基于等针入度的不同沥青抗老化性能研究

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前言
道路沥青的高低温性能是影响沥青路面行车质量及使用年限的主要因素之一。多方面的数据调查显示,我国大部分地区,特别是炎热地区,沥青路面的高温稳定性较差,高温车辙等问题普遍存在,严重影响了沥青路面平整度及行车质量。为此,国内普遍采用改性沥青来改善沥青路面的高温性能,但沥青路面的车辙等高温性能仍然没有得到很好地解决,一些关键技术问题尚需要做进一步的深入研究。
目前国内外使用的道路改性沥青种类繁多,而许多改性沥青的研究往往只是片面地关注对沥青高低温性能的改善,却忽略了改善后沥青抗老化性能的优劣,不同类型改性沥青抗老化性能等耐久性尚没有进行过系统研究。基于此,本项目拟对相同等级针入度下的不同类型改性沥青进行抗老化性能对比试验研究,采用改性沥青的改性性能指标与抗老化性能指标来综合评价改性沥青的路用性能,研究成果具有一定的理论与实用价值,可以取得较好的经济效益与社会效益。
现阶段国内普遍采用SBS改性沥青(其中SBS改性AH-90沥青的25℃针入度在60~70/0.1mm之间),为了评价不同类型改性沥青的抗老化性能,研究结合四种不同类型改性沥青进行对比试验。首先采取不同的手段使各种沥青的25℃针入度达到60~70,即达到同一等级,在此试验基础上,通过TFOT加热试验对4种沥青进行不同程度的老化试验,主要分析不同类型改性沥青老化前后的针入度及其他指标的变化情况,探讨不同类型改性沥青的抗老化性能随老化时间的变化规律,进而对不同类型改性沥青的抗老化性能的微观机理加以分析,论证老化试验结果与微观机理的一致性。

试验方案与内容
试验原材料
试验用沥青有山东金石AH-70、盘锦AH-90沥青和SBS改性沥青;试验用外掺剂有机蜡Sasobit。
对比沥青试样制备
采取不同的改性手段制备具有相同等级针入度的四种对比沥青试样。

试验内容
试验主要分为3个阶段,原材料技术指标的测定、针入度的调试和不同老化时间下各指标对比。试验内容主要包括薄膜烘箱老化试验及针入度、延度、软化点、135℃粘度的测定。
不同沥青老化试验结果及分析
本研究结合相关试验规程及项目前期研究成果,确定老化采用5h、163℃薄膜烘箱加热试验模拟沥青的短期老化,加热20h作为沥青老化的临界状态,主要利用沥青加热后的针入度及其他指标的变化情况来评价不同沥青的抗老化性能。

基于同等级针入度的试验结果及分析
沥青老化后针入度下降,随老化时间的延长,残留针入度比越大,沥青的抗老化性能越好。
根据老化后残留针入度随老化时间的变化特点,将沥青老化分为2个阶段,加热0~5h为短期老化阶段,5~20h为临界状态老化阶段。从表3可以看出:老化对沥青针入度有很大影响,特别是加热5h的短期老化阶段对5℃、15℃、25℃的沥青针入度的作用效果尤其明显,5h之后加热老化所产生的影响相对较小,即短期老化阶段对针入度的影响大于临界状态老化阶段。整体上老化后沥青的残留针入度呈现下降趋势,5℃时由于温度较低,受环境因素影响较大,个别沥青的变化规律与整体变化趋势略有差异。沥青的老化是一个长期缓慢的氧化过程,结合残留针入度比与老化时间的关系曲线,认为采用临界状态老化阶段的针入度变化预示沥青的长期老化更具有说服力。
此外,四种沥青的25℃针入度随老化时间的变化规律十分相似,但短期老化对已老化5h的90#沥青影响相对较小,对SBS改性沥青影响相对较大;从长期抗老化性能来说,SBS沥青相对较好,2%Sasobit沥青较差。而在5℃、15℃试验温度下,2%Sasobit沥青、SBS改性沥青的抗老化能力明显优于另外两种沥青。总体上来说,SBS的综合抗老化能力较强,2%Sasobit沥青低温抗老化能力较强,高温抗老化能力相对较弱,尽管老化5h的90#沥青在25℃针入度下抗老化能力比70#沥青强,但在5℃、15℃下较差。因此,4种沥青抗老化能力由强到弱依次为:SBS沥青>2%Sasobit沥青>70#沥青>90#沥青老化5h。

其他指标试验结果及分析
通过试验数据可以看出:随老化时间的延长,沥青的5℃、15℃延度均下降,软化点升高,粘度值变大;SBS沥青各指标变化都表明了其具有较好的抗老化能力,其他3种沥青的5℃延度变化相差很小,15℃延度、软化点变化均显示剩余3种沥青的抗老化能力由强到弱为2%Sasobit沥青>70#沥青>90#沥青老化5h,验证了通过针入度评价四种沥青抗老化能力的可行性。

