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胶粉改性沥青评价指标及试验方法适应性分析

发布日期:2015-06-02 11:15:15
胶粉改性沥青作为一种新型建筑材料,已经被广 泛应用于公路建设领域。该材料作为橡胶粉和沥青的 混熔体系,其胶体结构中未能形成微观网络加劲结构, 与传统的SBS等聚合物改性沥青有着本质的不同,其 依靠橡胶粉颗粒在混熔过程中形成的凝胶膜而相互连 接,从而形成粘度较大的半固态连续相体系,技术性能 主要取决于混熔体系结构的变化。
众所周知,中国现行规范JTG F40-2004《公路沥 青路面施工技术规范》和JTJ 052 — 2000《公路工程沥 青与沥青混合料试验规程》对于改性沥青的评价指标 和试验方法主要基于传统的聚合物改性沥青的技术特 点而制定,用其对胶粉改性沥青进行性能评价和质量 控制显然不很合理。因此,有必要针对胶粉改性沥青 混熔体系作用机理和半固态连续相的结构特点,对现 行的各种评价指标和试验方法进行适应性分析,以推 荐和确定适用于胶粉改性沥青改性机理并能真正有效 反映其技术性能的评价体系,从而指导生产和应用。
目前,国内外主要基于界面理论和溶解度理论定 性研究胶粉改性沥青混熔作用机理。通过对两种材料 混熔体系发育、形成及稳定过程的分析,可以认为胶粉 颗粒在与基质沥青髙温充分混合条件下,逐步发生熔 胀、吸附、脱硫、降解等一系列的物理化学反应:首先是 橡胶粉吸收沥青中的轻质成分而熔胀并粘聚,同时在 颗粒表面形成沥青质含量较髙的凝胶膜,随着反应时 间的增加,胶粉通过凝胶膜连接,形成一个粘度较大的 半固态连续相的混熔体系;伴随着橡胶粉与沥青的熔 胀过程,部分橡胶粉还会发生脱硫和分子降解过程,交 联剂硫、抗老化剂等外加剂和炭黑等活性成分会通过 界面交换作用进人沥青胶体体系,而未裂解的橡胶粉 在沥青悬浮液中均匀分布,最终使混熔体系达到相对 稳定状态。
总体上来说,胶粉颗粒和基质沥青的混熔作用过 程即胶粉颗粒不断熔胀并通过凝胶膜连接的过程,与 此同时,还伴随着少部分橡胶粉的脱硫和降解作用,使 其活性成分进人沥青胶体体系,而未发生裂解的橡胶 粉主要通过物理填充,起到增强沥青弹性性能和提髙 其抗裂性能的作用。整个混熔体系中,大部分橡胶粉 仅起到熔胀填充作用,仅有少部分橡胶粉通过裂解作 用而与沥青发生化学反应。
2评价指标及试验方法适应性分析
2.1高温稳定性分析
中国通常采用25 X:针入度、软化点、粘度、SHRP 体系中DSR动态剪切流变试验/sin5等指标来评价 沥青类材料的髙温稳定性能,笔者主要对上述指标及 对应的试验方法进行适应性分析。
(1) 25 X:针人度
由早期关于胶粉改性沥青的试验数据可知,基质 沥青在掺人橡胶粉以后,其针人度有所降低,而且针入 度将会随着橡胶粉掺量的增加及其粒径的减小而进一 步降低。这可以从胶粉改性沥青改性机理得以解释: 橡胶粉加入到基质沥青以后,吸收轻质组分而膨胀,使 沥青质含量相对增加,沥青胶体结构进一步向溶凝胶 型及凝胶型结构发育,橡胶粉掺量越多、粒径越细,其 发育就越成熟,使得沥青高温性能就越好。但是,需要 注意的是:胶粉改性沥青在发育过程中,溶胀后的橡胶 粉的体积将达到改性沥青体积的30%〜4〇%,这些熔 胀后的橡胶粉颗粒的存在会使目前针人度试验中常用 的标准针产生较大的随机误差,而且,在25 t:试验环 境下,橡胶粉颗粒的变形能力比沥青弱,若试针插到橡 胶粉颗粒体上时,会使针人度值偏小;而当试针插到橡 胶粉颗粒体外时,测得的针人度值又偏大,从而造成胶 粉改性沥青的针人度试验结果的离散性较大。
