陳輝強(qiáng)，蘭 滔，熊 亮

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

西部高海拔地區(qū)具有氣溫低、晝夜溫差大、紫外輻射強(qiáng)的特點(diǎn)，相較于平原地區(qū)，瀝青路面在長(zhǎng)期使用過(guò)程中更易出現(xiàn)低溫開(kāi)裂和疲勞開(kāi)裂等病害。SBR改性瀝青以其優(yōu)良的低溫性能在中國(guó)西部高海拔地區(qū)得到廣泛使用，但高溫性能不足限制了其在日溫差大的高海拔地區(qū)的應(yīng)用[1-2]。此外，強(qiáng)烈的紫外輻照作用也會(huì)加速瀝青的老化[3]。為改善SBR改性瀝青的高溫性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，取得了一定的成果[4-6]。尹應(yīng)梅等在SBR改性瀝青中添加溫拌劑，以改善其高溫性能，但效果不佳[7]；孫培等為改善SBR改性瀝青的高溫性能，選取納米CaCO3作為改性劑，制備了CaCO3/SBR復(fù)合改性瀝青，改性后瀝青高溫性能有所提高，但低溫性能有所下降[8]。相關(guān)研究表明，經(jīng)摻加不同劑量TPS改性后的瀝青，不僅高溫性能提升顯著，而且其抗老化性能亦有所提高[9-11]?；诖?，本文采用高速剪切法制備TPS-SBR復(fù)合改性瀝青，擬改善SBR改性瀝青的高溫性能和耐老化能力，并系統(tǒng)研究復(fù)合改性瀝青的制備工藝和合理?yè)搅浚M(jìn)而對(duì)比分析SBR改性瀝青和復(fù)合改性瀝青的老化性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青為韓國(guó)GS90#瀝青，SBR改性劑為山東顯元化工科技有限公司生產(chǎn)，TPS改性劑為日本良園商事株式會(huì)社生產(chǎn)。基質(zhì)瀝青的基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 韓國(guó)GS90#瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 主要儀器與設(shè)備

主要儀器與設(shè)備包括：SYD-2801F針入度試驗(yàn)器，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司；SYD-2806E全自動(dòng)瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)器，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司；SYD-4508C瀝青延度試驗(yàn)器，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司；CS 325-B RTF Controller旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱，James Cox & Inc； 9300 PAV長(zhǎng)期壓力老化機(jī)，Alloy Fabricators Inc； BMZ-200L高剪切混合乳化機(jī)， 上海威廣機(jī)械制造有限公司；紫外老化加速箱，天津市港源試驗(yàn)儀器廠。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 改性工藝的確定

通過(guò)研究剪切速率、剪切時(shí)間及剪切溫度等因素對(duì)改性瀝青三大指標(biāo)的影響規(guī)律，確定合理的改性工藝。

1.3.2 復(fù)合改性瀝青的老化性能測(cè)試

通過(guò)測(cè)試GS90基質(zhì)瀝青、SBR改性瀝青和TPS-SBR復(fù)合改性瀝青分別依次經(jīng)歷短期老化、長(zhǎng)期壓力老化及紫外老化各個(gè)階段的高低溫性能，評(píng)價(jià)其抗老化作用。

1.3.3 紫外老化試驗(yàn)老化時(shí)間換算

圖1 紫外老化樣品

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合改性瀝青的制備工藝

2.1.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究表明[14-16]，制備工藝和改性劑摻量對(duì)改性瀝青性能均有較明顯的影響。本文通過(guò)研究剪切速率、剪切溫度、剪切時(shí)間、發(fā)育時(shí)間及發(fā)育溫度對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響，來(lái)確定復(fù)合改性瀝青的制備工藝。本次試驗(yàn)采用五因素四水平的正交表進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)一共包含16組，具體試驗(yàn)方案及測(cè)試結(jié)果如表2、3所示。

2.1.2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

根據(jù)表4的測(cè)試結(jié)果，采用正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法計(jì)算各指標(biāo)極差，結(jié)果見(jiàn)表4和圖2。

