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      多聚磷酸與SBS復(fù)合改性瀝青性能研究*

      2018-03-08 07:46:54黃曉炎葉群山
      交通科技 2018年1期
      關(guān)鍵詞:相位角改性劑車轍

      黃曉炎 葉群山

      (長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 長沙 410114 )

      目前,應(yīng)用較多的瀝青改性劑主要為SBS(苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物)和橡膠粉這兩類。SBS改性瀝青具有優(yōu)異的高、低溫性能,在公路建設(shè)上應(yīng)用最多,但由于其購買成本較大,一般用于高等級公路建設(shè)中,其應(yīng)用范圍較狹窄。相對于成本較高、改性工藝較為復(fù)雜的聚合物改性瀝青,酸改性瀝青具有價格低廉、加工簡單、瀝青性能改善明顯等優(yōu)點(diǎn),有著良好的應(yīng)用前景[1-3];以多聚磷酸(polyphosphoric acid,PPA)作為瀝青改性劑,能夠有效地改善瀝青的高溫性能,同時具備其他酸改性瀝青的生產(chǎn)工藝、成本等方面的優(yōu)勢,在國外已得到了一定的研究和應(yīng)用[4]。

      本文主要對PPA改性劑和SBS改性劑復(fù)合改性而成的瀝青性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,分析SBS改性劑和PPA改性劑復(fù)摻后對瀝青性能的影響和2種改性劑之間的互相影響。

      1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

      1.1 原材料

      本研究中采用的基質(zhì)瀝青為湖南寶利瀝青有限公司生產(chǎn)的70號重交瀝青,表1為其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。采用長沙晶康新材料科技有限公司生產(chǎn)的PPA改性劑,其P2O5含量≥80%,氯化物含量≤0.001%,硫酸鹽含量≤0.02%,重金屬含量≤0.01%,鐵含量≤0.01%。SBS改性劑為線形結(jié)構(gòu)類型,嵌段比為30/70,灰分為0.2%,拉伸強(qiáng)度為15 MPa,扯斷伸長率為750%,扯斷永久變形為30%。

      表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

      1.2 PPA&SBS復(fù)合改性瀝青的制備和試驗(yàn)方案

      本研究中將PPA的摻量定為1%,SBS的摻量分別為3%,4%,5%;制備PPA&SBS復(fù)合改性瀝青時,先將SBS改性劑拌入150 ℃基質(zhì)瀝青中,并保持溶脹30 min,然后在180 ℃時加入PPA改性劑并以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速對摻配的瀝青高速剪切90 min,最后在150 ℃的溫度下保溫發(fā)育30 min。

      流變性能試驗(yàn)采用的儀器為奧地利Anton Paar公司生產(chǎn)的Physica MCR 301型動態(tài)剪切流變儀,進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn),試驗(yàn)溫度區(qū)間為30~78 ℃,荷載頻率為10 rad/s,采用25 mm底盤。對PPA&SBS復(fù)合改性瀝青的性能試驗(yàn)包括流變性能試驗(yàn)、老化性能試驗(yàn)和存儲穩(wěn)定性試驗(yàn)。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 流變性能

      PPA&SBS復(fù)合改性瀝青流變性能試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

      a) 車轍因子

      b) 復(fù)數(shù)剪切模量

      c) 相位角

      由圖1a)和圖1b)可見,PPA&SBS復(fù)合改性瀝青的車轍因子和復(fù)數(shù)剪切模量均隨SBS改性劑摻量的增加而增加,SBS改性劑的添加能顯著提升瀝青的高溫穩(wěn)定性,同時也說明PPA改性劑與SBS改性劑的復(fù)摻效果良好,兩者對于瀝青高溫性能的提升可互相疊加而不受對方影響[5]。由圖1c)可見,隨著SBS改性劑摻量的增加,相位角在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)變化的幅度也越小,曲線變化越平緩,這是由于SBS在瀝青中吸附輕質(zhì)組分溶脹后形成穩(wěn)定的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),提高了瀝青在高溫狀態(tài)時的彈性性質(zhì),并進(jìn)一步說明了SBS改性劑在PPA&SBS復(fù)合改性瀝青中的改性作用是獨(dú)立且不受PPA改性劑影響的[6-7]。

      2.2 老化后流變性能

      對不同摻量的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)(RTFOT)來評價其老化性能,與常規(guī)不同的是,在做完老化試驗(yàn)后,本研究中將老化后的瀝青做DSR溫度掃描試驗(yàn),與未被老化的瀝青的DSR溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,試驗(yàn)結(jié)果見圖2~圖4。

