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      基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青老化行為研究

      2022-03-21 16:26:42熊奎元侯劍楠韋暢明朱皓
      西部交通科技 2022年1期

      熊奎元 侯劍楠 韋暢明 朱皓

      作者簡介:

      熊奎元(1990—),工程師,研究方向:瀝青路面、市政檢測;

      侯劍楠(1994—),碩士,研究方向:瀝青路面技術(shù)咨詢;

      韋暢明(1987—),工程師,主要從事高速公路建設(shè)管理工作;

      朱 皓(1990—),工程師,主要從事試驗管理工作。

      摘要:為研究基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青的老化行為,文章采用室內(nèi)PAV試驗與室外日照對瀝青進行長期及短期老化,提出老化指數(shù)評價指標,并采用軟化點試驗、針入度試驗及BBR試驗對瀝青老化前后性能進行評價。結(jié)果表明:SBS改性瀝青的抗老化性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青;隨老化加重,基質(zhì)瀝青的軟化點增大,針入度降低,勁度模量增大,使用性能劣化;SBS改性瀝青由于改性劑的持續(xù)降解,在長期老化過程中隨老化溫度升高,軟化點先增大后減小,短期老化前期勁度模量先減小后增大。

      關(guān)鍵詞:基質(zhì)瀝青;SBS改性瀝青;老化行為;老化指數(shù)

      中國分類號:U416.217A060203

      0 引言

      公路是資源運輸流動的重要載體,是社會經(jīng)濟發(fā)展的重要基石。截至2020年年末,我國公路里程達到519.81萬km,其中高速公路為16.1萬km,形成了目前世界最大的公路運輸網(wǎng)絡(luò)。而瀝青路面憑借其優(yōu)良的行車舒適性、建養(yǎng)便捷性以及可重復利用的特點,成為高等級公路路面的主要結(jié)構(gòu)形式。瀝青是一種碳氫化合物和非金屬衍生物的復雜有機高分子材料,其作為瀝青路面的膠結(jié)料在日照、高溫及行車荷載等多種自然因素作用下極易發(fā)生老化反應,從而引起瀝青路面發(fā)生車轍、裂縫等各種病害,降低路面的使用性能及壽命。因此道路工作者展開了大量的瀝青老化行為研究,為探索降低老化對瀝青路面影響的方法提供指導意見。

      瀝青的老化貫穿了瀝青混合料拌和樓生產(chǎn)、現(xiàn)場施工和瀝青路面服役全過程的各個階段。瀝青的老化實質(zhì)是瀝青組分比例在外界因素影響下發(fā)生變化,從而導致瀝青性能變化的過程。目前大量的國內(nèi)外研究均采用三大指標試驗、紅外光譜試驗、凝膠色譜試驗等研究改性瀝青及基質(zhì)瀝青老化前后性能變化或老化過程組分變化[1-3],鮮見對老化程度進行定量再展開瀝青性能或老化機理的研究。本文將老化過程分為長期及短期兩個階段,對每個階段的基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青老化行為展開研究,以期揭示瀝青在老化過程中的性能變化。

      1 原材料與試驗評價方法

      1.1 原材料

      本文試驗用瀝青選擇東海牌70#基質(zhì)瀝青及岳陽石化生產(chǎn)的成品SBS改性瀝青,其技術(shù)指標測試結(jié)果如表1所示。

      1.2 試驗評價方法

      瀝青的長期老化性能采用老化指數(shù)評價,其由瀝青材料老化前后性能檢測值變化率計算得到。老化指數(shù)計算公式如式(1)所示。

      瀝青短期老化性能采用BBR試驗測試瀝青在-18 ℃、-12 ℃、-6 ℃的勁度模量進行評價。

      2 SBS改性瀝青長期老化行為研究

      2.1 長期老化方案

      參考《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011),采用壓力老化試驗(PAV)對SBS改性瀝青及基質(zhì)瀝青進行長期老化模擬。試驗分兩組,第一組老化溫度控制為90 ℃、100 ℃、110 ℃,時間控制為20 h;第二組老化溫度控制為100 ℃,老化時間分別為16 h、20 h、24 h,老化完成后進行性能檢測。

      2.2 試驗結(jié)果與分析

      瀝青老化前后軟化點及針入度試驗結(jié)果如表2所示。

      由表2可知:

      (1)隨老化溫度升高,老化時間延長,基質(zhì)瀝青的高溫性能持續(xù)改善,而SBS改性瀝青的高溫性能先提高后降低。這是因為隨溫度升高或時間延長,基質(zhì)瀝青老化加重,瀝青中的瀝青質(zhì)重組分含量增加,瀝青表現(xiàn)為“更耐熱”,故軟化點持續(xù)升高;SBS改性軟化點隨老化時間延長或老化溫度升高,軟化點出現(xiàn)先降低后升高趨勢。這可能是瀝青中的SBS在老化前期出現(xiàn)大量降解,從而軟化點下降,而后期SBS基本完全降解,瀝青的老化作用占據(jù)主導地位[4],因此老化后期又出現(xiàn)軟化點上升現(xiàn)象。

