廢舊聚酯纖維改性瀝青的物理及流變性能

謝路璐,曾俐豪,2

(1.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;2.廣西道路結構與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著現代材料技術的發展,纖維材料因具有可延長基體物質使用壽命的優點,被廣泛應用于材料加固[1]。同時,纖維材料在道路工程領域也取得了較好的應用效果,如SMA用木質素纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等在道路瀝青材料中應用效果顯著[2]。在瀝青混合料中,纖維主要與瀝青結合,纖維的吸附與均勻分布形成的網狀結構可有效提升瀝青混合料路用性能,進而延長瀝青路面的服役壽命[3]。

隨著我國“雙碳目標”戰略的推進,對交通領域這一碳排放“大戶”提出了更高的發展要求,這使得廢舊材料的應用得到了更廣泛的推廣[4-5]。聚酯纖維(CPF)俗稱“滌綸”,屬于高分子化合物,廣泛應用于紡織行業,是日常生活生產中常見的廢舊材料。目前已有部分研究對其在瀝青路面中應用進行了探討,如Wu等[6]研究了老化對聚酯纖維瀝青混合料低溫抗裂性和水穩定性的影響;Mohammad等[7]對木質素磺酸鈣/聚酯纖維復合改性瀝青混合料凍融損傷與抗斷裂性能進行了評價;Gang等[8]對玻璃/聚酯纖維復配改性瀝青混合料的綜合路用性能進行了分析。但總體而言,現有研究主要集中于CPF改性瀝青混合料性能評價,對各類瀝青改性效果的影響研究相對較少。

本文擬選取90#、70#及SBS三種目前應用廣泛的瀝青類型,采用針入度、軟化點及135 ℃高溫黏度等典型物理性能指標,結合動態剪切流變儀溫度掃描流變性能指標對不同CPF摻量下各瀝青改性效果進行綜合評價,進而為CPF在瀝青改性方面的有效利用提供理論參考與指導。

1 材料與方法

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

考慮應用的廣泛性,本文使用了三種類型的瀝青,包括兩類基質瀝青(90#與70#基質瀝青)以及SBS改性瀝青。各瀝青主要技術指標如表1所示。

表1 瀝青主要技術指標表

1.1.2 聚酯纖維

本研究使用的聚酯纖維來源于廢舊枕芯,經干法清洗與篩選獲得。其主要技術指標表2所示。

表2 聚酯纖維主要技術指標表

1.1.3 改性瀝青制備

采用濕法工藝進行CPF改性瀝青制備,CPF摻量取瀝青質量分數的0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。制備采用高速剪切機進行,剪切速率為3 000 r/min。測試溫度統一選取為160 ℃,剪切過程采用雙溫度計進行監測。前期探索性試驗表明,制備時間為30 min后,各項指標趨于穩定。為減少制備過程導致的瀝青老化,取該時間作為各試樣后續分析剪切時間。

1.2 試驗方法

1.2.1 物理性能測試

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011),分別對不同CPF摻量下三種類型瀝青進行針入度(T 0604-2011)、軟化點(T 0606-2011)、布氏旋轉黏度(T 0625-2011)測試[9]。

1.2.2 溫度掃描試驗

采用動態剪切流變儀(DSR)進行溫度掃描測試,測試溫度分別為40 ℃、46 ℃、52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃和82 ℃,所有試樣采用未老化瀝青試樣。溫度掃描采用直徑為25 mm的測試板,板間距為1 mm,測試應力為0.12 kPa。試驗分別得到復數剪切模量G*與相位角δ,并據此計算得到各試樣的車轍因子G*/sinδ。其中,G*定義為最大剪切應力與最大剪切應變的比值,可評價剪切載荷施加時抗變形能力;δ定義為所施加的應力與所產生的應變之間的滯后關系,可表征瀝青粘彈性比例的變化特征。綜合指標G*/sinδ可表征瀝青在不同工況下的抗永久變形能力,是瀝青性能分級的重要指標。

2 結果與討論

2.1 物理性能

選取90#基質瀝青、70#基質瀝青及SBS改性瀝青,分別對各種瀝青在不同CPF摻量下的針入度、軟化點和黏度等3項物理指標進行測試,測試結果及分析如下。

2.1.1 針入度

針入度作為我國瀝青分級標準指標,主要反映瀝青的硬度及稠度,90#基質瀝青、70#基質瀝青及SBS改性瀝青在不同CPF摻量下的針入度測試結果如圖1所示。

圖1 三組瀝青在不同CPF摻量下的針入度測試結果示意圖

由圖1可知:

