OMMT/SBR復合改性瀝青流變性能研究

江曉曉,陳艷艷,王寧,何青云,蘇興賽

(華北水利水電大學 土木與交通學院,河南 鄭州 450000)

相較于其他路面材料,瀝青在路面領域的應用呈現出諸多優勢[1]。瀝青作為一種黏附性很強的材料,可以有效提高路面結構強度、延長使用壽命。然而,普通的瀝青在使用過程中,經常遇到高溫車轍和低溫開裂等問題。在瀝青中加入改性劑旨在提高瀝青的綜合性能。目前對改性劑的研究有聚合物、納米材料等[2]。

通過使用聚合物改性瀝青,可以提高瀝青的高低溫性能與抗疲勞性能等[3-5]。丁苯橡膠(SBR)是一種常用改性劑,它在瀝青飽和分和芳香分的作用下溶脹并與瀝青有機官能團反應,產生新化學鍵以改善瀝青低溫抗裂性能、彈性恢復率以及黏附性能等[6-7]。但是聚合物改性瀝青還存在著許多缺點,比如相容性差、對于改性瀝青性能改善并不顯著等。而納米材料因其較小的粒徑、較高的比表面積、良好的相容性以及良好的物理性質,作為瀝青改性劑得到了廣泛應用[8]。對蒙脫土進行有機改性,可以得到具有更低表面自由能和更強親油性的有機蒙脫土。通常情況下,有機蒙脫土與聚合物進行復合對瀝青進行改性,以增強瀝青性能[9]。

本文分別對SBR改性瀝青與有機蒙脫土(OMMT)/SBR復合改性瀝青進行基本性能指標試驗、DSR,BBR試驗,分析其高低溫性能。

1 原材料

1.1 基質瀝青

本試驗所選用的瀝青為70#基質瀝青。根據試驗規程[10],對基質瀝青進行常規性能的檢測,結果如表1所示。

表1 基質瀝青技術指標

1.2 有機蒙脫土

試驗所用OMMT為浙江某公司提供,其主要技術指標如表2所示。

表2 有機蒙脫土技術指標

1.3 丁苯橡膠

試驗中使用的SBR為天津某公司生產,其外觀為米色粉狀,主要參數如表3所示。

表3 SBR技術指標

2 試驗方法

2.1 改性瀝青的制備

2.1.1 SBR改性瀝青制備

將70#基質瀝青放入烘箱中,設定溫度為160 ℃,接著加熱基質瀝青至流動狀態。之后,將一定質量的基質瀝青放于電爐上,使其溫度保持在160 ℃左右。加熱過程中不斷用玻璃棒進行攪拌,邊攪拌邊加入一定摻量的SBR,直至SBR完全融于基質瀝青中。以4 500 r/min的速度,剪切40 min,之后將高速剪切機速度降至1 500 r/min,剪切15 min。剪切完成后,使瀝青進行溶脹發育1 h,即制備出改性SBR瀝青。

2.1.2 OMMT/SBR復合改性瀝青制備

將70#基質瀝青放入烘箱中,以160 ℃溫度加熱其至流動狀態,之后取出一定質量的基質瀝青,放于電爐上,使基質瀝青的溫度保持在160 ℃左右。加熱過程中不斷用玻璃棒攪拌,邊攪拌邊加入稱取好的有機蒙脫土,直至有機蒙脫土完全融于基質瀝青,在此基礎上,使用高速剪切機以4 000 r/min的速度剪切45 min,剪切完成之后,將一定摻量的SBR以同樣方式加入已經剪切好的有機蒙脫土改性瀝青中,調整轉速為4 500 r/min,剪切40 min,然后將轉速降到1 500 r/min,剪切攪拌時間15 min,完成后進行溶脹發育1 h,即制得有機蒙脫土/SBR復合改性瀝青。

2.2 動態剪切流變試驗

對基質瀝青、SBR改性瀝青、OMMT/SBR復合改性瀝青采用DSR溫度掃描試驗,采用25 mm平行板,試驗溫度在46～82 ℃區間進行,以6 ℃為一個間隔。

2.3 彎曲蠕變勁度試驗

本文采用BBR試驗在-12,-18,-24 ℃的溫度下,對基質瀝青、SBR改性瀝青、復合改性瀝青進行彎曲流變試驗,研究其低溫抗裂性能。

3 試驗結果與分析

3.1 常規性能試驗

在試驗中,測試了基質瀝青、4%SBR改性瀝青、3%OMMT/4% SBR復合改性瀝青的三大指標常規性能。試驗結果見表4。

表4 基本性能測試結果

由表4看出,與向瀝青中單獨摻加SBR改性劑相比,OMMT/SBR復合改性瀝青的針入度明顯小于基質瀝青和SBR改性瀝青,OMMT/SBR復合改性瀝青的針入度較基質瀝青降低了20.79%,較SBR改性瀝青減小了11.44%,這表明在基質瀝青中摻入SBR和OMMT可以提升瀝青稠度。

