松香樹脂對SBS改性瀝青的性能影響*

晏 明 羅 蓉 馮光樂

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

瀝青路面相較于水泥混凝土路面有著更好的路用性能和安全性能，但在長期服役的過程中遭受行車荷載、雨水、溫度、紫外線等環(huán)境因素的影響，會出現(xiàn)裂縫、剝落、滑移等病害.據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)表明，瀝青路面早期服役期間出現(xiàn)的病害70%由水損害導(dǎo)致[1].水損害在瀝青路面的作用方式有兩種：①水分通過吸附在瀝青表面繼而滲入瀝青內(nèi)部降低瀝青的黏附性，從而穿過瀝青膜進(jìn)入到混合料內(nèi)部產(chǎn)生破壞；②瀝青混合料在行車荷載的作用下，瀝青和集料之間的界面產(chǎn)生剪切破壞，從而出現(xiàn)細(xì)微裂縫，然后水分進(jìn)入裂縫，降低瀝青與集料之間的黏附性，繼而導(dǎo)致瀝青從集料表面剝落.由此可見，瀝青與集料之間的黏附性是瀝青路面抵抗水損害的重要因素.因此，提高瀝青和集料之間的黏附性是保障瀝青路面使用質(zhì)量和耐久性的關(guān)鍵[2].

相關(guān)研究表明，瀝青與集料之間的黏附性與瀝青中的官能團(tuán)有很大的關(guān)系，其中羧基對集料的吸附性能最強(qiáng).松香樹脂含有雙鏈和羧基活性基因，具有共軛雙鍵和典型的羧基反應(yīng)[3-5]，理論上作為瀝青的改性劑可以提升瀝青與集料之間的黏附性，繼而提高瀝青路面抵抗水損害的能力.可是松香樹脂對SBS改性瀝青的其他性能的影響仍是空白，本文將系統(tǒng)研究松香樹脂對SBS改性瀝青的黏附性能、物理性能、老化性能和抵抗永久變形能力的影響.

1 試驗材料與試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

試驗用瀝青為國創(chuàng)SBS改性瀝青，性能指標(biāo)見表1.松香樹脂是210#松香改性酚醛樹脂，性能指標(biāo)見表2.

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

表2 210#松香改性酚醛樹脂性能指標(biāo)

1.2 試驗制備

①SBS改性瀝青和松香樹脂置于170 ℃的烘箱中溶脹60 min;②將改性瀝青置于加熱套中，調(diào)整溫度為180 ℃，采用機(jī)械攪拌，時間為45 min;③在180 ℃下攪拌發(fā)育30 min，逐漸降低攪拌速度，驅(qū)趕氣泡;④澆注模具.210#松香改性酚醛樹脂加入量分別為改性瀝青質(zhì)量的0%，2%，4%，6%.

1.3 黏附性能

通過全自動表面張力儀，采用插板法測定四種瀝青的表面能參數(shù)，通過磁懸浮重量平衡系統(tǒng)，采用蒸氣吸附法測定兩種集料(輝綠巖/石灰?guī)r)的表面能參數(shù)，基于GvOC表面能理論計算瀝青與集料的結(jié)合能，評定不同瀝青之間的黏附性大小[6-8].

1.4 老化性能

松香樹脂/SBS復(fù)合改性瀝青的針入度、軟化點、延度、60 ℃黏度、瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(RT-FOT)根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的T0604,T0606,T0605,T0620，T0610測定.

1.5 抵抗變形能力

試驗采用動態(tài)剪切流變儀，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，對復(fù)合改性瀝青進(jìn)行PG分級試驗，在PG高溫下進(jìn)行多種溫度下的多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(MSCR)，繪制瀝青未恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S溫度變化曲線以及瀝青恢復(fù)率隨溫度變化曲線，對比分析其抵抗永久變形和恢復(fù)變形的能力.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 松香樹脂對SBS改性瀝青與集料間黏附性的影響

瀝青與集料之間的黏附性是瀝青路面抵抗水損害的基礎(chǔ)，同時也影響了瀝青路面的路用性能和使用壽命.目前，我國采用水煮法來評定瀝青與集料之間的黏附性，但是水煮法存在主觀性誤差，受試驗環(huán)境影響較大，且不能定量的評價瀝青與集料之間的黏附性.文中基于表面能理論，采用插板法測定四種瀝青的接觸角，利用Young-Dupre方程計算各組瀝青的表面能參數(shù)，根據(jù)式(1)計算各組瀝青與集料的結(jié)合能，以此來評定各組瀝青與集料的黏附性.

