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      高黏度改性瀝青黏韌性的影響因素



      摘要


      瀝青黏韌性試驗是評價瀝青改性效果的一種典型試驗,評價高黏度改性瀝青時常存在拉脫的現象,未必能夠反映高黏度改性瀝青的特性。研究了SBS含量、25℃針入度和基質瀝青組分對高黏度改性瀝青黏韌性的影響。結果表明,黏韌性隨著SBS含量的增加先擴大后減??;針入度小的改性瀝青的黏韌性試驗荷載大,zui大變形??;針入度大的改性瀝青荷載小,zui大變形大。所研究樣本中,膠體不穩定指數小、瀝青質含量少的基質瀝青制備的高黏度改性瀝青黏韌性和韌性大。改性瀝青黏韌性與混合料性能之間的相關性以及規范的適應范圍需要進一步研究。



      關鍵詞:高黏度改性瀝青 | 黏韌性 | 膠體不穩定指數 | 荷載-變形曲線


      瀝青黏韌性試驗是評價改性瀝青改性效果的一種典型試驗,開始用于評價SBR改性瀝青,后擴展至用于評價排水瀝青路面用高黏度改性瀝青。一般要求試驗溫度25℃,拉伸速度500mm/min,拉伸至300mm結束。試驗時,一開始表現出較大的荷載,后來則有一較長的變形段。將總的功稱作黏韌性,將后期較長時間變形部分的功稱作韌性。在進行黏韌性測試時,基質瀝青的內聚力小,拉伸的瀝青比較細;隨著SBS含量的增加,改性瀝青的內聚力擴大,拉伸的瀝青變粗。當內聚力大于改性瀝青與試驗器拉頭之間的黏附力時,拉伸變形不到300mm時改性瀝青即從拉頭上拉脫,從而結果偏小。

      我國規范對高黏度改性瀝青有的要求黏韌性不小于20N?m,韌性不小于15N?m;有的要求黏韌性不小于25N?m,韌性不小于20N?m[1]。JTG/T3350-03-2020《排水瀝青路面設計與施工技術規范》表示高黏度改性瀝青的黏韌性試驗普遍存在試樣脫離拉頭的問題,黏韌性的大小未必能正確反映高黏度改性瀝青的特性。日本認為SBS含量超過7%,黏韌性隨著SBS含量的增加變小,黏韌性與混合料性能相關性變差[2]。因此,日本在評價高黏度改性瀝青時,要求黏韌性不小于20N?m,而不要求韌性。對于SBS含量更大的改性瀝青開發了其他的膠結料技術指標(膠結料低溫彎曲試驗)[3]。根據我國現行規范和工程項目設計文件,暫且不論黏韌性與高黏度改性瀝青性能的關系如何,制備黏韌性符合規范要求的高黏度改性瀝青是一個現實問題。研究了SBS含量、25℃針入度、基質瀝青對高黏度改性瀝青黏韌性的影響因素,從而為高黏度改性瀝青黏韌性的技術要求、生產制造提供參考。



      試驗部分

      原料

      基質瀝青:市售寶來70號、寶來90號、盤錦90號、上海煉化79號、雙龍79號、SK70號、寶利70號、鎮海煉化70號;SBS改性劑:

      金海晨光JH-7302(參數見表1);其他制備高黏度改性瀝青常用的增容劑、增黏劑、穩定劑、防老劑、抗剝落劑等?;|瀝青性質見表2。




      儀器設備

      LYY-9A型瀝青延伸度儀、WSY-025B型瀝青軟化點測定儀、WSY-026型瀝青針入度試驗儀、82A-1瀝青薄膜烘箱、WSY-08瀝青動力黏度測定儀、WSY-018B瀝青黏韌性試驗儀;薄層色譜儀,IatroscanMK-6s;體積排除色譜儀,HLC-8320GPC。


      分析測試

      基質瀝青化學組分采用薄層色譜法(Thin-layerChromatographywithFlameIonizationDetec-tion,TLC-FID)測試,在色譜棒一端點入1μL樣品/甲苯溶液,分別在正庚烷、甲苯、二氯甲烷與甲醇(體積比為95:5)擴展劑中展開瀝青中的飽和分、芳香分、膠質至不同高度使其分離。該棒以恒定的速度通過氫火焰。棒薄層上巳分離的有機物質從氫火焰中獲得能量而離子化,而氫火焰離子檢測器檢測碳離子產生的電流,電流強度與進入火焰區的碳離子的物質的量成正比。

      基質瀝青與高黏度改性瀝青性能測試。瀝青的針入度、延度、軟化點、動力黏度、薄膜加熱試驗、黏韌性試驗分別按照T0604、T0605、T0606、T0620、T0609、T0624進行。