由表4和圖2的正交試驗(yàn)結(jié)果可知：對(duì)復(fù)合改性瀝青針入度指標(biāo)而言，剪切速率因素對(duì)其影響最大，其他4個(gè)因素影響相對(duì)較小且影響水平相當(dāng)；對(duì)軟化點(diǎn)指標(biāo)而言，剪切溫度和剪切時(shí)間因素影響最大；對(duì)低溫延度而言，剪切溫度因素影響最大，其次是發(fā)育溫度和剪切時(shí)間?？紤]到本次制備的復(fù)合改性瀝青以低溫性能優(yōu)良為目標(biāo)，同時(shí)又必須滿足規(guī)范要求的高溫性能，故不考慮剪切速率對(duì)復(fù)合改性瀝青針入度的影響。通過(guò)正交試驗(yàn)，以性能目標(biāo)為導(dǎo)向，確定復(fù)合改性瀝青制備過(guò)程中應(yīng)該著重考慮剪切溫度和剪切時(shí)間對(duì)其性能的影響。

表2 正交試驗(yàn)因素及水平

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 極差分析

圖2 因素水平對(duì)復(fù)合改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)和5 ℃延度的影響

2.2 最佳制備工藝的確定

由正交試驗(yàn)結(jié)果分析可知，剪切溫度和剪切時(shí)間因素對(duì)改性瀝青高低溫性能影響最大，而其他因素影響相對(duì)較小。考慮到正交試驗(yàn)簡(jiǎn)單對(duì)比法的不足與局限，分別對(duì)剪切溫度和剪切時(shí)間采用單因素分析法確定改性瀝青最佳制備工藝，其他因素控制為：剪切速率5 000 r·min-1、發(fā)育時(shí)間35 min、發(fā)育溫度140 ℃。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5、6。

表5和表6表明：隨著剪切溫度升高，改性瀝青針入度先增大后減小，軟化點(diǎn)先減小后增大，5 ℃延度先增大后減小，當(dāng)剪切溫度為165 ℃時(shí)，改性瀝青5 ℃延度達(dá)到最大值；隨著剪切時(shí)間延長(zhǎng)，改性瀝青針入度增大，軟化點(diǎn)減小，5 ℃延度先增大后減小，當(dāng)剪切時(shí)間為60 min時(shí)，改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)較優(yōu)。故剪切溫度確定為165 ℃，剪切時(shí)間為60 min。

表5 剪切溫度對(duì)TPS-SBR復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)的影響

表6 剪切時(shí)間對(duì)瀝青性能指標(biāo)的影響

綜上所述，復(fù)合改性瀝青的制備工藝為：將基質(zhì)瀝青加熱到140 ℃±2 ℃，同時(shí)加入稱量好的SBR和TPS，手動(dòng)攪拌3 min，溶脹30 min后將溫度升至165 ℃，開(kāi)啟高速剪切機(jī)，以5 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速高速剪切60 min，剪切完成后在140 ℃下攪拌發(fā)育35 min至氣泡完全消失。

2.3 改性劑最佳摻量

依照上節(jié)確定的最佳制備工藝，固定復(fù)合改性瀝青中SBR摻量分別為瀝青的3%和4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))不變，改變TPS的摻量，研究相同SBR摻量下添加不同量TPS制得的復(fù)合改性瀝青路用性能的變化規(guī)律，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7及圖3、4。

表7 不同改性劑摻量下復(fù)合改性瀝青的三大指標(biāo)

圖3 軟化點(diǎn)變化曲線

圖4 延度變化曲線

由表7及圖3、4可知：TPS-SBR復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)隨著TPS改性劑摻量的增加而升高，尤其在TPS摻量高于于6%時(shí)，這種增長(zhǎng)趨勢(shì)更加突出；TPS-SBR復(fù)合改性瀝青的低溫延度則隨著TPS改性劑摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的變化趨勢(shì)。對(duì)比分析曲線S1和S2可知，盡管隨著TPS改性劑摻量的增加二者都表現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，但更高的SBR摻量對(duì)應(yīng)著更優(yōu)良的低溫性能。綜合考慮復(fù)合改性瀝青的高低溫性能因素，確定SBR摻量為4.0%，TPS摻量為6.0%

2.4 抗老化性能評(píng)價(jià)

為探究SBR和TPS兩種改性劑對(duì)GS90基質(zhì)瀝青改性之后的抗老化性能的提升，本文使GS90基質(zhì)瀝青、SBR改性瀝青和TPS-SBR復(fù)合改性瀝青分別經(jīng)歷短期老化、長(zhǎng)期壓力老化及紫外老化，并測(cè)試它們?cè)诟鱾€(gè)階段的高低溫性能，評(píng)價(jià)其抗老化作用。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5、6。

