等熱物性指標,明確和揭示了丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈樹脂對于瀝青膠結料紫外老化行為的控制效應及機理,為聚合物在瀝青路面紫外老化控制中的良好應用奠定基礎。

2 試驗原材料及試驗方法

2.1 基質瀝青

選用70#基質瀝青作為改性載體,技術性能指標如表1所示。

表1 70#基質瀝青的技術性能指標

2.2 聚合物改性劑

丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈樹脂(ASA)是由丙烯腈、苯乙烯和丙烯酸橡膠組成的三元共聚物,由于沒有引入不含雙鍵的丙烯酸酯橡膠,其耐候性有所改善。ASA樹脂及分子結構式如圖1所示。

圖1 丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈及其分子結構式

2.3 聚合物改性瀝青的制備

首先將瀝青加熱至130 ℃至熔融態,稱取一定質量的瀝青置于潔凈的容器中;將定量的聚合物改性劑加入熔融的瀝青中,采用高速剪切儀對混合物進行剪切攪拌,攪拌速率為2 500 rad/min,攪拌時間為15 min;攪拌完成后將瀝青放入120 ℃烘箱中溶脹發育,溶脹結束后即可完成改性瀝青的制備。

2.4 試驗方法

(1)紫外老化試驗

紫外老化試驗按照最不利狀況進行,試驗紫外老時間按照我國西部地區的紫外輻射強度和輻射量進行計算(太陽光年輻射強度約為7 000 MJ/m2·a,紫外線輻射強度占5%～6%)。室內紫外輻照設備的輻射強度約為375 W/m2,按照對照關系可計算總紫外老化時間為305 h,具體將305 h劃分為4個紫外老化時間節點。

(2)線型振幅掃描試驗

線型振幅掃描試驗(LAS)采用試驗溫度18 ℃,8 mm平板間距為1 mm。LAS試驗第一步:頻率掃描,控制應變模式,應變0.1%,掃描頻率0.2～30 Hz,記錄每個頻率的剪切模量和相位角;LAS試驗第二步:振幅掃描,采用控制應變模式,10 Hz加載頻率,先在0.1%的應變下對試樣預加載100個周期(10 s),然后在1%～30%應變水平中以1%的線性增長連續加載。

(3)差式掃描熱試驗

DSC試驗采用低溫差示掃描量熱儀進行測試。試驗試樣質量約為9 mg,盛樣皿為鋁制。DSC試驗的測試溫度具體為-40～180 ℃,試驗升溫速率約為10 ℃/min。

3 結果與討論

3.1 線型振幅掃描試驗研究

分析可知,不同老化時間下70#基質瀝青的LAS曲線,均出現了明顯的應力峰值,達到峰值前的總體增長速率較快,峰值達到后便迅速降低,趨于平緩。與之相比,老化152.5 h的70#基質瀝青存在應力峰值現象,但是峰值處出現了之前其他紫外老化時間下LAS曲線未曾出現的應力二次變化峰,之后峰值降低,并逐漸趨于平緩。而在228 h紫外老化70#基質瀝青的LAS曲線中,峰值的出現后也出現了一個類似于152.5 h曲線的二次應力變化峰,但二次變化的幅度要明顯弱于152.5 h,而應力值降低至最低值時對應的應變值也減小到5%左右。紫外老化引起的70#基質瀝青的線性振幅掃描曲線變化具有一定的特異性,但總體抗疲勞性能出現了一定程度的劣化,這與紫外老化引起的瀝青膠體結構失穩具有一定的關系。后續需結合聚合物改性瀝青的LAS曲線進行綜合分析。

分析可知,不同紫外老化時間條件下ASA聚合物改性瀝青的LAS曲線中,紫外老化76.25 h的ASA聚合物改性瀝青在應變值0～5%內迅速達到應力峰值,然后應力急速衰減,在6.4%左右開始出現短暫的平滑區,而后應力值繼續加速減小,在10%左右達到應力最小值區域,并逐漸趨于平緩。該過程的變化與之前所做的70#基質瀝青的LAS曲線有相似之處,同樣出現尖銳的應力峰值、應力二次變化區以及變化平緩區。152.5 h和228 h的LAS曲線則均只表現出了應力峰值,并未出現應力的二次變化區域。在對比圖也可以看出,紫外老化時間較短ASA聚合物改性瀝青的應力峰值越高,而應變值相應越低。當紫外老化時間達305 h時曲線中的應力二次變化特征又再次出現。

3.2 聚合物改性瀝青差式掃描熱分析

由圖2及表2分析可知,70#基質瀝青差式掃描熱曲線的吸熱峰面積較大,同時吸熱峰的總體數量相對較多,這表明70#瀝青經紫外輻射產生老化后,其熱穩定性出現了較大程度的劣化,二者主要是由于紫外輻射誘發瀝青中四組分比例的變化,具體為瀝青質含量明顯增大,芳香分和膠質等輕組分的含量相對下降,從而導致瀝青材料質地變硬,抗變形能力出現了顯著的下降。在溫度繼續升高過程中,70#基質瀝青剩余部分還未發生變化,表現為吸熱峰較小的平緩曲線。

圖2 70#基質瀝青不同紫外老化時間下的DSC曲線圖

表2 不同紫外老化時間下70#基質瀝青的DSC結果

由圖3及表3分析可知,不同紫外老化時間下ASA聚合物改性瀝青的差式掃描熱曲線變化趨勢基本一致,曲線總體較為平滑,吸熱峰數量相對較少。相對70#基質瀝青其峰值寬度普遍更寬,這表明其吸熱峰面積相比更大。而差式掃描熱曲線越平緩,吸熱峰越小,瀝青表現越穩定,這表明在紫外老化處理后的ASA改性瀝青樣品的熱穩定性仍能夠保持在較高的水平,明顯優于70#基質瀝青,這也驗證了ASA聚合物改性劑良好的抗老化改善效果。而同時,紫外老化時間與ASA聚合物改性瀝青的熱穩定性有較好的對應關系。

圖3 ASA改性瀝青不同紫外老化時間下的DSC曲線圖

表3 不同紫外老化時間下ASA改性瀝青的DSC結果

4 結 論

主要研究結論如下。

(1)紫外老化引起的70#基質瀝青線性振幅掃描曲線的變化具有一定程度的特異性,但總體抗疲勞性能出現了一定程度的劣化,這與紫外老化引起的瀝青膠體結構失穩具有一定的關系。

(2)紫外老化時間較短ASA聚合物改性瀝青的應力峰值越高,而應變值相應越低。當紫外老化時間達305 h時曲線中的應力二次變化特征又再次出現。

(3)70#基質瀝青差式掃描熱曲線的吸熱峰面積較大,同時吸熱峰的總體數量相對較多,這表明70#瀝青經紫外輻射產生老化后,其熱穩定性出現了較大程度的劣化。

(4)在紫外老化處理后的ASA改性瀝青樣品的熱穩定性仍能夠保持在較高的水平,明顯優于70#基質瀝青,這也驗證了ASA聚合物改性劑良好的抗老化改善效果。而同時,紫外老化時間與ASA聚合物改性瀝青的熱穩定性有較好的對應關系。