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    不同外加劑對瀝青PG分級影響研究進展

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    不同外加劑對瀝青PG分級影響研究進展

    發布日期:2020-12-14 作者:李純 等 點擊:

    摘 要

    瀝青PG分級體系是基于瀝青流變性能提出的一種分級方法,其主要性能參數包括復數剪切模量、相位角、車轍因子、蠕變勁度及其變化率,系統介紹了溫拌劑、橡膠粉、SBS等不同外加劑對瀝青PG分級影響的研究現狀,旨在為瀝青性能的提高和添加劑的選擇提供參考。


    關鍵詞

                      PG分級 | 流變性能 | 外加劑

    PG(PerformanceGrade)分級是美國20世紀90年代SHRP(StrategicHighwayResearchProgram,戰略公路研究計劃)計劃的研究成果,是Superpave(SuperiorPerformingAsphaltPavement,高性能瀝青路面)成果之一,該分級體系通過測試瀝青的流變性能,依據瀝青適用的路面Z高溫度和Z低溫度對瀝青材料進行分級,完全顛覆了傳統的按照25°C針入度和60°C動力黏度進行分級的方法[1]。  PG分級體系Z大的區別是突破了以往經驗性的試驗方法,采用全新的試驗方法對瀝青不同溫度下的流變性能進行測試,其中動態剪切流變儀試驗(DSR)來測試瀝青高溫和中等溫度下的性質,彎曲梁試驗儀試驗(BBR)來測試瀝青低溫下的性質,旋轉薄膜烘箱試驗(RTFOT)來模擬在生產熱拌瀝青混合料過程中瀝青發生的短期老化過程,PAV(PressurizedAgingVessel)壓力老化罐試驗來模擬瀝青路面使用后長期老化過程。

     

    瀝青是一種粘彈性流體,研究發現不同材料對瀝青的PG分級有一定程度的影響,基千此,本研究總結了目前國內外相關研究成果,介紹了溫拌劑、橡膠粉、SBS等不同材料對瀝青PG分級性能的影響,為瀝青性能的提高和添加劑的選擇提供參考。

    PG分級流變性能參數

    復數剪切模量和相位角

    復數剪切模量G*和相位角δ是用來表征瀝青粘彈性能Z基本的兩個參數,可以通過動態剪切流變儀試驗(DSR)測得。復數剪切模量G*越大,材料抵抗應力的能力越強;相位角8反映了瀝青結合料彈性(儲能模量G')與粘性(損耗模量G'')成分的比例,δ值越大,瀝青中粘性成份所占比例越大,即變形不可恢復的部分越大,越容易產生永久變形。

    圖片1.png

     

    車轍因子

    美國Superpave瀝青結合料性能規范中,以原樣瀝青及旋轉薄膜烘箱加熱后殘留瀝青的車轍因子|G*|/sinδ(其中lG*I為瀝青材料的復數剪切模量,δ為瀝青材料相位角)作為瀝青高溫性能的評價指標,要求原 樣瀝青|G*|/sinδ不低于1.0kPa,RTFOT后殘留瀝青|G*|/sinδ不低于2.2kPa,|G*|/sinδ越大,PG分級的溫度等級越高,表明瀝青的高溫性能越好,其抗流動變形能力也越強。

    蠕變勁度及其變化率

    Superpave瀝青結合料性能規范中,以瀝青結合料BBR試驗指標彎曲蠕變勁度模量S和蠕變曲線斜率m(勁度模量對荷載作用時間的曲線斜率)作為評價瀝青結合料的低溫抗裂性能評價指標,要求RTFOT和PAV后殘留瀝青的S不大于300kPa,m不小千0.3。蠕變勁度模量S表征瀝青膠漿的柔性,S值越小,表示其低溫抗開裂性能越好;蠕變曲線斜率m表征瀝青膠漿的松弛性能,m值越大,表明其應力釋放速度越快,松弛能力越強,低溫抗裂性能越好。