OMMT的摻入增高了復合改性瀝青的軟化點,OMMT/SBR復合改性瀝青的軟化點比基質瀝青提升了20.87%,比SBR改性瀝青增加了14.93%,這說明了OMMT對改性瀝青的高溫性能有著明顯的提高改善效果。在延度方面,復合改性瀝青的延度降低,OMMT對瀝青的低溫性能有一定的負面影響。

3.2 動態剪切流變實驗

采用DSR試驗對基質瀝青、SBR改性瀝青、OMMT/SBR復合改性瀝青三種瀝青進行高溫抗車轍能力的評價。試驗結果如圖1所示。

圖1 不同瀝青的相位角和車轍因子圖

如圖1(a)所示,在46～82 ℃的溫度范圍內,三種瀝青的相位角隨溫度的升高呈現出正比例趨勢,這是因為瀝青性狀受熱變軟,其粘性比例增加,瀝青由彈性態向粘性態轉變,對外表現為改性瀝青的抗車轍能力下降。溫度相同時,三種瀝青δ的大小關系為:基質瀝青>SBR改性瀝青>OMMT/SBR復合改性瀝青,這說明隨著OMMT的摻入改變了瀝青的黏彈性,使得瀝青中的彈性物質與黏性物質的比例提升,在溫度較高的環境中,瀝青受到外界作用而變形時,有更好的彈性恢復能力,從而使OMMT/SBR復合改性瀝青的彈性性能表現得更好,其具有更佳的抵抗永久變形的能力。

根據圖1(b)可知,在46～82 ℃溫度條件下,車轍因子G*/sinδ隨溫度的增加而降低,說明瀝青抵抗高溫變形的能力與溫度呈現相反關系,溫度越高,高溫條件下抵抗車轍的性能越不佳。同一溫度條件下,三種瀝青G*/sinδ的大小關系為復合改性瀝青大于單一改性瀝青、大于基質瀝青,這說明OMMT對改性瀝青的高溫性能具有良好的正面影響。OMMT/SBR復合改性瀝青的高溫抗塑性變形能力強于其余兩種瀝青,能夠更好地抵抗行車荷載,減少車轍變形。

根據上述分析,可知OMMT與SBR的摻入使瀝青相位角、車轍因子都趨向于好的形式發展,OMMT與SBR作為復合瀝青改性劑摻入瀝青中,其擁有比單一材料改性瀝青更佳的高溫穩定性。

3.3 低溫彎曲流變試驗

在試驗溫度為-12,-18,-24 ℃時,對基質瀝青、SBR改性瀝青、OMMT/SBR復合改性瀝青進行低溫彎曲流變(BBR)試驗。試驗結果如圖2所示。

圖2 三種瀝青不同溫度下蠕變勁度

由圖2可以看出,在-12～-24 ℃的溫度范圍內,三種瀝青的勁度模量都呈現出升高的趨勢,其中基質瀝青的增幅最為明顯,反映出當溫度逐漸降低時,瀝青的彈性應力也隨之降低,瀝青逐漸變硬,具有更顯著的脆性,低溫柔韌性變差。三種瀝青勁度模量S數據的數值大小關系為:基質瀝青>OMMT/SBR復合改性瀝青>SBR復合改性瀝青。這說明,SBR的加入使瀝青的脆性減小,并對其在低溫下的應力松弛性能有提升效果,增加了其柔韌性,從而改善了其低溫性能,OMMT的加入對瀝青的低溫性能有一定程度的不利影響。

從圖3可以看出,基質瀝青、SBR改性瀝青與OMMT/SBR復合改性瀝青的蠕變速率m值變化趨勢相同,都會隨著溫度的降低而降低。這說明,溫度越低,瀝青溫度應力的松弛速度越小,瀝青即擁有越差的應力分散性,在低溫狀態下更易開裂。在同樣的低溫條件下,SBR改性瀝青m值最大,OMMT/SBR復合改性瀝青次之,二者蠕變速率均大于基質瀝青。這說明摻入SBR使瀝青在低溫條件下不易產生溫度應力,瀝青應力分散的能力強。

圖3 三種瀝青不同溫度下蠕變速率

4 結論

1)OMMT/SBR復合改性瀝青相較于其他兩種瀝青,具有更低的針入度,更高的軟化點。OMMT/SBR復合改性瀝青針入度分別比基質瀝青和SBR改性瀝青下降了20.79%,11.44%,軟化點分別升高了20.87%,14.93%。

2)隨著溫度的升高,OMMT/SBR復合改性瀝青的相位角δ隨溫度的增加而增加,車轍因子逐漸減小;在相同溫度下,OMMT/SBR復合改性瀝青相較于基質瀝青、SBR改性瀝青,車轍因子為更大狀態,這說明OMMT對瀝青的高溫性能和抗永久變形性能有著良好的改善作用。

3)相較于SBR改性瀝青,復合改性瀝青的蠕變勁度S升高,蠕變速率m值則降低。這表明OMMT的加入會對瀝青的低溫性能產生不利影響。