正是基于胶粉改性沥青这种特性,美国材料试验 协会ASTM及亚利桑那州技术标准中规定,将胶粉改 性沥青针入度试验的测试温度降至4 1C,试针增重至 200 g,锥入时间延长为60 s,希望能够通过在低温下 试验、增加试针重量以及延长锥入时间来减小橡胶粉 颗粒对试验精度的影响。因此,现行规范中25 X:针人 度指标不宜用作胶粉改性沥青的质量控制指标。
(2)软化点
现行规范采用环球法试验测试沥青材料的软化 点,橡胶粉在基质沥青中溶胀后形成高粘度的半固态 连续相体系,球在该体系中下沉阻力由周围胶粉改 性沥青的粘滞力来提供,粘滞力会随温度的上升而减 小,因此,用环球法测得的软化点在一定程度上可以反 映胶粉改性沥青的高温性能。但是,值得注意的是,胶 粉改性沥青是橡胶粉与基质沥青的混熔体系,橡胶粉 颗粒仅通过凝胶膜相互连接而未形成较强的化学粘 结,因此,软化点试验结果实际上更多的是反映橡胶粉 颗粒间的沥青轻质组分被吸收后的自由沥青的高温流 动性能,并不能全面反映胶粉改性沥青在该温度下的 髙温性能。而这点也可以从胶粉改性沥青软化点试验 数据中看出,虽然其粘度比SBS改性沥青高,但其软 化点却比SBS改性沥青低,而且胶粉改性沥青从开始 下坠到坠落到底的间隔时间明显比SBS改性沥青短, 从侧面可以证明橡胶颗粒之间没有形成类似SBS改 性沥青中的空间网络结构,主要是由橡胶颗粒间的自 由沥青起到抵抗钢球下落的阻力。
因此,软化点并不能完全反映胶粉改性沥青的高 温稳定性能,不能用软化点指标的大小来评价胶粉改 性沥青与其他改性沥青髙温性能的优与劣。但是,正 如上述分析,软化点测试结果主要反映橡胶颗粒间的 轻质组分被吸收的自由沥青的高温抗流动性能,因而 可以在一定程度上定性g映橡胶颗粒与基质沥青的相 互作用程度,即混熔体系的发育稳定程度。
(3)粘度
粘度是国内外对于胶粉改性沥青技术指标评价体 系中的关键指标,国内外胶粉改性沥青技术标准一般 将170〜180 X;范围内的旋转粘度作为其质量控制指 标。橡胶粉与基质沥青在高温充分混合状态下吸收沥 青轻质组分熔胀,同时在颗粒表面形成沥青质含量很 高的凝胶膜,熔胀后的橡胶粉通过凝胶膜连接而形成 粘度很大的半固态连续相体系。因此,橡胶粉的掺入 能够极大地提髙胶粉改性沥青的粘度,而且橡胶粉掺 量越大,其吸收沥青质的成分就越多,使剩余的沥青含 有较髙比值的沥青烯,从而使沥青粘度增大;而橡胶粉 粒径越小,目数越大,其比表面积越大,在沥青中溶胀 越充分,粘度就越大。因此,粘度指标在机理上适合胶 粉改性沥青材料。中国现行规范JTJ 052 —2000《公 路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求,在室内采用 标准的布洛克菲尔德粘度计测试旋转粘度,而粘度值 与转子型号、转速、测试方法等都有关系。交通部公路 科学研究院相关研究表明:27号转子以及20 r/rnin 的转速更适用于测试胶粉改性沥青的粘度,温度宜控 制为170〜180 X:。综合考虑胶粉改性沥青的施工性 能,为便于碾压成型,建议将其粘度控制在1. 5〜3. 5 Pa • s之间。