(1)

四種瀝青的表面能參數(shù)見表3，集料選用道路工程常用的輝綠巖和石灰?guī)r，其表面能參數(shù)見表4，結(jié)合能的計算結(jié)果見圖1.

表3 瀝青表面能參數(shù)

表4 集料表面能參數(shù)

圖1 瀝青與集料的結(jié)合能

由圖1可知，隨著松香樹脂摻量的增加，SBS改性瀝青和兩種集料的結(jié)合能基本呈現(xiàn)線性增加的趨勢，即松香樹脂能夠增大SBS改性瀝青與兩種集料的黏附性.這是由于影響瀝青黏附性的影響因素主要有黏度、酸值、化學(xué)成分等因素，其中對瀝青官能團(tuán)的研究分析表明瀝青中的化學(xué)成分對集料黏附性由弱到強(qiáng)排列為：酮<吡咯烷<酚<嘧啶類<亞砜<羧基，松香樹脂中包含大量的羧基活性基因，從而能夠提升SBS改性瀝青與集料的黏附性.

四種瀝青與輝綠巖的結(jié)合能大于其與石灰?guī)r的結(jié)合能，表明瀝青與輝綠巖的黏附性明顯優(yōu)于瀝青與石灰?guī)r的黏附性.這是由于兩種集料的化學(xué)成分、酸堿值、表面構(gòu)造以及表面電荷等因素會對其黏附性產(chǎn)生較大的影響.

2.2 松香樹脂對SBS改性瀝青物理性能的影響

軟化點、針入度、動力黏度是評價瀝青的常規(guī)指標(biāo)，也是表征改性瀝青性能的重要指標(biāo).針入度表征瀝青的軟硬程度，抵抗剪切破壞能力；軟化點反映了瀝青的高溫性能；黏度是表征瀝青黏滯性的指標(biāo)，其可反映瀝青抵抗外力變形的能力.圖2為不同松香樹脂含量的改性瀝青的測試結(jié)果.由圖2可知，隨著210#松香酚醛樹脂含量的增加，瀝青的針入度降低，且當(dāng)松香樹脂摻量大于2%時，趨勢線基本呈直線變化，表明該松香樹脂可以提高SBS改性瀝青的硬度和抵抗剪切破壞的能力；SBS改性瀝青軟化點隨210#松香樹脂摻量呈現(xiàn)線性增加，說明松香樹脂可以顯著提高SBS改性瀝青的高溫性能；210#松香樹脂能提高SBS改性瀝青的動力黏度，該瀝青在荷載作用下產(chǎn)生小的剪切變形，殘留的永久變形小.

圖2 不同因素隨松香樹脂摻量變化曲線

2.3 松香樹脂對SBS改性瀝青抗老化性能影響

測力延度試驗可用于判斷SBS改性瀝青的種類或評價SBS改性瀝青的低溫性能，還能通過測力延度試驗中的韌性指標(biāo)來有效地評價改性瀝青的抗老化性能[11].文中采用室內(nèi)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(RTFOT)模擬SBS改性瀝青的老化過程，通過韌性和針入度比等指標(biāo)來評價松香樹脂對SBS改性瀝青抗老化性能的影響.

瀝青的延度反映了瀝青路面的低溫抗開裂性能，間接地說明了瀝青的剪切敏感性，見圖3～4.

圖3 10 ℃測力延度曲線

圖4 針入度比變化曲線

由圖3～4可知，隨著210#松香樹脂摻量的增加，SBS改性瀝青在10 ℃的延度不斷減少，表明松香樹脂會降低SBS改性瀝青的低溫性能；從老化角度出發(fā)，測力延度曲線與橫軸圍成圖形的面積可以表征瀝青的內(nèi)聚力和抵抗老化的韌性，韌性和針入度比隨松香樹脂摻量增加而增加，說明松香樹脂能夠提高瀝青抵抗斷裂的內(nèi)聚能和瀝青的抗老化性能.210#松香樹脂摻量大于4%，松香樹脂對SBS改性瀝青的抗老化性能提升不大.由于本實驗是對改性瀝青進(jìn)行初期老化，只能反映準(zhǔn)備瀝青路面在短期服役情況下的抗老化性能.

