0 引言
因具有优异的抗永久变形能力,高模量沥青混合料被广泛应用于高温重载路段
[1]。高模量沥青是高模量沥青混合料的重要组成部分,路用性能优异的高模量沥青可以有效提升沥青混合料的服役性能和耐久性
[2-3]。目前,通常采用3种方式制备高模量沥青,一是添加低标号沥青或硬质沥青对基质沥青进行调和;二是添加高模量改性剂对沥青进行改性;三是添加熔点高的岩沥青对沥青进行改性
[4-5]。王瑞林等
[6]通过调和30
#低标号沥青和70
#沥青的比例,再加入苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene butadiene styrene,SBS)改性剂制备得到高模量沥青及沥青混合料,研究发现由其制备的沥青混合料具有极高的动态模量和稳定度。包卫星等
[7]基于黏弹性原理对低标号沥青的低温应力性质进行分析,发现低标号沥青温度应力较大,容易发生低温开裂现象;赵立东等
[8]通过掺加PR.PLASTS抗车辙剂和RESIN ALLOY抗车辙剂分别制备得到2种高模量沥青,并对比评价了高模量沥青和SBS改性沥青的黏弹性力学性质,研究发现高模量沥青的抗永久变形能力优于SBS改性沥青,而其抗疲劳性能则低于SBS改性沥青;王知乐
[9]对新疆岩沥青改性高模量沥青的微观机理和路用性能进行了分析,发现岩沥青改性高模量沥青的低温抗开裂性能较差,原因是岩沥青的加入提高了沥青中胶质和沥青质等重质组分。
综上所述,现有高模量沥青制备技术多关注外加剂对沥青高温抗变形能力的提升,而忽略了高模量沥青低温抗开裂性能差的缺陷
[10-11],这在很大程度上限制了高模量沥青的推广应用,因此有必要通过新的工艺制备综合性能优异的高模量沥青,拓宽其应用范围。当前,聚合物改性技术在沥青材料应用领域日趋成熟,为制备高性能高模量沥青提供了技术保障
[12-14]。因此,借助复合改性技术,以脱硫胶粉(desulfurization rubber powder,DRP)为主要改性剂,分别制备得到脱硫胶粉-多聚磷酸(desulfurization rubber powder-polyphosphate,DRP-PPA)和脱硫胶粉-岩沥青(desulfurization rubber powder-rock asphalt,DRP-ROCK)复合改性高模量沥青,对其路用性能进行测试并与传统高模量沥青性能进行对比。在此基础上,借助傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)试验和差示扫描量热(differential scanning calorimeter,DSC)试验等微观测试手段对其改性机理和感温性能进行分析。最后,成型高模量沥青混合料并对其综合路用性能进行评价,为聚合物改性高模量沥青的推广应用提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
基质沥青选择SK70
#沥青;脱硫胶粉选用国内某公司提供的深度脱硫胶粉,其采用双螺杆剪切脱硫法制备而成;多聚磷酸由国药化学试剂有限公司提供;岩沥青选择国产青川岩沥青(qingchuan rock asphalt,QBA);2种高模量改性剂分别选用国内某公司生产的HM(high modulus)型高模量剂及法国高模量剂PR-Module(PR)。上述各材料基本性质见
表1—
表5。
1.2 高模量改性沥青制备工艺
当前,对于高模量沥青并没有统一的界定标准,文献[
15]提出复数剪切模量可以作为界定高模量沥青的关键指标,提出高模量沥青的复数剪切模量
G* (60 ℃,10 Hz,0.1%)≥60 kPa,
G* (60 ℃,10 Hz,12%)≥10 kPa。按照上述标准,经过室内反复试验,确定不同类型高模量改性沥青制备工艺如下所述。
