SBR/BRA復(fù)合改性瀝青流變性能試驗(yàn)研究

柳 毅

(新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 烏魯木齊市 830000)

0 引言

巖瀝青作為瀝青改性劑，摻入基質(zhì)瀝青中具有很好的高溫性能和抗老化耐久性，與基質(zhì)瀝青相容性很好，能夠增加瀝青的粘度使瀝青與集料的結(jié)合強(qiáng)度提高。但眾多研究成果表明，巖瀝青用于瀝青路面中降低了路面的低溫性能[1]。樊亮等人通過將國(guó)產(chǎn)巖瀝青加入到不同的基質(zhì)瀝青中研究巖瀝青改性瀝青的性能時(shí)發(fā)現(xiàn)巖瀝青會(huì)降低基質(zhì)瀝青的低溫延度，且隨著巖瀝青用量的增加，瀝青的低溫脆性會(huì)更加嚴(yán)重[2]。劉樹堂等人通過采用電子探針和抽提技術(shù)對(duì)巖瀝青的微觀結(jié)構(gòu)和巖瀝青中富含的純?yōu)r青的四組分進(jìn)行研究分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與常規(guī)的石油瀝青相比，巖瀝青中的膠質(zhì)含量特別低，瀝青質(zhì)含量很高，一定程度降低了瀝青的低溫性能[3]。為了使巖瀝青改性瀝青具有很好的綜合使用性能，需要尋找一種改性劑用來提高巖瀝青改性瀝青的低溫性能。

丁苯橡膠用于基質(zhì)瀝青中能夠改善瀝青的使用性能等特點(diǎn)而逐漸被廣泛用于瀝青路面材料中，它可以通過增加瀝青粘度促進(jìn)瀝青和集料的粘著力。研究表明丁苯橡膠可明顯降低瀝青的脆性，進(jìn)而提高瀝青路面的低溫抗裂性能[4]。崔亞楠等人采用BBR試驗(yàn)研究了橡膠粉加入巖瀝青中的低溫性能，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明橡膠粉可以降低勁度模量S，增加蠕變斜率m值，從而改善了瀝青的低溫性能[5]。但同時(shí)大量的研究表明橡膠粉用于瀝青路面中會(huì)影響瀝青的抗老化性能[6]。

考慮到以上兩種改性劑加入瀝青后的表現(xiàn)特點(diǎn)，擬將兩種改性劑復(fù)摻加入到基質(zhì)瀝青中，希望兩種改性劑加入瀝青中性能能夠起到互補(bǔ)作用，得到一種綜合性能良好的瀝青材料。選取了粉末狀和膠乳狀兩種類型的丁苯橡膠，研究?jī)煞N橡膠產(chǎn)品及其各自不同的摻量對(duì)瀝青性能產(chǎn)生的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料性能

試驗(yàn)用基質(zhì)瀝青選用埃索70#A級(jí)石油瀝青，布敦巖瀝青(BRA)產(chǎn)自印尼布敦島，具有良好的高溫性能和耐久性，根據(jù)廠家推薦及前期研究得出布敦巖瀝青摻量確定為15%?；|(zhì)瀝青和巖瀝青技術(shù)性能分別見表1、表2。試驗(yàn)用到的橡膠采用天津某橡塑制品加工公司產(chǎn)的SBR1502橡膠粉(簡(jiǎn)稱SBR-1)和GM-1040SBR膠乳(簡(jiǎn)稱SBR-2)，其物理指標(biāo)性能都滿足技術(shù)要求。

表1 A-70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 布敦巖瀝青技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)方案

通過布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)測(cè)試SBR-1、SBR-2兩種不同改性劑在0%、2%、4%、6%、8%等不同摻量時(shí)的復(fù)合改性瀝青在135℃、145℃、155℃、165℃和175℃等五種溫度下的旋轉(zhuǎn)粘度，分別得到兩種SBR改性劑摻量對(duì)瀝青粘度的影響規(guī)律；然后對(duì)兩種SBR改性劑不同摻量下的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行DSR和BBR試驗(yàn)，通過車轍因子、蠕變勁度和蠕變斜率、疲勞因子等相關(guān)指標(biāo)分析評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的高溫和低溫性能、耐疲勞性能，得到SBR改性劑的最佳摻量范圍。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高溫性能