      圖2 PPA&SBS復(fù)合改性瀝青老化前后車轍因子對比圖

      圖3 PPA&SBS復(fù)合改性瀝青老化前后復(fù)數(shù)剪切模量對比圖

      圖4 PPA&SBS復(fù)合改性瀝青老化前后相位角對比圖

      由圖2可見,不同SBS摻量的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青在被老化后,車轍因子值均變大,與未被老化的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青相比,4%SBS摻量的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青其變化間隔最大,其次是3%SBS摻量的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青,5%SBS摻量的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青最小。3%與5%SBS摻量的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青老化前后車轍因子變化間隔相差不多。由于復(fù)數(shù)剪切模量與車轍因子成正比關(guān)系,所以其與車轍因子的結(jié)果大體相同,詳見圖3。

      PPA&SBS復(fù)合改性瀝青在被老化后,相位角的值均變小,由圖4可以得到,隨著溫度的升高,相位角從以前的S形變成了先下降后上升的凹形曲線,這可能是由于老化過程中瀝青的部分SBS改性劑老化分解造成的;因此,使用PPA和SBS改性劑對瀝青進(jìn)行復(fù)合改性,能夠提高瀝青的抗老化性能,通過添加PPA改性劑減少SBS的摻量能在一定程度上避免SBS改性劑老化分解后對瀝青性能的影響。

      2.3 儲存性能

      在存儲性試驗(yàn)中,將制備好的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青裝于試管中在163 ℃的烘箱里放置2 d,然后取出冷卻至常溫,放入冰箱冷凍室凍至脆硬,敲碎后取上1/3段和下1/3段的瀝青,進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn),計算兩者軟化點(diǎn)差,評價離析程度。其具體結(jié)果見表2。

      表2 不同摻量SBS復(fù)合改性瀝青儲存試驗(yàn)結(jié)果

      由表2可見,隨著SBS改性劑摻量的增加,上、下部軟化點(diǎn)的差值也越大,符合一般聚合物改性瀝青存儲性的規(guī)律,因此3%SBS摻量的PPA&SBS復(fù)合改性瀝青離析程度最小,儲存性能較好。同時也證明了添加適量的PPA不會影響SBS改性瀝青的儲存穩(wěn)定性能。

      3 結(jié)語

      1) PPA&SBS復(fù)合改性瀝青中SBS和PPA改性劑均能提高瀝青的高溫性能,2種改性劑復(fù)摻后對瀝青的高溫性能有較好的改善作用。

      2) PPA&SBS復(fù)合改性瀝青的SBS改性劑摻量越多,瀝青的抗老化性能越好,PPA改性劑對瀝青的抗老化性能也有一定的改善作用,PPA的復(fù)摻可在一定程度上降低因SBS老化分解而造成的對瀝青性能影響。

      3) SBS改性劑的摻量越多,PPA &SBS復(fù)合改性瀝青的存儲性越差,PPA改性劑對改性瀝青的存儲性能影響較少。

      [1] MENAPACE A,HEMSLEY M. Asphalt modification via polyphosphoric acid and polymers formulations,binder properties and mixture performance[C]. WRI/FHA Symposium,“Additives us-ed in Asphalt Pavements”. Cheyenne,WY:2004.

      [2] REINKE G.A review of the current situation regarding polyphosphoric acid modified binder[C].The Ass-ociation of Modified Asphalt Producer-s Meeting. Saint Louis,USA: AMAP,2005.

      [3] FALKIEWICZ M, GRZYBOWSKI K. Polyphosphoric acid in asphalt Modi-fication[C].Petersen Asphalt Conference. Cheyenne,WY:2004.

      [4] 毛三鵬,熊良銓.多聚磷酸在SBS改性瀝青中的應(yīng)用研究[J].石油瀝青,2010,24(5):28-32.

      [5] 王云普,張峰.多聚磷酸與SBR復(fù)配改性國產(chǎn)90號瀝青的研究[J].石油煉制與化工,2007,38(9):52-56.

      [6] 曹衛(wèi)東,劉樂民,劉兆平,等.多聚磷酸改性瀝青的試驗(yàn)研究[J].中外公路,2010,30(3):252-255.

      [7] 袁玉卿,高丹盈,王選倉,等.SBS改性瀝青應(yīng)力吸收層防裂機(jī)理及其效果分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版),2010,34(5):969-972,977.

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