(4)G* /siM 指标
GVsin5指标是SHRP体系中对沥青胶结料髙温 抗流动性能的评价指标,该指标基于动态剪切试验原 理来测定沥青材料的高温性能。是沥青材料在动 态剪切状态下的复数模量4是相位角,用于反映沥青 的粘性性状3越大,说明流体材料的力学相应部分粘 性越大,产生残余变形的可能性也大。因此,采用 CT/sh^来评价沥青等流变性材料的高温性能,它的 实际物理意义就是损失剪切柔量的倒数,数值越大,则 说明损失剪切柔量越小,弹性越大,抗车辙能力越强。 SHRP体系认为CT /siM指标能够对沥青胶结料在路 面工作温度下的行为状态进行更完整的描述。
综上所述,宜采用170〜180 °C下的旋转粘度作为 胶粉改性沥青高温稳定性能的关键控制指标,旋转粘 度值宜控制在1. 5〜3. 5 Pa • s之间;而软化点可以作 为参考指标,能够定性反映橡胶粉与基质沥青混熔体 系的反应发育程度,但不能作为胶粉改性沥青与其他 改性沥青高温性能优劣的评价指标;25 t;针入度试验 操作随机误差较大,数据离散性较大,不宜用于评价胶 粉改性沥青的高温性能。
2.2低温抗裂性分析
结合现行规范,国内通常采用低温延度、当量脆点 IY2、SHRP体系中弯曲梁流变试验蠕变劲度S 等来评价沥青类材料的低温抗裂性能,笔者主要对上
述指标及对应的试验方法进行适应性分析。
(1)低温延度
早期关于胶粉改性沥青的低温延度试验数据表 明,不同粒径、不同掺量的胶粉改性沥青在5 X:下的延 度值甚至比基质沥青还小,延度值随着橡胶粉掺量的 增加及其粒径的减小会有所增加,但是增加幅度较小。 虽然,胶粉改性沥青的低温延度值比基质沥青小,但却 不能就此认为胶粉改性沥青的低温性能较差。这主要 是由于胶粉改性沥青不同于SBS等聚合物改性沥青, 主要靠橡胶粉颗粒周围的凝胶膜连接,未能形成像 SBS改性沥青一样的加劲网络结构,延度试件在5 TC 受拉时,基质沥青比橡胶颗粒的模量低,在拉伸方向产 生较大的应变,自由沥青的大变形能力和橡胶粉颗粒 的低流动能力的矛盾趋于尖锐,使得橡胶粉颗粒与沥 青界面产生应力集中,从而导致试件提前拉断。胶粉 改性沥青在5 C温度下的延度拉伸试件的断裂面如图 1所示,断裂面较宽且表面较为粗糙。
鉴于以上分析,低温延度不宜用于评价胶粉改性 沥青的低温抗裂性能,而常温延度指标也不宜用于评 价其拉伸性能,用延度指标来比较胶粉改性沥青与其 他改性沥青性能的优劣是不合适的,因此,建议在实际 生产应用中,取消延度控制指标。
(2)当量脆点IV2
当量脆点:Tu是相当于沥青针入度为1.2(0.1 mm)时的温度。有资料证明,当量脆点作为评价沥青 结合料低温抗裂性能的指标是合理的,与路用性能也 有很好的相关性。但是,由于胶粉改性沥青中橡胶粉 颗粒的存在使得针人度试验存在较大的随机误差,因 此,由针入度试验数据所换算的当量脆点也不宜作为 胶粉改性沥青低温性能的控制指标。
(3)低温蠕变劲度S
