不同支鏈的聚烯烴對(duì)SBS改性瀝青低溫及微觀特性影響*

周 昆 劉西胤 王鑫洋 任瑞波

(山東高速集團(tuán)有限公司建設(shè)管理公司1) 濟(jì)南 250101) (山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院2) 濟(jì)南 250101)(山東高速工程檢測(cè)有限公司3) 濟(jì)南 250002)

0 引 言

低溫開裂是現(xiàn)階段瀝青路面主要病害之一[1].由于普通基質(zhì)瀝青的抗病害能力較差，改性成為主要手段.在瀝青改性領(lǐng)域，聚合物改性占據(jù)比例較大，且達(dá)到共識(shí)是聚合物的分子結(jié)構(gòu)與低溫柔性密切相關(guān)，根據(jù)自由體積理論，在材料自由體積相等的條件下，分子的支鏈結(jié)構(gòu)越多，材料的低溫變形能力相對(duì)較大.鑒于此，本文選擇不同支鏈的聚合物，探討其對(duì)改性瀝青低溫性能的影響.

曹麗萍等[2]通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)SBS改性劑結(jié)構(gòu)類型、摻量進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出改性劑的結(jié)構(gòu)對(duì)于SBS改性瀝青的低溫性能影響較小，主要是改性劑的摻量對(duì)瀝青低溫性能影響較大.王立志等[3]通過(guò)低溫彎曲梁流變儀(BBR)對(duì)不同原油、不同改性劑的改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，利用Sigmoid材料的粘彈模型得出瀝青低溫勁度模量主曲線，通過(guò)Origin數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)低溫勁度模量主曲線和減縮時(shí)間所包圍的面積進(jìn)行，結(jié)果表明低溫勁度模量主曲線包圍的面積相比5℃低溫延度、弗拉斯脆點(diǎn)等可以更加定量的判斷瀝青的低溫抗開裂性能.劉紅瑛等[4]通過(guò)在SBS改性瀝青中加入PPA(多聚磷酸)可以在一定程度上改善瀝青的低溫性能及抗老化性能.黃衛(wèi)東等[5]在PPA復(fù)合改性瀝青中加入一定的膠粉可以有效的改善PPA復(fù)合改性瀝青的低溫性能.上述研究表明單純的延度試驗(yàn)不能有效的辨別改性瀝青的低溫柔性，而基于BBR的勁度模量主曲線則能有效的表征寬溫域、寬頻域范圍內(nèi)改性瀝青的抗開裂能力，因此，本文選擇BBR，借助勁度模量主曲線來(lái)分析不同高聚物改性瀝青的低溫柔性.

本文針對(duì)長(zhǎng)支鏈烯烴類聚合物Polymer-A和短支鏈烯烴類聚合物Polymer-B，分析其對(duì)SBS改性瀝青低溫流變性能及抗老化性能的影響，通過(guò)低溫彎曲梁流變儀(BBR)試驗(yàn)、紅外光譜試驗(yàn)、原子力顯微鏡試驗(yàn)探究SBS改性瀝青的低溫勁度模量、紅外光譜圖及瀝青形貌變化特征，分析改性劑的微觀特性對(duì)改性瀝青宏觀低溫性能的影響.

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

本文基質(zhì)瀝青為齊魯70#，其技術(shù)指標(biāo)見表1，其指標(biāo)滿足文獻(xiàn)[6]相關(guān)要求.Polymer-A和Polymer-B(Polymer-B以其特殊的分子結(jié)構(gòu)，在力學(xué)性能、流變性能、抗紫外線性能和耐老化性能都占據(jù)優(yōu)勢(shì))均是采用工業(yè)化生產(chǎn)的高分子聚合物，改性劑采用岳陽(yáng)石化生產(chǎn)的線形SBS791-H，分子量為120 kg/mol，苯乙烯與丁二烯的嵌段比為3∶7.