(1)總體而言,三種瀝青針入度均隨CPF摻量增大呈現一定的降低趨勢。針入度降低,顯示瀝青稠度增加。這是由于瀝青被CPF裹覆后形成了交聯的網狀結構,提升了瀝青表面對外荷載的抗力性能[10],表明CPF加入后增強了瀝青之間的聚合效果,具有提升瀝青及瀝青混合料路用性能的潛力。

(2)對比三種瀝青針入度變化幅度,90#、70#兩種基質瀝青針入度變化幅度相對較大,而SBS改性瀝青降幅較小。相較無CPF瀝青,當摻量達到2%時,90#與70#基質瀝青針入度分別降低41(0.1 mm)、34(0.1 mm),降幅分別達到47.7%與52.3%,而SBS改性瀝青針入度降低了13(0.1 mm),降幅僅為28.9%。這可能是由于相較基質瀝青,SBS改性瀝青中瀝青已與SBS改性劑形成良好的網狀結構,CPF的摻入并不能有效與瀝青交聯,致使CPF對SBS改性瀝青針入度影響效果并不顯著。

2.1.2 軟化點

軟化點一般與瀝青混合料高溫抗永久變形能力有關,是瀝青重要的高溫性能指標。90#基質瀝青、70#基質瀝青及SBS改性瀝青在不同CPF摻量下的軟化點測試結果如圖2所示。

圖2 三組瀝青在不同CPF摻量下的軟化點測試結果示意圖

由圖2可知,軟化點與針入度變化規律相反,隨著CPF摻量增加,三組瀝青軟化點均增大,且兩組基質瀝青變化幅度顯著高于SBS改性瀝青。相較無CPF瀝青,當摻量達到2%時,90#與70#基質瀝青軟化點分別增加10.0 ℃、12.1 ℃,增幅達到21.5%與24.8%,而SBS改性瀝青軟化點僅增大2.3 ℃,增幅僅為3.1%。這是由于纖維改性劑與瀝青形成了網狀結構,可顯著改善瀝青的高溫性能[11]。此外,SBS作為目前最常用的瀝青改性劑,對包括高溫性能在內的瀝青綜合性能均有顯著提升[12]。因此,CPF與SBS組成的復合改性并不能使SBS改性瀝青軟化點得到更大更高。

一般來說,瀝青針入度和軟化點值可反映其相對黏度。在高溫下,低針入度和高軟化點的瀝青一般具有較好的承力與抗變形性能。因此總體而言,CPF的摻入可提升瀝青的抗永久變形能力。

2.1.3 高溫黏度

黏度作為瀝青的重要指標,與瀝青混合料抗永久變形能力具有一定的關聯性。同時,瀝青高溫黏度作為瀝青混合料施工溫度確定的重要依據,對瀝青作業參數的確定具有一定的指導意義。采用布氏旋轉黏度計對不同CPF摻量下的瀝青135 ℃黏度進行測試,測試結果如下頁圖3所示。由圖3可知:

圖3 三組瀝青在不同CPF摻量下的135 ℃黏度測試結果示意圖

(1)隨著CPF摻量增大,三組瀝青高溫黏度均顯著增加。這是由于布氏旋轉黏度測試過程中,CPF與瀝青吸附形成的交聯網狀結構增大了對轉子周期性運動的抵抗能力,致使黏度增大。比較三組瀝青黏度增幅,相較無CPF的對照組,當CPF摻量達到2%時,90#基質瀝青、70#基質瀝青及SBS改性瀝青黏度增幅分別增大22.2倍、24.8倍及7.7倍。

(2)隨著CPF摻量增大,三組瀝青黏度增長曲線呈現不同的變化趨勢。基質瀝青在CPF摻量較小(0.5%以內)時,增幅相對較緩。其中,90#瀝青在CPF摻量在0.5%～1.5%時黏度顯著增大,之后黏度增幅趨緩。而70#瀝青在摻量>0.5%后黏度變化呈現顯著的線性增長。SBS改性瀝青雖然初始黏度較大,但摻入CPF后,其黏度在全摻量范圍內仍呈線性增長。考慮黏度增大會顯著增加瀝青混合料的施工溫度,綜合前述CPF對SBS改性瀝青指標的提升效果,應慎重考慮采用CPF與SBS的復配工藝進行瀝青改性,或應嚴格控制復配改性劑的摻量。

(3)基于運輸質量控制及施工和易性考慮,美國AASHTO標準及我國《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)均要求改性瀝青135 ℃黏度<3.0Pa·s(圖3中虛線)[13]。以此為依據,若將CPF作為工廠化改性瀝青使用,90#及70#基質瀝青CPF摻量應分別控制在1.0%、0.5%,而SBS改性瀝青則不宜摻加CPF。需要說明的是,上述摻量限制是基于將CPF改性瀝青作為工廠化成品瀝青使用所進行的考量。當采用拌和站現場改性時,CPF摻量控制可參照SMA混合料中木質素纖維使用工藝。