     圖片2.png


    外加劑對瀝青PG分級性能的影響

    溫拌劑

    溫拌瀝青是一種節能環保的新材料,與傳統的熱拌瀝青相比,具有拌和、壓實溫度更低,瀝青煙排放量更少等優點。目前,主流瀝青溫拌技術分為三大類:有機添加劑技術、乳化瀝青技術和發泡技術,其技術關鍵在于如何降低瀝青在較低溫度下的拌和黏度而且不對其路用性能產生損害。

     

    沙索蠟是合成氣經過費托工藝生產得到的長鏈脂肪族烴,它是一種高熔點蠟,能夠降低瀝青的高溫黏度,從而提高其路用性能,因此應用更為廣泛。國內外研究發現以沙索蠟為代表的有機降粘型溫拌劑對瀝青的PG分級性能具有較大的影響。Zhang等[3]采用沙索蠟為溫拌劑,考察了不同沙索蠟摻量對瀝青流變性能的影響,發現沙索蠟的加入提高了瀝青的復數模量而且降低了相位角,使得車轍因子有所增加,從而提高了瀝青的PG高溫性能;隨著沙索蠟摻量的增加,同一溫度下的車轍因子呈線性增加的趨勢;此外,對于70號基質瀝青而言,需要添加至少3%的沙索蠟才能使得瀝青的PG高溫等級提高一個級別,而90號基質瀝青則至少需要添加5%的沙索蠟才能達到同樣的效果。譚憶秋[4]采用SPSS軟件對沙索蠟含量與瀝青流變性能指標(包括復數模量、相位角以及車轍因子)進行了相關性分析,發現沙索蠟的含量與相位角之間的相關系數較大,說明沙索蠟的加入對瀝青的相位角影響顯著。剛增軍[5]考察了沙索蠟溫拌劑對橡膠瀝青的高低溫性能的影響,發現摻入溫拌劑后,橡膠瀝青的車轍因子增大,蠕變勁度增加,蠕變速率降低,說明其抗高溫車轍能力增強,抗低溫開裂能力減弱,綜合考慮推薦溫拌劑摻量為2.5%~3%。

     

    Aspha-min是一種合成沸石,其主要成分為鋁硅酸鈉,含水率高達21%[6]。Aspha-min摻入瀝青后形成的水蒸氣誘發瀝青發泡,從而降低其黏度,使得瀝青混合料生產施工溫度降低25~30℃[7,8]。Biro[9]指出發泡型溫拌劑對瀝青結合料流變性能的影響可以忽略。劉克非[10]對比了Aspha-min與沙索蠟這兩種溫拌劑對瀝青PG分級性能的影響,發現沙索蠟的加人對瀝青的PG分級產生強化作用,且在正常范圍內摻量越高影響越大,而Aspha-min的加入則影響不大,說明溫拌劑對瀝青PG分級的影響與其種類、含量等均有關。

    橡膠粉

    橡膠瀝青是伴隨著道路行業的發展與輪胎的再生利用而開發的一類改性瀝青產品。利用廢橡膠粉作為瀝青改性劑,既可以將廢舊輪胎變廢為寶,又可以改善瀝青及其混合料的路用性能,具有較好的發展前景。

     

    米寧[11]通過向70號基質瀝青中摻入不同含量(0%,5%,10%,15%)的橡膠粉來制備橡膠改性瀝青,并采用頻率掃描的方式來研究橡膠瀝青的動態剪切流變性能,發現同一溫度條件下,改性瀝青的復數剪切模量隨著橡膠粉摻量的增加而逐漸增大,說明其抗變形能力不斷增強。張鵬[12]則通過采用溫度掃描的方式來研究橡膠瀝青的動態剪切流變性能,發現同一頻率條件下,隨著橡膠粉摻植(0%,5%,10%,15%,20%,25%)不斷增加,改性瀝青的復數剪切模量逐漸增大,其相位角不斷減小,故而車轍因子不斷增大,抗車轍性能顯著提高;通過考察改性瀝青的低溫蠕變性能,發現橡膠粉改性瀝青的勁度模量S值和蠕變速率m值均隨著橡膠粉摻量的增加而減小,且適當的橡膠粉摻量可以使得改性瀝青的PG低溫等級有所改善。黃松[13]指出向70號基質瀝青中摻入適當橡膠粉大幅度增加了車轍因子,從而能夠有效提高瀝青的PG高溫等級。連真毅[14]發現橡膠粉對瀝青高溫流變性能的提升存在Z佳摻量,當橡膠粉摻量達到28%時,橡膠瀝青的相位角增大,復數剪切模量減小,車轍因子隨之減小,這主要是由于橡膠粉摻量過高會阻礙膠粉的溶脹反應及膠粉間的交聯作用,使得橡膠瀝青的高溫抗剪切能力反而減弱。