1)HM(PR)高模量沥青。将基质沥青加热至165 ℃,缓慢加入8%(占沥青质量分数)的HM型高模量剂(PR改性剂掺量为12.5%),采用电动搅拌器以300 r/min转速搅拌10 min;然后将温度升高至180 ℃,采用高速剪切机以5 000 r/min转速持续剪切60 min;最后将其放置于烘箱中,在160 ℃温度条件下发育60 min。
2)DRP-PPA高模量沥青。将基质沥青加热至165 ℃,缓慢加入22%的脱硫胶粉,采用电动搅拌器以300 r/min转速搅拌10 min;然后将温度升高至180 ℃,采用高速剪切机以5 000 r/min转速持续剪切60 min,接着添加2.5%的多聚磷酸(polyphosphat,PPA),继续剪切30 min;最后将其放置于烘箱中,在160 ℃温度条件下发育60 min。
3)DRP-ROCK高模量沥青。制备工艺同方案2,区别在于岩沥青的掺量为12.5%。
1.3 试验方案设计
1.3.1 沥青胶结料黏弹力学性能测试
借助常规物理性能试验和流变学试验方法对不同类型高模量沥青胶结料的黏弹力学性能进行测试,其中常规物理性能试验包括软化点、25 ℃针入度及135 ℃旋转黏度,流变学试验包括温度扫描试验、多重应力蠕变恢复试验(multiple stress creep recovery test,MSCR)及低温弯曲梁流变试验(bending beam rheological test,BBR),评价指标及试验条件见
表6。
1.3.2 沥青胶结料微观性能测试
1)采用WQF-400傅里叶变换红外光谱仪(FTIR),按照《傅里叶变换红外光谱仪校准规范》(JJF 1319—2011)对基质沥青及复合改性高模量沥青的分子结构进行表征,获取得到不同类型沥青的吸光度曲线以分析改性剂对沥青的改性机理。试验过程中扫描波长范围设定为600~4 000 cm-1。
2)采用耐驰STA 449F3同步热分析仪,分别获取得到不同改性沥青的DSC曲线,评估其温度敏感性。试验过程中温度范围设定为0~800 ℃,加热速率设定为10 ℃/min。
1.3.3 沥青混合料性能测试
由于高模量沥青材料一般应用于沥青路面结构中的中下面层,起到抗车辙性能的作用,因此选择中粒式沥青混合料AC-20级配,级配各筛孔通过率见
表7。
按照马歇尔试验方法,确定基质沥青混合料的最佳沥青用量为4.4%,HM(PR)高模量沥青混合料的最佳油石比为4.5%,DRP-PPA(DRP-ROCK)高模量沥青混合料的最佳油石比为4.5%。
为全面评价高模量沥青混合料的路用性能,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)分别对其进行60℃高温车辙试验、-10℃低温小梁弯曲试验及15℃四点弯曲疲劳试验,其中,低温小梁弯曲试验加载速度选择10 mm/min,四点弯曲疲劳试验应变设定为500 με。
2 结果与分析
2.1 高模量沥青胶结料性能评价
2.1.1 常规物理性能试验结果
借助软化点、25 ℃针入度及135 ℃旋转黏度试验对所制备的高模量沥青的常规物理性能进行测试与评价,结果见
表8。
由
表8可知,相比于基质沥青,4种高模量沥青的软化点和135 ℃旋转黏度值均有不同程度的提高,而针入度值明显降低,说明改性剂的加入显著提升基质沥青的高温性能。与传统高模量沥青相比,所研发的2种复合改性高模量沥青软化点值相当,说明脱硫胶粉聚合物复合改性高模量沥青可以达到传统高模量高温性能要求。此外,还可以发现DRP-PPA高模量沥青的针入度值和旋转黏度值要低于HM和PR高模量沥青,说明DRP-PPA高模量沥青的黏弹性能及施工和异性能更优;相反,DRP-ROCK高模量沥青的针入度值和旋转黏度值则较高,其黏弹性能和施工和易性能略差,原因在于岩沥青本身为一种硬度和刚性较大的材料,将其加入到沥青中去会增大沥青的硬度,导致其黏弹性能及施工和易性能变差
[16]。
2.1.2 高温温度扫描试验
对不同类型高模量沥青进行52~88 ℃的温度扫描试验,获取得到