2.2 流變性能

為評估CPF改性瀝青的高溫抗車轍性能,采用DSR對三組在不同CPF摻量的瀝青進行溫度掃描測試。對各組瀝青車轍因子(G*/sinδ)進行計算,測算結果如圖4所示。由圖4可知:

(a)90#瀝青

(1)隨著溫度升高,車轍因子與溫度在半對數坐標下呈現顯著的線性變化規律,該規律與常用基質及改性瀝青變化規律一致。就作用機理而言,表明CPF改性后瀝青并未改變其粘彈特性[14],即溫度升高,CPF改性瀝青彈性性能降低、黏性比重增大。此時,抗變形性能逐漸降低,且該變化趨勢在半對數坐標下呈現典型的線性降低趨勢。

(2)隨CPF摻量增加,三組瀝青車轍因子均呈現增大現象,且具有隨CPF摻量增加繼續增大的趨勢。上述現象表明,CPF的加入可增強瀝青內部聚合性能,有效提升各溫度下改性瀝青的抗變形能力,這與前述針入度及軟化點試驗結論相一致。另外,比較三種瀝青車轍因子大小,各溫度下車轍因子大小關系為:SBS改性瀝青>70#基質瀝青>90#基質瀝青。

為進一步量化分析CPF對不同瀝青流變性能的影響,對各摻量下瀝青PG分級高溫失效溫度進行分析。根據SHRP標準中PG等級高溫分級規定,以未老化瀝青車轍因子在1.0 kPa對應溫度為其高溫失效溫度,并以6 ℃為步長周期,確定PG分級高溫指標。分別對圖4中車轍因子變化曲線進行分析,以車轍因子為1.0 kPa曲線(圖4中虛線)對應溫度為失效溫度,計算結果如圖5所示。

圖5 聚酯纖維改性瀝青高溫失效溫度對比柱狀圖

由圖5可知,隨CPF摻量增大,PG分級高溫失效溫度均得到提升。90#、70#及SBS改性瀝青高溫失效溫度分別提升8.7 ℃、6.0 ℃與4.5 ℃,表明CPF的摻入可使三組瀝青服役于更高溫環境地區。對比發現,CPF對針入度最大的90#瀝青高溫失效溫度提升最為顯著,而對SBS改性瀝青高溫失效溫度提升幅度相對最低。

參照SHRP標準PG分級標準,對上述各組瀝青進行PG高溫分級,分級結果如表3所示。

表3 CPF改性瀝青PG分級高溫等級表

(1)對比發現,當CPF摻量達到1.0%后,90#與70#兩組基質瀝青高溫等級均提升一個等級。其中,當CPF摻量達到1.5%時,70#瀝青高溫等級達到SBS改性瀝青水平。表明CPF對基質瀝青高溫流變性能具有良好的提升效果,具有較好的推廣應用潛力。

(2)而隨著CPF摻量增加,SBS改性瀝青高溫失效溫度雖然增大,但其高溫等級并未改變。這是由于SBS改性瀝青初始高溫等級較高,即使大摻量的CPF也并不能使其高溫等級得到顯著提升。結合前述試驗結果綜合分析,隨著CPF摻量增加,SBS改性瀝青針入度、軟化點雖呈一定增大趨勢,但增幅相對較緩。而CPF的摻入,使其黏度急劇增大,這將使混合料施工溫度大幅提升,進而加劇瀝青施工階段老化,并加大拌和、攤鋪過程中能源消耗。因此,CPF并不適用于與SBS改性瀝青復配使用。

3 結語

以不同摻量廢舊聚酯纖維(CPF)對90#基質瀝青、70#基質瀝青及SBS改性瀝青進行改性,選取針入度、軟化點及135 ℃高溫黏度等物理性能指標,結合基于DSR溫度掃描的車轍因子對改性效果進行評價,得到如下結論:

(1)隨著CPF摻量增大,三組瀝青的針入度降低、軟化點提升,但SBS改性瀝青指標變化幅值遠小于90#與70#基質瀝青。

(2)三組瀝青黏度均隨CPF摻量增加大幅提升,若將CPF改性瀝青進行工廠化應用,應分別控制90#與70#基質瀝青中CPF摻量在1.0%與0.5%以內。

(3)DSR溫度掃描試驗表明,隨CPF摻量增大,三組瀝青高溫流變性能均得到提升,且90#與70#基質瀝青提升更為顯著,建議二者摻量為1.5%。

(4)CPF并未提升SBS改性瀝青PG高溫等級,且對針入度與軟化點提升幅值較小,但使高溫黏度急劇增大,不建議CPF與SBS改性瀝青復配使用。