     

    此外,不少研究者探討了橡膠粉摻量對瀝青高溫流變性能影響的作用機理,認為向基質瀝青中摻入橡膠粉后,瀝青中輕質組分被膠粉吸收,彈性組分比例升高,導致相位角δ減??;同時膠粉吸收瀝青以后,發生溶脹作用,從而形成了膠粉與瀝青連續或者相互交錯連續的三維空間結構,增加了瀝青高溫抗剪切能力,導致復數剪切模量G*增加[15-17]。

    苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)

    SBS是苯乙烯類嵌段共聚物,具有良好的彈性、變形自恢復性和裂縫自愈性,能夠顯著提高瀝青的高低溫性能及抗疲勞性能,因而目前是應用Z為廣泛的一類瀝青改性劑。在SBS改性瀝青的制備過程中,SBS經過高速剪切的作用交聯千瀝青內部并形成三維網狀結構,不僅使得瀝青的常規性能指標(針入度、軟化點等)發生變化,而且對瀝青的粘彈特性具有顯著影響。

     

    暢潤田[18]考察了不同摻量(0%,1%,3%,5%,7%)的SBS對改性瀝青流變性質的影響,發現SBS的加入使改性瀝青的復數剪切模量增加,相位角減小,并且摻量越大變化幅度越大,說明SBS可以顯著提升瀝青的抗變形能力。楊國明[19]通過頻率掃描、彎曲梁流變試驗(BBR)等方式研究了不同結構的SBS對改性瀝青高低溫性能的影響,發現SBS改性劑能顯著提高瀝青的儲存模量和損失模量,提升瀝青黏彈性能;且相比于星型SBS改性劑而言,線型SBS改性劑更能有效提升瀝青低溫性能。劉振玉[20]采用動態剪切流變試驗(DSR)分析了技術指標對老化前后改性瀝青PG分級的影響,發現與基質瀝青相比,經過短期老化后SBS改性瀝青的車轍因子增加量較小,PG高溫等級會降低。

    其他外加劑

    除了溫拌劑、橡膠粉及SBS等主流外加劑外,某些新型材料的摻入也會影響瀝青PG分級及其流變性能。冉龍飛[21]利用膨潤土特殊的"層狀結構",通過有機化"插層"預處理來制備納米膨潤土改性瀝青,發現瀝青的PG等級由PG64-22提高到PG70-22,說明納米膨潤土的摻人能夠提高瀝青的高溫抗變形能力,但對低溫抗開裂性能無明顯影響。馬峰[22]研究了氫化    苯乙烯—丁二烯嵌段共聚物(SEBS)對橡膠瀝青低溫流變性能影響,發現SEBS的摻入對低溫蠕變速率無明顯影響,但能夠顯著減小瀝青蠕變勁度,降低其PG低溫連續分級溫度(TLC),從而提高其低溫抗裂性能。

    結論與展望

    不同外加劑的摻入對瀝青的PG分級及其性能參數具有一定的影響,沙索蠟溫拌劑能夠提高瀝青的PG高溫性能,但會對PG低溫性能造成一定程度的損害,而適宜摻量的橡膠粉和SBS能夠同時改善瀝青的PG高低溫性能,因此在制備改性瀝青時充分考慮到不同種類的外加劑對改性瀝青流變性能的影響,并根據不同的技術要求合理選擇外加劑,從而提高改性瀝青的PG分級性能。

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    全文完。首發于《石油瀝青》2020年4月。

     

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