G*
、δ及
G*/sin
δ等参数指标,以对高模量沥青的高温黏弹性能进行评价,试验结果如
图1所示。
由
图1可知,与基质沥青相比,4种高模量改性沥青的
G*及
G*/sin
δ指标明显提升,同时
δ显著降低,说明改性剂的加入提升了沥青中的弹性成分,降低了其黏性成分,进而增强了沥青的高温抗变形能力。对于原样沥青,可以发现4种高模量改性沥青中,DRP-ROCK高模量改性沥青的
G*和
G*/sin
δ最大,说明其高温性能最优,而DRP-PPA的
G*和
G*/sin
δ相对较小,其高温性能相对较差,原因在于岩沥青属于一种天然沥青,其内部沥青质的含量较高,将其加入到沥青中去,可以明显提升沥青中的重质组分,增强沥青分子间的相互作用力,提高其高温抗变形能力;而PPA为一种酸类化学改性剂,PPA分子主要通过化学反应与沥青中的高分子相互搭接成网状结构,从而能够改善沥青的高温稳定性
[17],相比之下,岩沥青对沥青高温性能的提升程度更高。按照SHRP(strategic highway research program)性能分级指标要求,原样沥青的
G*/sin
δ≥1.0 kPa,短期老化后沥青的
G*/sin
δ≥2.2 kPa。由此可得4种高模量改性沥青的高温PG(performance grad)分级均为76 ℃,说明本研究的2种复合改性高模量沥青高温性能优异,可以达到传统高模量沥青高温性能要求。
2.1.3 多重应力蠕变恢复试验
与车辙因子指标相比,研究学者发现多重应力蠕变恢复试验(multiple stress creep recovery test,MSCR)可以更为真实地反映沥青的高温抗永久变形能力,为进一步分析不同类型高模量改性沥青的高温性能,分别对其进行64、70、76 ℃温度条件下的MSCR试验,获取得到
Jnr、
R及
Jnr-diff,结果如
图2和
图3所示。
不可恢复蠕变柔量
Jnr用于表征沥青在高温条件下抵抗永久变形的能力,蠕变恢复率
R则可以反映沥青在荷载卸除后恢复变形的能力,
Jnr越小,
R越大,则沥青的高温抗变形能力越好。由
图2可知,与基质沥青相比,4种高模量改性沥青的
Jnr明显减小,而其
R明显增大,说明高模量改性沥青具有优异的高温抗变形能力,这与软化点和温度扫描测试结果一致。此外,对2种复合改性高模量沥青而言,DRP-ROCK的
Jnr和
R均要低于DRP-PPA,说明与PPA改性剂相比,岩沥青的加入对沥青高温抗变形能力提升程度更高,不过其对沥青变形恢复能力的提升作用要低于PPA改性剂,原因在于岩沥青的加入会使得沥青分子内部重质组分增加,导致沥青的硬度增大,其在外部荷载下抵抗变形的能力增大,不过变形恢复能力降低。
不可恢复蠕变柔量相对差异指标
Jnr-diff可以反映沥青的应力敏感性,
Jnr-diff越大,沥青的应力敏感性越差;同时,通过该指标还可以判断沥青在不同温度范围内的变形行为,依据AASHTO MP19-10分级标准,沥青的
Jnr-diff应当不超过75%,否则沥青将进入蠕变破坏阶段。由
图3可知,4种高模量沥青的
Jnr-diff明显低于基质沥青,说明改性剂的加入改善了沥青的应力敏感性水平,同时,随温度的升高,4种沥青的
Jnr-diff逐渐增加,说明高温条件下沥青的应力敏感性变差,其表现出更加明显的非线性黏弹性特征,当温度为64 ℃时,5种沥青的
Jnr-diff均低于75%,然而当温度达到76 ℃时,基质沥青和HM高模量沥青的
Jnr-diff超过75%,说明其已经进入蠕变破坏阶段,而PR及2种复合改性高模量沥青的
Jnr-diff均低于75%,表明其应力敏感性更加优异。
基于MSCR试验测试结果,AASHTO MP19-10分级标准将
Jnr与
Jnr-diff两者进行结合,进一步细化了沥青适用的交通等级类型
[18]。参考相关规程,对5种沥青进行了交通分级,结果见
表9。
由
