聚合物改性沥青流变性能研究进展王立志;毕飞;赵品晖【摘要】沥青是道路工程中应用最为广泛的道路结构材料,加入聚合物改性剂,可以改善沥青的流变性能,对改性沥青流变特性的研究可以进一步地了解其改性机理,使其更好地适应路面环境.运用流变指标分析聚合物改性性能成为新的研究方向.文章概述了聚合物改性沥青分类,分析了不同种聚合物改性沥青基于动态剪切流变试验中G指标(复数剪切模量G?、相位角δ、车辙因子G?/sinδ)、重复蠕变与恢复试验以及零剪切粘度方面流变指标的变化,总结了不同流变指标方面的差异,并展望了流变指标对于评价聚合物改性沥青性能的应用前景.【期刊名称】《山东建筑大学学报》【年(卷),期】2018(033)006【总页数】7页(P56-62)【关键词】聚合物改性沥青;流变学;车辙因子;相位角【作者】王立志;毕飞;赵品晖【作者单位】山东建筑大学交通工程学院,山东济南250101;山东建筑大学交通工程学院,山东济南250101;山东建筑大学交通工程学院,山东济南250101【正文语种】中文【中图分类】TU9960 引言由于道路交通流量的迅猛增长、行车荷载的增加以及交通渠化等因素的综合影响[1],现代交通对沥青路面的高温稳定性提出了更高要求,采用高性能的改性沥青材料成为提高沥青路面质量的关键技术措施之一[2]。
所谓改性沥青是指掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺改性剂,或采取对沥青轻度氧化得到低标号沥青等加工措施,制得的改善高温性能的沥青或沥青混合料[3]。
聚合物改性剂的加入,改善了沥青的流变性能,但改性沥青存在着高温条件下不易发生车辙及低温条件下不会硬化导致路面开裂等问题,因此,通过研究改性沥青的流变特性,可以进一步的了解其改性机理,从而能够更好的适应路面环境。
流变学理论是由Binham创立,目前将其定义为在力的作用下,材料流动和变形随时间变化与发展的规律。
通过流变学理论在沥青材料研究领域的运用和总结,发现其可以从沥青材料性能的本质解释不同情况下沥青的粘弹性能[4]。
沥青流变性能的实质就是固液两相共存,属于一种粘弹性的表现,但这种粘弹性不是材料在小变形下的线性粘弹性,而是在大变形、长时间应力作用下呈现的非线性粘弹性。
聚合物改性沥青因其优越的路用性能,是目前沥青路面中应用最多的改性沥青品种。
同时因其路用性能的需求和成本的限制,所选取的聚合物种类是不同的,其中因所选聚合物的不同可将其分为橡胶类改性沥青、热塑性橡胶类改性沥青和树脂类改性沥青,另外还包括复合改性沥青等聚合物改性沥青新技术[5]。
由于聚合物本身流变特性的差异,不同的聚合物改性沥青的流变性能表现出较大的差异。
1 聚合物改性沥青分类概述1.1 热塑性橡胶类改性沥青热塑性橡胶类主要是苯乙烯类嵌段共聚物,如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、苯乙烯-异戊二烯(SIS)、苯乙烯-聚乙烯-丁二烯-苯乙烯(SEBS)等嵌段共聚物,其兼有橡胶和树脂的特性。
随着科技的进步,SBS逐步取代了其他类型聚合物,成为世界上应用最广泛的道路沥青改性剂。
SBS是有苯乙烯段(PS)和丁二烯段(PB)组成的三嵌段共聚物,可以通过物料的掺比和催化剂来控制其分子结构包括嵌段比S/B、分子量和结构类型等。
SBS改性沥青因其兼具优越的高低温性能,可以降低沥青的感温性能,同时可提高抗老化性能和弹性恢复性能,且有较好的热储存稳定性[6-9]而广泛应用。