      (2)隨老化溫度升高,老化時間延長,基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青的針入度均呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢,這是因為隨時間推進或者溫度升高,兩種瀝青的老化程度均得到進一步加深,瀝青中大量飽和分和芳香分等輕質(zhì)組分逐漸變成瀝青質(zhì),瀝青變得脆硬,從而針入度下降。

      (3)根據(jù)老化指數(shù)計算方法,計算軟化點和針入度的老化指數(shù),并繪制曲線如下頁圖1所示。在兩種老化因素控制條件下,SBS改性瀝青針入度老化指數(shù)和軟化點老化指數(shù)均低于基質(zhì)瀝青,說明SBS改性瀝青的老化程度更低,具備更優(yōu)良的抗老化能力。

      3 SBS改性瀝青短期老化行為研究

      PAV試驗可以模擬瀝青路面服役5~7年后瀝青膠結(jié)料的老化情況,而瀝青中含有大量的飽和分,這種組分在高溫條件下極易發(fā)生氧化或揮發(fā),因此對PAV老化瀝青的研究并不能反映出瀝青早期的性能變化。因此本文將開展瀝青短期老化特征研究。

      3.1 短期老化試驗方案

      將經(jīng)過RTFOT老化后的基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青澆于玻璃器皿中,厚度控制為3.2 mm,蓋上玻璃蓋防止雨水和灰塵污染,然后置于室外日照處。每3個月收回部分試樣進行室內(nèi)試驗。短期老化試驗參數(shù)及試件參數(shù)如表3所示。

      3.2 試驗結(jié)果與分析

      基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青短期老化的BBR試驗結(jié)果如表4所示。勁度模量是指瀝青在低溫條件抵抗荷載的量值,用以評價瀝青低溫抗變形能力,勁度模量越大,瀝青粘彈性能和韌性越差,瀝青越易脆裂。

      (1)瀝青低溫抗裂性能隨溫度降低而劣化。由表4可知,隨試驗溫度降低,兩種瀝青的勁度模量均隨溫度降低而增加,瀝青的低溫抗變形能力減弱。這是因為試驗溫度降低,凍結(jié)了瀝青的鏈段運動,瀝青變得脆硬,瀝青中的彈性成分增加,從而低溫性能降低。

      (2)隨老化時長增加,基質(zhì)瀝青的低溫性能降低。由圖2([HTSS]a)可知,基質(zhì)瀝青的勁度模量呈現(xiàn)上升趨勢,且先慢后快。這是因為隨老化時間延長,基質(zhì)瀝青中的瀝青質(zhì)含量增加,瀝青變得脆硬,老化加重。圖2([HTSS]a)中前6個月勁度模量增長相對緩慢,而后加快,這是因為進入6月夏季后,室外日照強度及氣溫上升,加速了瀝青老化。

      (3)隨老化時長增加,SBS改性瀝青的低溫性能先增加后降低。由圖2([HTSS]b)可知,隨老化時間延長,SBS改性瀝青的勁度模量呈先減小后增大的現(xiàn)象,這是因為在老化早期,SBS改性劑在日照和高溫作用下仍然會發(fā)生降解,在瀝青中分散更充分,從而提高瀝青低溫性能,抵消了瀝青老化帶來的影響,但隨時間延長SBS改性劑發(fā)生嚴重降解,瀝青老化加重,此時勁度模量開始反彈上升。

      4 結(jié)語

      本文分別通過PVA老化試驗與室外日照老化模擬瀝青長期與短期老化過程,開展軟化點試驗、針入度試驗及BBR試驗,并提出老化指數(shù)對瀝青老化行為展開研究,得出以下結(jié)論:

      (1)隨PAV老化時間延長或溫度升高,基質(zhì)瀝青的軟化點增加,針入度下降,這是因為隨老化程度加重,瀝青中的瀝青質(zhì)重組分增加,瀝青“變硬”;而SBS改性瀝青的軟化點出現(xiàn)先降低后增加的趨勢,這是因為前期SBS降解和后期瀝青老化加重共同作用的結(jié)果。

      (2)SBS改性瀝青的軟化點老化指數(shù)和針入度老化指數(shù)均高于基質(zhì)瀝青,說明SBS改性瀝青具備更優(yōu)良的抗老化性能。

      (3)隨室外老化時間延長,基質(zhì)瀝青持續(xù)老化,且在前6個月老化速率較慢,進入夏季后老化速率提高;SBS改性瀝青在老化前9個月低溫性能有所提高而后進入下降階段,這得益于SBS改性劑再降解在瀝青中分散更充分,從而使勁度模量升高。

      參考文獻:

      [1]李 晶,劉 宇,張肖寧.瀝青老化微觀機理分析[J].硅酸鹽通報,2014,33(6):1 275-1 281.

      [2]Sun L,Wang Y,Zhang Y.Aging mechanism and effective recycling ratio of SBS modified asphalt[J].Construction & Building Materials,2014(70):26-35.

      [3]馮振剛.紫外光吸收劑對瀝青性能的影響及其作用機理研究[D].武漢:武漢理工大學,2013.

      [4]徐國慶.不同熱歷史作用下SBS改性瀝青及其混合料性能演變規(guī)律研究[D].長沙:湖南大學,2019.

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