表1 齊魯70#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

1.2 制備方法

首先制備SBS改性瀝青，將基質(zhì)瀝青加熱到135～145 ℃，加入相容劑，將SBS緩慢的加入瀝青中，溶脹15 min，待溫度到達(dá)175～180 ℃，將剪切機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)制3 500 r/min，剪切30 min左右，加入高分子Polymer-A(轉(zhuǎn)速調(diào)制4 000 r/min)，再剪切30 min左右，加入一定量的交聯(lián)劑硫磺，低速攪拌30～40 min，Polymer-A復(fù)合改性瀝青制備完成.

SBS改性瀝青的制備方法同上述陳述一致，只是待SBS改性瀝青制備完成時(shí)，將溫度調(diào)整到180～185 ℃時(shí)加入一定摻量的改性劑Polymer-B，攪拌40 min以上(2 000 r/min)，加入一定量的交聯(lián)劑硫磺，在175～180 ℃下攪拌30～40 min，Polymer-B復(fù)合改性瀝青樣品制備完成.

1.3 試驗(yàn)方法

本文采用低溫彎曲梁流變儀試驗(yàn)(BBR)，參照文獻(xiàn)[7]，分別對(duì)不同的復(fù)合改性瀝青低溫下的流變特性，對(duì)PAV后的瀝青在-12,-18和-24 ℃溫度下，利用廣義Maxwell流變模型對(duì)SBS改性瀝青、Polymer-A復(fù)合改性瀝青和Polymer-B復(fù)合改性瀝青低溫勁度模量主曲線進(jìn)行擬合，并求得低溫勁度模量主曲線的面積大??；并通過(guò)原子力顯微鏡試驗(yàn)、紅外顯微鏡試驗(yàn)對(duì)Polymer-A，Polymer-B復(fù)合改性瀝青形貌和官能團(tuán)進(jìn)行分析，從而研究不同復(fù)合改性瀝青的官能團(tuán)組成及微觀形態(tài)特性.

2 結(jié)果與討論

2.1 PAV后的不同瀝青的BBR試驗(yàn)分析

按照SHRP試驗(yàn)要求，對(duì)長(zhǎng)期老化(PAV)后的瀝青膠結(jié)料進(jìn)行低溫彎曲梁試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2～3.

表2 Polymer -A復(fù)合改性瀝青BBR試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可知，隨著Polymer-A摻量的增加，低溫勁度模量S呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)(摻量在1.5%時(shí)S值最小)，但是在數(shù)值上呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，說(shuō)明一定量Polymer-A的摻入可以有效地改善瀝青的低溫抗裂性能，即說(shuō)明Polymer-A的加入減緩了SBS改性劑的降解，Polymer-A復(fù)合改性瀝青的耐老化性能較好.同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著試驗(yàn)溫度的降低，低溫勁度模量逐漸增大，說(shuō)明隨著溫度的降低，瀝青的應(yīng)力松弛性能降低，使得瀝青的低溫抗開裂性能下降.

表3 Polymer -B復(fù)合改性瀝青BBR試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可知，隨著Polymer-B的加入，SBS改性瀝青的低溫勁度模量逐漸減小，并且在摻量為4%時(shí)S值達(dá)到最小，說(shuō)明當(dāng)Polymer-B摻量為4%時(shí)，瀝青的應(yīng)力松弛性能最好，當(dāng)Polymer-B摻量大于4%時(shí)S值就呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，低溫性能變差.可能是由于Polymer-B摻量過(guò)于飽和時(shí)，不能夠很好的與SBS改性瀝青更好的形成網(wǎng)絡(luò)三維結(jié)構(gòu)，從而使得瀝青膠結(jié)料的抗裂性能降低.