同时由于SBS和沥青性质的差异性导致其改性沥青的稳定性较差,许多学者发明了诸多方法,包括添加稳定剂(如硫[10-12])、SBS与其他改性剂(聚合物[13]、无机填料[14-16])复合、SBS接枝改性[8,17],解决改性沥青的稳定性问题。
随着科技的进步,SBS逐步取代了其他类型聚合物,成为世界上应用最广泛的道路沥青改性剂。
1.2 橡胶类改性沥青20世纪60、70年代,我国已经开始了对于橡胶粉改性沥青的研究,并且修建了大量的试验路段,伴随着科技水平的进步和对于研究的进一步了解,其研究经验趋于成熟,加快了沥青路面的发展进程。
在20世纪80、90年代,江西、四川等省开始大面积的铺筑橡胶粉改性沥青路面,经过数年的路面负载,其路面的高温稳定性能以及低温抗开裂性能有了明显的改善,并且能够有效减少裂缝等路面损害的发生。
目前,橡胶主要有天然橡胶、合成橡胶和再生橡胶3大类。
而在道路工程应用中,主要是使用合成橡胶制备改性沥青。
其中,丁苯橡胶(SBR)是合成橡胶中应用最多的改性剂。
对于SBR和沥青物理共混来说,加入一定的硫系交联剂后,其老化前后流变特性得到了很大的改善[12],同时其软化点得到了明显的提升[18],体系变得更稳定[19]。
葛泽峰研究了胶粉加入沥青中进行改性后,其中饱和分、芳香分含量略有下降,沥青质稍有增加,胶质却明显增加,可以得到在胶粉改性沥青的制备过程中,发生了一系列物理化学变化,导致类似于饱和分的低分子量化合物发生聚合反应生成与类似胶质等分子量较大物质[20]。
王笑风等研究表明,橡胶沥青中的胶粉吸收了基质沥青中的轻组分,发生溶胀反应,在胶粉表面吸附沥青进而形成界面层,溶胀后的胶粉生成网状结构,对游离沥青的流动形成阻尼作用,从而改善其流变性能,提高其高温稳定性[21]。
由于橡胶类改性沥青具有优良的抗低温开裂性能,在高寒地区优于SBS改性沥青,使用量较多。
1.3 树脂类改性沥青树脂一般可分为热塑性树脂和热固性树脂。
而在沥青改性中应用较多的是聚乙烯(PE)和乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)。
PE和EVA是聚合物改性沥青发展之初使用最多的改性剂。
研究表明:往沥青中掺加PE,可以显著改善沥青的性能,也能使其混合料的低温抗开裂、高温抗车辙等性能得以改善。
同时通过薄膜烘箱老化试验及长期紫外照射发现PE具有减缓沥青老化的功能[22]。
EVA也具有与PE相当的效果,其高温性能甚至要高过SBR等聚合物,且施工简单。
但是PE和EVA改性沥青均存在热储存稳定性差的问题,容易出现离析分层,因此解决好这一问题是其能否大量应用的关键所在。
为此部分学者通过聚合物接枝的方式克服此问题,取得了一定的效果,减少了蜡的析出,大幅增加了沥青的延度[23]。
1.4 复合改性沥青由于单一改性剂所制备的改性沥青或多或少在某方面的性能会有缺陷或存在问题,以及某一改性剂价格过于昂贵,需要部分用价格低廉的改性剂来代替以降低成本。
为此一种新型的沥青改性技术——复合改性得到了发展和应用。
所谓复合改性沥青是指由于单一的改性沥青往往只能对某一方面的性能进行改善,而对其他方面的性能没有加强,甚至会损失一部分性能；将2种或多种改性剂复合使用,能够充分发挥其改性剂的作用,弥补相互之间的缺陷,对于制备高性能或特殊用途的改性沥青材料具有重要的意义。
利用废橡胶和废塑料对路用沥青进行改性,可以提高沥青的高温稳定性、低温抗裂性、抗老化性和耐久性,并且能够明显地降低路面噪音,减少路面光污染,提高路面抗滑能力。
此外,考虑成本,选取若干种价格昂贵和价格低廉的改性剂进行复配,整体上控制成本。