表9可知,2种复合改性高模量沥青的交通分级结果明显优于传统高模量沥青,同时其交通等级适用范围较广,说明本研究的高模量沥青可以适用于高温重载条件下沥青路面建设。
2.1.4 中温抗疲劳性能测试结果
参照AASHTO技术规程,对所制备的不同高模量沥青进行长期老化试验,然后采用动态剪切流变仪对其进行22~34 ℃的温度扫描试验,获取得到
G* ·sin
δ指标,探究高模量沥青抗疲劳性能的差异性,试验结果如
图4所示。
由
图4可知,4种高模量改性沥青的
G*·sin
δ明显低于SK70
#基质沥青,表明改性剂的加入均可以提升沥青的抗疲劳性能,其中HM和PR高模量剂均属于聚合物类改性剂,将其加入到沥青中可以借助聚合物颗粒的弹性性能改善沥青的黏弹性能,增强沥青释放荷载的作用能力,表现为沥青的抗疲劳性能加强。对于复合改性高模量沥青,同样脱硫胶粉改性剂也具有较好的弹性性能,其加入到沥青中去也可以提升沥青的弹性,提升沥青在荷载作用下抵抗累计损伤的能力,进而增强其抗疲劳性能。此外,DRP-PPA复合改性高模量沥青的抗疲劳性能要优于DRP-ROCK高模量沥青,主要在于PPA的加入可以通过化学反应与沥青中的高分子相互搭接成网状结构,同时PPA的加入还可以使得胶粉的粒径变小,促进胶粉在沥青中的分布均匀性,增强胶粉颗粒之间网状结构的交联作用
[9];而岩沥青中的沥青质含量较高,将其加入到沥青中则会增加沥青中的重质组分,导致沥青的硬度增加,其应力敏感性下降,因此DRP-PPA复合改性高模量沥青的抗疲劳性能要优于DRP-ROCK高模量沥青。
2.1.5 低温抗开裂性能测试结果
传统高模量沥青存在低温性能差的弊端,为探究复合改性高模量沥青的低温性能,对不同类型高模量沥青进行-6、-12、-24 ℃温度条件下的低温弯曲梁流变试验(Bending Beam Rheological Test,BBR),获取得到其在60 s时的蠕变劲度模量(
S)及蠕变速率(
m),结果如
图5所示。
S可以反映沥青的柔性程度,
m可以反映沥青对温度的应力松弛能力,
S越小,
m越大,则沥青的低温抗开裂性能越优异。由
图5可知,随温度的降低,5种沥青的
S逐渐增大而其
m逐渐降低,相同温度条件下,HM和PR高模量沥青的
S要高于基质沥青,其
m则低于基质沥青,说明高模量改性剂的加入降低了沥青的低温性能,原因在于高模量改性剂的加入会吸收沥青中的轻质组分,增加沥青的稠度,同时增加沥青胶体颗粒分布的不均匀性,阻碍沥青自由分子的运动能力,导致沥青的应力松弛速率降低
[19]。相反,2种复合改性高模量沥青的
S要低于基质沥青,其
m则高于基质沥青,表明复合改性高模量沥青的低温性能更加优异,这主要归因于脱硫胶粉改性剂的加入一方面可以增加沥青的弹性,另一方面在制备改性沥青的过程中,脱硫胶粉中的短小链段可以在高速剪切作用下进入到沥青胶团中,增强沥青与胶粉之间的嵌挤交互作用,提高沥青弹性性质
[20]。相比之下,DRP-PPA高模量沥青的低温性能要优于DRP-ROCK改性沥青,原因同样在于将PPA改性剂加入到沥青中去可以以化学改性的形式增强胶粉颗粒之间网状结构的交联作用,提高沥青的应力松弛能力;相反,岩沥青的加入则会使得沥青分子内部重质组分增加,导致沥青的硬度增大,应力松弛能力降低。
2.2 高模量沥青作用机理分析
2.2.1 红外光谱测试结果
为探究不同类型改性剂对基质沥青的改性机理,分别对SK70
#基质沥青(SK70
#)、脱硫胶粉改性沥青(DRP)、脱硫胶粉-多聚磷酸(DRP-PPA)和脱硫胶粉-岩沥青(DRP-ROCK)复合改性高模量沥青进行FTIR测试,获取得到其吸光度图,结果如
图6所示。
由
图6可知,4种沥青的FTIR曲线中的主要吸收峰基本一致,区别仅在于少量微弱吸收峰的变化。主要表现如下。1)与SK70
#基质沥青的FTIR曲线相比,脱硫胶粉改性沥青(DRP)在2 360、1 250 cm
-1的吸收峰消失,其中2 360 cm
-1的吸收峰源自—C