不同沥青抗老化性能的微观分析
沥青4组分分析
对4种沥青试样4组分进行了测定。研究认为胶体不稳定指数IC可以用来评价沥青的胶溶能力及沥青在老化过程中胶体性能的变化,IC值越大,软沥青的胶溶能力越差,沥青越趋于凝胶型胶体,结构越不稳定,抗老化能力越差。
可以很直观地看出,在同一老化时间内,4种沥青试样的IC值大小均表现为:SBS沥青<2%Sasobit沥青<90#沥青老化5h<70#沥青,由此得出4种沥青的抗老化性能由高到低依次为:SBS沥青>2%Sasobit沥青>90#沥青老化5h>70#沥青。这与宏观试验结论略有差异,不同之处在于90#沥青老化5h与70#沥青的排序,出现此情况的原因有:①同一老化时间下2种沥青的IC值十分接近,可见这两种沥青的抗老化性能比较相似;②宏观试验过程中,特别是以针入度为主要指标评价沥青高温耐久性的体系中,5℃、15℃试验温度下对针入度值影响较大,试验误差也较大;③等针入度的两种沥青,老化5h的90#沥青与原样70#沥青,前者含有的大分子量组分相对增多,小分子量组分相对减少,随后进行相同时间老化时,各组分的变化速率会相对较小,即前者抗老化性能略大于后者。因此,应对宏观试验结论进行相应修正。
随老化时间的增加,导致了沥青胶溶能力下降,沥青胶体结构稳定性变差,胶体不稳定指数Ic变大,沥青的抗老化性能降低,因此,从微观组分角度进一步论证了4种沥青抗老化性能的优劣。

SEM图像分析
在扫描电子显微镜(SEM)下对4种沥青试样的微观形貌进行观察。
可以看出:
①基质类70#沥青的表面比较光滑,几乎没有任何褶皱,而老化基质类90#沥青老化5h试样表面呈现细微褶皱,呈现出轻微的“波浪”形态,由此可以预测,老化时间越长,“波浪”越明显。
②热塑橡胶改性类SBS沥青整体连续性非常好,SBS改性剂被高速剪切成微米级的细小颗粒,并均匀地分散在沥青溶液中,细小的SBS颗粒被沥青完全包裹,二者之间高度粘结,紧密结合,从而形成以沥青为连续相,改性剂颗粒为分散相的整体结构,微观形貌上呈现所谓的“海岛状”结构,并没有出现“波浪形态”,反而与基质类沥青的微观表面比较相似,说明老化作用首先破坏的是二者之间的粘结效果,对沥青溶液及改性剂本身的作用并不明显,因此该类沥青的抗老化性能比基质类、老化基质类沥青好。
③有机蜡类Sasobit沥青表面整体上伴随细微的蜡质“鱼鳞状”的纹理结构,连续性比较好,但可以推断经老化后,此类纹理结构会逐渐变成细密的褶皱并相互堆叠形成类似老化类沥青的“波浪”形态,由此可以判断Sasobit沥青抗老化性能好于老化5h的90#沥青。
根据上述SEM微观图像得出的结论也可大致判断出4种沥青试样的抗老化能力,且与宏观试验结论基本一致。

结论
①在单一的改性性能指标基础上,提出了用改性性能指标与抗老化性能指标综合评价改性沥青路用性能的新方法,具有一定的理论与实用价值。
②随着老化时间的增加,同等级针入度的沥青性能发生不同程度的变化,针入度、延度降低,软化点、135℃粘度增加,变化具有一定的规律性。研究认为可以采用老化沥青针入度及其他指标的变化规律综合评定不同类型改性沥青的抗老化性能。
③在相同的老化试验温度下,4种不同类型改性沥青体现出的抗老化性能不同,但无论在任何一种温度下,SBS沥青都具有明显的优势,抗老化能力依次为:SBS沥青>2%Sasobit沥青>90#沥青老化5h>70#沥青,掺加改性剂或加热老化改善后的沥青抗老化性能均好于基质沥青的抗老化性能。
④基质类沥青主要发生氧化老化,改性类沥青除此之外还包括改性剂的降解老化,老化过程中,改性类沥青小分子含量低于基质沥青,大分子物质增加的较少,即聚合反应的速度低于基质类沥青,其抗老化性能较好,微观结论与宏观结论基本一致。
⑤研究结论对不同类型改性沥青的抗老化性能等耐久性的进一步研究具有一定的理论指导意义;同时对如何合理选择不同类型改性沥青进行不同地区沥青路面的应用,研究成果将能产生良好的经济效益与社会效益。澳门皇冠官网注册

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