废旧胶粉储量较大但其改性沥青的低温性能欠佳,胶粉/SBS复合改性沥青的性能明显优于胶粉改性沥青,而稍逊于SBS改性沥青。
同理,废旧塑料也存在同样的问题,针对SBS与EVA复配制备改性沥青也早已开始研究,发现聚合物能与沥青很好的相容且相界面模糊,添加稳定剂后其热储存稳定性明显改善。
聚合物改性沥青所选取的聚合物种类是不同的,需要与施工地环境相结合,因地制宜地选用聚合物改性沥青。
2 聚合物改性沥青流变性能评价指标研究进展目前,我国表征沥青高温性能的指标主要包括针入度、软化点、黏度等常规指标。
而在美国SHRP规范中,以反映沥青的流变指标(复合模量、车辙因子等)来代替传统的常规技术指标,完善了改性沥青的评价方法[24],但是这些指标不能够完全表征沥青的性质。
孙艳娜等认为现行的指标对于表征热塑性橡胶类沥青较为合适,但对于Duroflex改性沥青和岩沥青等过于苛刻,还需改进[25]。
Shenoy提出了新的抗车辙因子G∗/(sinδ)9和代替原来的G∗/sinδ[26]。
同时,通过动态剪切流变仪进行重复蠕变与恢复试验,利用延迟弹性变形分析沥青的变形恢复特性,作为动态剪切流变试验的补充,能够更加精准的描述沥青的流变性能[4]。
Bahia等也提出用零剪切黏度ZSV作为评价沥青高温流变性能研究的补充指标[27]。
聚合物改性沥青流变学主要研究了其改性沥青的流动性和粘弹性,通过动态剪切流变试验、重复蠕变与恢复试验以及零剪切粘度试验等,得到与其相关的相位角、车辙因子、蠕变柔量、粘度等数据,表征其在不同环境气候下对于高温稳定性的影响。
2.1 动态剪切流变性能在沥青材料的动态剪切流变试验中 ,可以确定结合料的复数剪切模量 G∗和相位角δ,其中δ是施加应力与应变响应的度量,反映了材料粘弹性成分的比例,相位角越大,材料的响应越延迟,粘性成分的比例就越大。
因此,可以通过记录相位角的变化来分析材料粘弹性的变化特征。
车辙因子G∗/sinδ是美国“高性能沥青路面”规范中用以表征沥青结合料的抗车辙变形能力的指标,G∗/sinδ越大,结合料的高温抗车辙能力越明显[28]。
通过动态剪切流变试验,采用周期性的应力和应变的震荡,得到了复数模量G∗和温度的关系。
研究表明,橡胶沥青的复数模量G∗随着温度的逐渐升高而下降,这是沥青从低温的高弹态向高温的粘流态逐渐转化的过程,因此G∗会出现降低现象。
复数模量表示沥青抵抗变形的总能力,SBR橡胶改性沥青的G∗值较基质沥青有了显著提高,这表明SBR橡胶沥青比基质沥青有更好的高温抗车辙能力[29]。
对于热塑性橡胶改性沥青来说,随着SBS掺量的提高,SBS改性沥青的复数模量增加,特别是掺量＞3%时,G∗的增加幅度最为明显,说明SBS对于改善沥青路面的抗变形能力具有显著效果[30]。
通过研究PE改性沥青的流变学,得到PE改性沥青的复数模量G∗随着试验温度的不断提高而逐渐下降,但在同一温度下,仍然高于基质沥青的数值。
并且在相同温度下,逐渐增加PE改性剂的掺量,PE改性沥青的复数模量G∗呈现递减趋势[31]。
储存模量G′是反应材料弹性性能的基本指标,沥青的弹性性能随着G′的增大而逐渐显著。
钟阳等通过研究橡胶沥青的动态剪切流变试验得到,无论是未经老化还是经过旋转薄膜烘箱老化试验老化之后,橡胶沥青的G′均都随着温度的升高而逐渐下降[32]。
但橡胶沥青G′高于基质沥青的,表明随着橡胶粉的加入,显著改善了沥青的弹性性能。
而且,在同一温度下,对于胶粉含量较高的橡胶沥青,其G′也相对较高。
随着SBS掺量增加,SBS改性沥青的储存模量和损耗模量都在增加,形成稳定的空间网络结构,大幅增加损失模量G″,进而改善所筑路面抵抗永久变形以及疲劳开裂的能力[33]。