C—和—C

N—的振动,1 250 cm
-1的吸收峰是由—C—O—的伸缩振动引起的,上述吸收峰的消失表明与SK70
#沥青相比,DRP改性沥青有新的化学键产生;2)对于DRP-ROCK,可以发现与DRP相比,其FTIR曲线在2 160、2 030、1 975 cm
-1位置处有新的吸收峰出现,上述吸收峰分别代表炔烃的—C

C—键、—C

C

N—键及—C

C

C—,上述新吸收峰的出现表明DRP-ROCK沥青中有新的物质产生;此外,岩沥青的加入也导致DRP的FTIR曲线中1 095 cm
-1位置处的吸收峰消失,上述吸收峰源自于—C

S—的伸缩振动;3)对于DRP-PPA,与DRP相比,其FTIR曲线也在2 160、2 030、1 975 cm
-1位置处有新的吸收峰出现;同时,DRP-PPA的FTIR曲线在1 090、950 cm
-1位置处也有新的吸收峰,其中1 090 cm
-1的吸收峰代表P—O或P

O的振动吸收峰,950 cm
-1处的吸收峰代表—C—O—C—的吸收峰。上述吸收峰的变化说明不同改性剂对沥青的改性过程主要以物理改性为主,化学改性为辅。
2.2.2 DSC测试结果
作为一种典型的黏弹材料,沥青的性能与温度变化密切相关,沥青优异的感温性能对保证路面的耐久性至关重要。本研究采用DSC试验对改性沥青的温度敏感性进行测试,结果如
图7所示。
由
图7可知,随着温度的变化,3种改性沥青的DSC曲线表现出一致的变化趋势,在400~500 ℃,3种沥青的DSC曲线有明显的吸收峰出现,原因在于温度的改变导致沥青内部发生了相态的转化,同时吸收峰的面积越大,表明沥青的焓变值(Δ
H)越高,宏观上表现为沥青的感温性能越差,经过计算,DRP、DRP-PPA及DRP-ROCK 3种沥青Δ
H分别为88.15、73.16、59.10 J/g,结果表明,岩沥青和PPA的加入均改善了沥青的感温性能,这对于提升沥青路面的耐久性具有显著的积极作用,其中岩沥青提升沥青感温性能的原因可能在于其加入增加了沥青分子中沥青质等重质组分的含量,使得沥青的极性增强,沥青大分子间的作用力增加,沥青分子链之间的摩擦力增加,其性能更加稳定;而PPA的加入则可能通过化学反应与沥青中的高分子相互搭接成网状结构,同样也会增强沥青分子间的嵌挤稳定力,提升沥青胶结料性能的稳定性。
2.3 高模量沥青混合料路用性能评价
为全面评价高模量沥青混合料的路用性能,对不同类型高模量沥青混合料进行60 ℃高温车辙试验、-10 ℃低温小梁弯曲试验及15 ℃四点弯曲疲劳试验,试验结果如
图8所示。
由
图8可知,就动稳定度值而言,5种沥青由大到小排序为PR、HM、DRP-ROCK、DRP-PPA、SK70
#,说明复合改性高模量沥青混合料的高温抗车辙性能要低于传统高模量沥青混合料;而就极限弯拉应变和疲劳寿命参数而言,其排序结果一致,由大到小均为DRP-PPA、DRP-ROCK、PR、HM、SK70
#,表明复合改性高模量沥青混合料的低温抗开裂性能和疲劳性能优于传统高模量沥青混合料,其中又以DRP-PPA型沥青混合料性能最优。沥青混合料性能测试结果进一步证实复合改性高模量沥青性能的优异性。
3 结论
本研究借助复合改性技术,以脱硫胶粉(DRP)为主要改性剂,制备得到2种复合改性高模量沥青,并将其路用性能与传统高模量沥青性能进行对比,在此基础上,成型高模量沥青混合料试件对其路用性能进行评价。主要结论如下。
1)DRP-PPA及DRP-ROCK复合改性高模量沥青的高温PG分级与传统高模量沥青相同,可以达到PG76 ℃;同时,2种复合改性高模量沥青的MSCR分级可以到达PG70V,MSCR分级优于传统高模量沥青。
2)2种复合改性高模量沥青的中温抗疲劳性能和低温抗开裂性能均要优于传统高模量沥青,其中又以DRP-PPA复合改性高模量沥青性能最优,这得益于多聚磷酸改性剂加入到沥青中去可以以化学改性的形式增强胶粉颗粒之间网状结构的交联作用,提高沥青的应力松弛能力。
3)FTIR测试结果显示,不同改性剂对沥青的改性主要以物理改性为主,化学改性为辅,同时,DSC测试结果显示多聚磷酸和岩沥青的加入均会改善沥青的感温性能。
4)混合料性能测试结果表明,复合改性高模量沥青混合料的低温性能和抗疲劳性能均优于PR、HM型高模量沥青混合料,其高温抗车辙性能略低于传统高模量沥青混合料,但仍满足相关技术标准要求。
山东省交通运输科技计划项目(2023B26)