(1)旋轉(zhuǎn)粘度

采用布氏旋轉(zhuǎn)粘度儀對(duì)制備的復(fù)合改性瀝青測(cè)試135℃、145℃、155℃、165℃和175℃等五種溫度下的旋轉(zhuǎn)粘度，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為10r/min，并將橫坐標(biāo)溫度換算為絕對(duì)溫度的對(duì)數(shù)值，將試驗(yàn)結(jié)果繪制于圖1和圖2中。

圖1 粘度指標(biāo)隨SBR-1摻量的影響變化

圖2 粘度指標(biāo)隨SBR-2摻量的影響變化

隨著溫度的升高，改性瀝青粘度逐漸減小。由圖1可以看出，SBR-1改性瀝青的粘度均大于BRA改性瀝青的粘度，且同種溫度下隨著SBR-1摻量的增加，瀝青粘度逐漸增大，由此可知，SBR-1可以增加改性瀝青的粘度，可能原因是SBR-1膠粉加入瀝青后會(huì)吸收其中的油分等輕質(zhì)組分并發(fā)生溶脹反應(yīng)導(dǎo)致瀝青質(zhì)含量增加或?yàn)r青質(zhì)間距變小，從而導(dǎo)致瀝青變硬，粘度增加；從圖2可以看出，加入SBR-2后降低了瀝青的粘度，且同樣的溫度下隨著SBR-2摻量的增加，這種降低程度越大，說明SBR-2會(huì)減小瀝青的粘度，使瀝青變軟，流動(dòng)性增大，可能是由于加入SBR-2后導(dǎo)致瀝青的彈性成分增加，而粘性成分減少，出現(xiàn)這種情況與文獻(xiàn)[7]的結(jié)論很相似，可以用SBR-2加入瀝青后在其內(nèi)部形成了空間彈性網(wǎng)絡(luò)體系來解釋，但具體原因還有待進(jìn)一步研究。

(2)DSR高溫流變性能

通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)兩種橡膠改性劑制備的不同摻量的改性瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，溫度掃描范圍50～80℃，荷載頻率為1.59Hz,得到了不同溫度下的DSR試驗(yàn)結(jié)果，以試驗(yàn)得到的剪切模量G*和相位角δ計(jì)算得到車轍因子G*/sinδ用來評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能，結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 車轍因子隨溫度變化影響(SBR-1)

圖4 車轍因子隨溫度變化影響(SBR-2)

從圖3可知，隨著溫度的升高，車轍因子逐漸變小，由于溫度升高，瀝青的彈性成分減少，粘性成分增加，瀝青結(jié)合料受荷載發(fā)生變形后可恢復(fù)能力降低；同樣的溫度條件下隨著SBR-1摻量的增加車轍因子逐漸增大，說明SBR-1加入瀝青后在剪切荷載的作用下抵抗變形的總阻力增大，從而增加瀝青的高溫抗變形特性。從圖4可知，同種溫度下隨著SBR-2摻量的增加，車轍因子先增大后減小，在SBR-2摻量為4%時(shí)達(dá)到最大。

2.2 疲勞性能

按照SHRP研究成果表明，瀝青對(duì)路面疲勞的貢獻(xiàn)率高達(dá)52%。為評(píng)價(jià)瀝青的疲勞性能，SHRP提出與瀝青車轍因子相類似的疲勞因子(G*Sinδ)作為瀝青抗疲勞性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，且G*Sinδ較小時(shí)更好，較小的G*Sinδ表現(xiàn)出更好的抗疲勞特性。采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)儀，加載頻率10rad/s，通過試驗(yàn)獲取了溫度區(qū)間為20～60℃范圍內(nèi)的復(fù)數(shù)剪切模量及相位角，從而計(jì)算出相應(yīng)的疲勞因子G*Sinδ，結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 疲勞因子隨溫度變化影響(SBR-1)