由表2～3可知，在SBS改性瀝青中加入一定量的聚合物對(duì)于改性瀝青的應(yīng)變速率相比SBS改性瀝青在數(shù)值上都呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，說(shuō)明Polymer-A，Polymer-B復(fù)合改性瀝青對(duì)于應(yīng)力的消散能力不是很好.此外，在相同溫度條件下，Polymer-B復(fù)合改性瀝青的勁度模量S值都要小于Polymer-A復(fù)合改性瀝青，說(shuō)明不同聚合物的支鏈的類型對(duì)于SBS改性瀝青的抗老化性能具有一定的影響，支鏈越長(zhǎng)效果越明顯，但是相應(yīng)的蠕變速率在數(shù)值上就要明顯小于Polymer-A復(fù)合改性瀝青.

2.2 復(fù)合改性瀝青的紅外光譜試驗(yàn)

為研究不同聚合物對(duì)SBS改性耐老化性能的影響，采用波峰的相對(duì)吸收強(qiáng)度和官能團(tuán)的增加或減少來(lái)準(zhǔn)確的反應(yīng)瀝青的老化過(guò)程，從而更加直接的評(píng)價(jià)不同復(fù)合改性瀝青的抗老化特性.本試驗(yàn)采用的是型號(hào)為TENSOII的傅里葉變化紅外光譜儀，分辨率為4 cm-1，試驗(yàn)測(cè)試光譜在400～4 000 cm-1，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖1.

圖1 不同復(fù)合改性瀝青紅外光譜圖

2.3 復(fù)合改性瀝青的原子力顯微鏡試驗(yàn)

對(duì)不同摻量的Polymer-A，Polymer-B復(fù)合改性瀝青進(jìn)行原子力顯微鏡試驗(yàn)，通過(guò)NanoScope Analysis軟件得出算術(shù)均方根Ra和高度均方根Rq，數(shù)據(jù)見表4.

表4 復(fù)合改性瀝青粗糙度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4可知，隨著改性劑Polymer-A、Polymer-B摻量的增加，瀝青表面的粗糙度指標(biāo)算術(shù)均方根Ra和高度均方根Rq都是逐漸增大.說(shuō)明改性劑的加入在一定程度上改變了SBS改性瀝青表面的平整度，即導(dǎo)致“波峰”與“波谷”的高度差增大.從宏觀性能上說(shuō)明Polymer-A,Polymer-B的加入在一定程度上改善了瀝青的抗老化性能，并且Polymer-A改性劑對(duì)于SBS改性瀝青的抗老化效果要優(yōu)于Polymer-B對(duì)于SBS改性瀝青的效果.在一定程度上表明，老化后聚合物對(duì)于SBS改性瀝青的降解起到一定的緩解作用.但是從粗糙度的大小上無(wú)法判斷改性劑的最佳摻量.

3 結(jié) 論

2) 通過(guò)紅外光譜試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)支鏈烯烴類聚合物的加入對(duì)于SBS改性瀝青官能團(tuán)無(wú)明顯影響，只是隨著摻量的變化吸收峰的強(qiáng)度有所改變；但是短支鏈烯烴類聚合物的加入可以發(fā)現(xiàn)，SBS改性瀝青的特征吸收峰強(qiáng)度略微增加，并且伴隨著新官能團(tuán)的出現(xiàn)，特別是在3 300,1 600和1 536 cm-1處吸收峰相比SBS改性瀝青較為明顯，且隨著短支鏈烯烴類聚合物摻量的增加吸收峰強(qiáng)度逐漸增大.

3) 通過(guò)原子力顯微鏡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著聚合物摻量的增加，瀝青表面的粗糙度指標(biāo)算術(shù)均方根Ra和高度均方根Rq逐漸增大，瀝青低溫抗變形能力越強(qiáng)；長(zhǎng)支鏈烯烴類聚合物改性劑對(duì)于SBS改性瀝青的抗老化效果要優(yōu)于短支鏈烯烴類聚合物，即聚合物的支鏈越長(zhǎng)，對(duì)SBS改性瀝青的抗老化性能改善越明顯.