2.4 松香樹脂對SBS改性瀝青高溫性能的影響

多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗可以有效評價并區(qū)分不同種類的瀝青抵抗永久變形和恢復(fù)變形的能力.本試驗采用動態(tài)剪切流變儀，試驗夾具：25 mm平行板；試驗高度：1 mm間距；取點率：每0.1 s記錄一個試驗數(shù)據(jù).首先將四組瀝青進(jìn)行PG分級，試驗溫度由PG高溫確定.試驗方法參照AASHTO M 332，試驗溫度分別為70，76，82，88 ℃，該實驗在0.1和3.2 kPa兩個應(yīng)力水平下進(jìn)行，前一應(yīng)力水平下蠕變恢復(fù)試驗重復(fù)20個周期，后一應(yīng)力水平下蠕變恢復(fù)試驗重復(fù)10個周期，每個周期加載1 s的恒定荷載，然后卸載9 s.

多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗采用兩個指標(biāo)來評價瀝青的抵抗永久變形和恢復(fù)變形的能力，即為恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr和恢復(fù)率R，見式(2)、式(3)，計算示意圖見圖5.

(2)

(3)

式中：σ為施加的應(yīng)力大小，選用的是0.1和3.2 kPa;N為加載周期；ε0為第N個周期未加載前存在的應(yīng)變；ε1為第N個周期加載結(jié)束時相對第N-1個周期恢復(fù)后的應(yīng)變；ε2為第N個周期加載結(jié)束時的應(yīng)變；ε3為第N個周期恢復(fù)結(jié)束時累計未恢復(fù)的應(yīng)變；ε4為第N個周期恢復(fù)結(jié)束時相對于加載前未恢復(fù)的應(yīng)變.

圖5 試驗示意圖

根據(jù)式(2)～(3)計算出每個周期的未恢復(fù)的蠕變?nèi)崃亢突謴?fù)率,然后根據(jù)式(4)～(5)計算各個應(yīng)力水平下的平均未恢復(fù)蠕變?nèi)崃?和平均恢復(fù)率，計算結(jié)果見圖6～7.

(4)

(5)

式中：n為加載周期數(shù).

圖6 未恢復(fù)蠕變?nèi)崃壳€

圖7 恢復(fù)率曲線

由圖6～7可知，在同一應(yīng)力水平和溫度下，松香樹脂摻量越高的SBS改性瀝青的未恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐饾u降低，松香樹脂摻量大于4%，在0.1和3.2 kPa兩個應(yīng)力水平下對SBS改性瀝青的未恢復(fù)蠕變?nèi)崃坑绊懖淮?松香樹脂摻量高的SBS改性瀝青在應(yīng)力加載和恢復(fù)階段結(jié)束后產(chǎn)生的應(yīng)變較小，具有較好的抵抗永久變形的能力，從而說明松香樹脂能夠提升SBS改性瀝青的抵抗永久變形的能力和高溫性能.

同樣條件下，瀝青的恢復(fù)率隨著210#松香樹脂摻量的增加呈現(xiàn)降低的趨勢，即松香樹脂摻量越高，SBS改性瀝青的抵抗恢復(fù)變形的能力越弱，這是由于瀝青是一種黏彈性物質(zhì)，松香樹脂在常溫下是固態(tài)，當(dāng)溫度大于其軟化點所對應(yīng)的溫度時會呈現(xiàn)一種粘稠的液態(tài).本試驗所采用的溫度低于該樹脂的軟化點所對應(yīng)的溫度，因此在該溫度下松香樹脂會降低SBS改性瀝青的可恢復(fù)能力.

隨著溫度的升高，四種瀝青的為恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭谥饾u增大，恢復(fù)率在逐漸降低，說明溫度升高，瀝青逐漸呈現(xiàn)流動狀態(tài)，彈性比例降低，塑性比例增加，使瀝青的累積變形增大.

3 結(jié) 論

1) 隨著210#松香樹脂摻量的增加，SBS改性瀝青與集料的結(jié)合能增加，說明松香樹脂能夠提升SBS改性瀝青與集料之間的黏附性，進(jìn)而提高瀝青路面抵抗水損害的能力.

2) 隨著210#松香樹脂摻量的增加，SBS改性瀝青的軟化點、動力黏度增大，針入度降低，說明松香樹脂可以提高SBS改性瀝青的高溫性能.

3) 210#松香樹脂的摻加提高了SBS改性瀝青老化前后殘存的針入度比和韌性，改善了SBS改性瀝青的抗老化性能；延度值隨松香樹脂摻量的增加逐漸降低，表明210#松香樹脂會降低SBS改性瀝青的低溫性能；當(dāng)摻量大于4%，殘存的針入度比增幅不大，松香樹脂對SBS改性瀝青的抗老化性能提升不明顯.

4) 210#松香樹脂能夠提升SBS改性瀝青的抵抗永久變形的能力，與此同時降低了SBS改性瀝青抵抗恢復(fù)變形的能力.當(dāng)松香樹脂含量在4%時，改性瀝青的高溫性能最佳.