圖6 疲勞因子隨溫度變化影響(SBR-2)

從圖5和圖6可以看出，隨著溫度的增加，兩種橡膠改性劑的瀝青疲勞因子均逐漸減小，且同樣溫度下隨著SBR摻量的增加表現(xiàn)出同樣的變化規(guī)律，即疲勞因子逐漸變小。說明SBR-1和SBR-2兩種改性劑對(duì)瀝青的疲勞性能都有所改善，能夠提高瀝青的抗疲勞特性。此外，SBR-1和SBR-2都在摻量為4%～6%時(shí)大幅度減小了疲勞因子，表現(xiàn)出了顯著的作用效果；在摻量6%～8%時(shí)作用效果不明顯。

2.3 低溫性能

通過低溫小梁彎曲試驗(yàn)(BBR)對(duì)兩種SBR改性劑不同摻量的BRA改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度選取-6℃和-12℃，采用試驗(yàn)60s時(shí)得到的蠕變勁度S和蠕變斜率m作為評(píng)價(jià)SBR/BRA復(fù)合改性瀝青低溫性能的指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 蠕變勁度隨溫度變化影響

圖8 蠕變斜率隨溫度變化影響

從圖7和圖8可以看出，溫度在-6℃條件下SBR-1和SBR-2對(duì)應(yīng)的改性瀝青的蠕變勁度S和蠕變斜率m都滿足S<300MPa和m>0.3的要求，在-12℃時(shí)SBR-1改性瀝青的蠕變勁度和蠕變斜率均不滿足要求，SBR-2只有在摻量為6%～8%時(shí)才滿足要求。無論是SBR-1還是SBR-2，在同樣溫度條件下，隨著SBR改性劑摻量的增加，瀝青的蠕變勁度逐漸減小，且SBR-2對(duì)應(yīng)的改性瀝青的蠕變勁度相對(duì)SBR-1減小的幅度較大，蠕變斜率相對(duì)SBR-2增加幅度大。此外可以發(fā)現(xiàn)兩種改性劑摻量在4%～6%時(shí)改善效果較為顯著，在6%～8%時(shí)效果不明顯。說明兩種SBR改性劑都可以改善瀝青的低溫性能，但SBR-2的效果更好，這可能與SBR-1中含有較多的丁苯二烯有關(guān)系。由此可以看出，兩種SBR改性劑彌補(bǔ)了巖瀝青低溫性能差的缺點(diǎn)。

3 結(jié)論

通過將兩種橡膠改性劑分別與巖瀝青復(fù)配制備復(fù)合改性瀝青，研究了兩種橡膠改性劑不同摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響規(guī)律，主要得出以下結(jié)論：

(1)通過布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)可以得出，隨著溫度的升高，改性瀝青粘度逐漸減??；SBR-1能夠有效增加BRA改性瀝青的粘度，而SBR-2會(huì)減小瀝青的粘度，但具體原因還有待進(jìn)一步研究。

(2)通過DSR溫度掃描試驗(yàn)可以得出，隨著溫度的升高，車轍因子逐漸變小；SBR-1可增加瀝青的高溫抗變形特性。SBR-2對(duì)應(yīng)的車轍因子先增大后減小，在摻量為6%以后高溫性能降低。

(3)通過DSR中溫疲勞試驗(yàn)可以得出，SBR-1和SBR-2兩種改性劑都能夠提高瀝青的抗疲勞特性，且SBR-1和SBR-2在摻量為4%～6%時(shí)效果顯著；在摻量6%～8%時(shí)效果不明顯。

(4)通過BBR試驗(yàn)可以得出，兩種SBR改性劑都可以改善瀝青的低溫性能，但SBR-2的效果更好，兩種改性劑摻量在4%～6%時(shí)效果顯著，在6%～8%時(shí)效果不明顯，兩種SBR改性劑彌補(bǔ)了巖瀝青低溫性能差的不足。