      結果和討論

      SBS含量

      SBS含量是影響高黏度改性瀝青性能以及關系生產成本的關鍵因素。隨著SBS含量的增加,高黏度改性瀝青混合料的性能提升,如肯塔堡飛散損失率減小、抗扭轉性能更優、動穩定度提高、四點彎曲疲勞壽命增加等[4]。采用同一種基質瀝青,加入不同含量的SBS,同時適當洞節加入的增容劑和增黏劑的含量,使改性瀝青的25℃針入度控制在50~60 1/10mm之間。測試5℃延度、軟化點、25℃針入度和黏韌性,結果見表3??芍S著SBS含量的增加,5℃延度變大、軟化點提高;但25℃黏韌性和韌性先變大后減小。當SBS含量為6%時,黏韌性/韌性更大。當SBS含量不超過7%時,能夠滿足黏韌性不小于25N?m、韌性不小于20N?m的要求;SBS含量超過7%,反而不能滿足。不同SBS含量的改性瀝青的黏韌性試驗荷載-變形曲線如圖1所示,可知不同SBS含量的改性瀝青荷載峰值基本相同,而zui大變形不同。隨著SBS含量的增加,zui大變形減小。試驗時達到zui大變形都表現為拉頭拉脫,說明隨著SBS含量的增加,改性瀝青的內聚力變大,內聚力大于改性瀝青與拉頭之間的黏附力,更容易拉脫。對比同樣是拉伸行為的延度試驗,5℃延度試驗時沒有出現拉脫的情況,一方面是由于延度試驗中部小橫截面保證了試驗在瀝青中部斷裂,另一方面是由于延度試驗的拉伸速度為125px/min,而黏韌性試驗的拉伸速度為1250px/min,高黏度改性瀝青主要靠SBS長鏈的鏈段運動來提高拉伸變形,拉伸速度快時來不及響應。結果同時也說明黏韌性/韌性與混合料性能之間沒有很好的相關關系,采用黏韌性/韌性評價高黏度改性瀝青的有效性值得商榷。




      25℃針入度

      25℃針入度是我國石油瀝青分級的依據,通常在炎熱地區采用低標號的石油瀝青,強調其高溫性能;在寒冷地區采用高標號的石油瀝青,突出低溫性能。高黏度改性瀝青中加入了高含量的SBS,SBS的聚苯乙烯段作為硬段,提供物理交聯點,提高了瀝青的高溫性能;聚丁二烯段作為軟段,提高了瀝青的低溫性能。對于相同針入度的石油瀝青和SBS改性瀝青,SBS改性瀝青的高低溫性能都要優于石油瀝青。針入度對改性瀝青的性能也具有一定的影響。一般來講,針入度大的改性瀝青具有較好的耐疲勞和抗開裂性能,針入度小的改性瀝青具有更好的抗車轍和抗扭轉性能[5-6]。采用同一種基質瀝青,加入相同含量的SBS,同時通過調節加入的增容劑和增黏劑的比例來制備不同25℃針入度的高黏度改性瀝青,性能見表4??芍S著針入度的變大,改性瀝青的5℃延度和老化后延度增加,軟化點變化不大,黏韌性減小,韌性先變大后減小。黏韌性試驗的荷載-變形曲線如圖2所示??芍S著針入度的增加,荷載變小,zui大變形增加。針入度小的改性瀝青更容易拉脫。應根據使用場合、荷載和氣候條件選擇合適針入度的改性瀝青。如針對交叉口等處容易受到扭轉剪切作用的場合,杉浦晴世等開發了抗扭轉型高黏度改性瀝青,要求針入度10~30 1/10mm,40℃黏韌性不小于20N?m,40℃韌性不小于15N?m[7]。




      基質瀝青組分

      通常來說,芳香分含量高、瀝青質含量少的基質瀝青更有利于SBS與瀝青之間的相容性,適合制備高SBS含量的改性瀝青[8]。選取了8種不同的基質瀝青,測試其常規性能,并采用TLC-FID分析四組分比例(結果見表2),其中膠體不穩定指數IC=(瀝青質+飽和分)/(膠質+芳香分)C采用不同基質瀝青,加入8.5%SBS以及增容劑和增黏劑等助劑,制備高黏度改性瀝青,性能見表5,可知基質瀝青對黏韌性具有很大的影響。黏韌性試驗的荷載-變形曲線見圖3,可知基質瀝青種類不僅影響荷載的大小和拉脫時的變形量,更重要的是影響切線的判定,國外有人提出用從原點到荷載峰值處的荷載-變形積分的兩倍替代判定切線,用黏韌性減掉這塊面積作為韌性,如圖4[9],但并未得到廣泛的認可。為分析基質瀝青組分對改性瀝青黏韌性的影響,對黏韌性/韌性-Ic和黏韌性/韌性-瀝青質含量進行相關性分析,如圖5,發現相關性較好,說明膠體不穩定指數小、瀝青質含量少的基質瀝青制備的高黏度改性瀝青的黏韌性和韌性大。但實踐中發現,如果不考慮黏韌性,采用各種基質瀝青都可以制備性能優異的高黏度改性瀝青及混合料。因此需要更多的研究來論證黏韌性與瀝青混合料性能之間的相關性,而不應盲目地提高要求。






      結論


      本試驗針對我國相關規范和設計要求對高黏度改性瀝青黏韌性和韌性的技術要求,研究了SBS含量、25°C針入度、基質瀝青組分對黏韌性的影響。得出以下結論:

      a)黏韌性和韌性隨著SBS含量的增加,表現出先變大后減小的趨勢。SBS含量越大,越容易拉脫。說明黏韌性/韌性與SBS含量之間并沒有很好的線性相關關系,并不一定能夠反映高黏度改性瀝青的性能。

      b)黏韌性還受到高黏度改性瀝青針入度的影響。針入度小的改性瀝青荷載大,拉脫時變形??;針入度大的改性瀝青荷載小,拉脫時變形大。建議根據使用場合和氣候條件選擇不同針入度的高黏度改性瀝青,并選擇相應的黏韌性試驗溫度。

      c)黏韌性受到基質瀝青組分的影響?;|瀝青組分不僅影響荷載和拉脫時的變形量,更影響切線的判定。膠體不穩定指數小、瀝青質含量少的基質瀝青制備的高黏度改性瀝青黏韌性和韌性大。




      全文完 發布于《石油瀝青》2021年2月 如涉侵權,請聯系刪除!




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