SHRP体系中的弯曲梁流变仪利用传统的弯曲梁 蠕变原理测定低温条件下沥青胶结料的劲度模量,用 以评价沥青胶结料的低温抗裂性能。弯曲梁蠕变试验 根据时温等效性,测定时采用环境温度升髙10 t;加荷 60 s来模拟设计低温条件下7 200 s加荷的试验方法, 认为应限制沥青胶结料的低温劲度在300 MPa以下, 而且要求在60 s时的劲度和加荷时间的双对数坐标 曲线斜率在0.3以下。暂不讨论BBR试验的分级标 准是否合适,但是BBR试验的物理力学意义明确,测 试得到的是能够模拟路面结构实际低温条件的受拉蠕 变劲度,因而是衡量胶结料在低温条件下变形和拉应 力关系的可靠指标,能够很好地反映沥青胶结料的低 温柔性。结合胶粉改性沥青的混熔作用机理,认为该 指标适合于胶粉改性沥青改性机理,能够有效表征其 低温抗裂性能。•
2.3弹性恢复性分析
目前,国内外广泛采用弹性恢复指标来评价改性 沥青加载后的变形恢复能力。根据JTJ 052 —2000 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0662 — 2000对弹性恢复试验原理和步骤的介绍,对于胶粉改 性沥青材料而言,弹性恢复试件在25 X:水中被拉伸到 10 cm后,在拉伸试件的中间位置剪断,试件主要依靠 胶粉改性沥青中橡胶颗粒的弹性性能恢复变形,测定 1 h后的变形恢复程度来表征胶粉改性沥青的弹性恢 复性能,因此,弹性恢复指标在机理上适合于胶粉改性 沥青,能够有效反映其弹性恢复变形能力。
2.4抗老化性分析
目前,国内外主要采用薄膜烘箱热老化试验 (TFOT)、旋转薄膜烘箱热老化试验(RTFOT)和压力 老化试验(PAV)来评价沥青类材料的抗老化性能,其 中TFOT与PAV试验使用圆盘盛样,由于胶粉改性 沥青粘度太大而使得其流动性不好,在圆盘中难以形 成均匀薄层,直接影响老化均勻性;而RTFOT试验中 虽然使用瓶子盛样,但是胶粉改性沥青也难以形成均 匀薄膜,且试验后的老化沥青难以取出;另外在 TFOT与RTFOT试验中,由于温度较髙,橡胶粉颗 粒在老化过程中会将吸收的轻质油分析出,可能使基 质沥青与橡胶粉发生离析,从而影响试验结果。
由此可知,3种试验方法都不太适合于评价胶粉 改性沥青的抗老化性能。而且,针人度、软化点和延度 等指标本身并不适合用于评价胶粉改性沥青老化前后 的性能变化。因此,宜采用旋转粘度随老化时间的变 化情况来评价胶粉改性沥青的抗老化性能。
3结论
结合胶粉改性沥青混熔体系作用机理和半固态连 续相结构特性,现行规范JTG F4〇—2004《公路沥青路 面施工技术规范》和JTJ 052 — 2000《公路工程沥青与 沥青混合料试验规程》,从高温稳定性、低温抗裂性、弹 性恢复性能和抗老化性等方面对常规的评价指标及试 验检测方法进行适应性分析,得出以下结论:
(1)针人度、针人度指数、当量软化点、延度、当量 脆点等技术指标不宜用于评价胶粉改性沥青的性能。
(2)软化点仅表征橡胶粉周围的轻质成分被吸收 的自由沥青的高温抗流动能力,不适宜用于评价胶粉 改性沥青的高温性能。
(3)建议采用旋转粘度随老化时间的变化情况来 评价胶粉改性沥青的抗老化性能。
(4)旋转粘度、弹性恢复及SHRP体系中的车辙 因子G' /Sin5和蠕变劲度S、蠕变速率m等指标适合 于胶粉改性沥青的混熔改性机理,能够有效评价其技 术性能。
(5)胶粉改性沥青的评价体系相对于SBS等聚合 物改性沥青要简单得多,通过控制粘度就能够很好地 控制其高温性能和施工性能。