圖5 老化對(duì)瀝青軟化點(diǎn)的影響

圖6 老化對(duì)瀝青5 ℃延度的影響

由圖5可知，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，3種瀝青的軟化點(diǎn)均表現(xiàn)出不同程度的上升，這與實(shí)際情況是相符的，瀝青路面使用時(shí)間增長(zhǎng)，老化嚴(yán)重，瀝青輕質(zhì)組分揮發(fā)，黏性變大，故高溫抗變形能力變好。3種瀝青在經(jīng)歷了短期老化以后，軟化點(diǎn)變化較小；經(jīng)歷了長(zhǎng)期壓力老化以后，軟化點(diǎn)增幅較大；除了基質(zhì)瀝青，其他2種瀝青在經(jīng)歷紫外老化后，軟化點(diǎn)均有一定程度的增加，但其影響小于長(zhǎng)期壓力老化。綜合分析可得，幾種老化對(duì)基質(zhì)瀝青高溫性能的影響程度從大到小依次為紫外老化、長(zhǎng)期壓力老化、短期老化，對(duì)SBR改性瀝青高溫性能的影響程度從大到小依次為長(zhǎng)期壓力老化、紫外老化、短期老化，對(duì)復(fù)合改性瀝青高溫性能的影響程度從大到小依次為長(zhǎng)期壓力老化、短期老化、紫外老化。由表9可知，GS90基質(zhì)瀝青、SBR改性瀝青、TPS-SBR復(fù)合改性瀝青經(jīng)歷3種老化方式后，其軟化點(diǎn)相較于原樣瀝青分別增加了31.2%、27.2%、18.1%，表明復(fù)合改性瀝青抗老化能力最優(yōu)。

表9 老化前后3種瀝青的軟化點(diǎn) ℃

表10 老化前后3種瀝青的5℃延度 cm

由圖6可知，隨著老化時(shí)間增長(zhǎng)，3種瀝青的低溫延度減小，這表明瀝青在老化作用下低溫抗變形能力減弱。3種瀝青在經(jīng)歷3種老化方式后，低溫延度的減幅從大到小依次為紫外老化、長(zhǎng)期壓力老化、短期老化，表明紫外老化對(duì)瀝青低溫性能影響最大。復(fù)合改性瀝青低溫性能優(yōu)良，同時(shí)經(jīng)歷短期老化、長(zhǎng)期老化和紫外老化后，其低溫性能同樣大幅度降低，但仍高于SBR改性瀝青。從表10可知，GS90基質(zhì)瀝青、SBR改性瀝青、TPS-SBR復(fù)合改性瀝青經(jīng)歷3種老化方式后，其5 ℃低溫延度相較于原樣瀝青分別降低了86.4%、83.7%、56.9%，表明相較于SBR改性瀝青，TPS-SBR復(fù)合改性瀝青的抗老化性能尤其是抗紫外老化性能得到了更進(jìn)一步的提升，有利于增強(qiáng)復(fù)合改性瀝青在高海拔強(qiáng)輻照山區(qū)的適應(yīng)性。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)剪切溫度和剪切時(shí)間因素對(duì)復(fù)合改性瀝青高低溫性能影響較大。TPS-SBR復(fù)合改性瀝青的最佳制備工藝為：將基質(zhì)瀝青加熱到140 ℃，同時(shí)加入稱量好的SBR和TPS改性劑，手動(dòng)攪拌3 min，溶脹30 min后將溫度升至165 ℃，開(kāi)啟高速剪切機(jī)，以5 000 r·min-1的速度高速剪切60 min，剪切完成后在140 ℃下攪拌發(fā)育35 min至氣泡完全消失。

(2)最佳制備工藝下，復(fù)合改性瀝青改性劑的合理?yè)搅繛镾BR4%、TPS6%。

(3)相較于基質(zhì)瀝青，SBR改性瀝青的高低溫性能均得到一定提升，但其抗老化能力提升有限，而TPS-SBR復(fù)合改性瀝青的高低溫性能優(yōu)于SBR改性瀝青，且其抗老化性能尤其是抗紫外老化性能明顯得到了進(jìn)一步改善。