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不同老化方式对SBS改性沥青的性能影响,一起研究!

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    发表于 2020-8-13 15:30:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
    关键词:SBS沥青改性、老化
    3563字|预计阅读时间:12分钟

    通过对薄膜烘箱老化、PAV老化和紫外老化等不同老化方式下,SBS改性沥青老化前后的针入度、5℃延度、软化点、135℃动力黏度以及弹性恢复等性能变化影响规律进行试验研究。结果表明:老化后SBS改性沥青的5℃延度与135℃运动黏度变化幅度显著,老化作用对SBS改性沥青的高、低温性能影响显著;TFOT短期老化后,SBS改性沥青性能已发生大幅下降,在长期使用过程(紫外老化、PAV老化)中,随老化时间的延长,SBS改性沥青性能衰减幅度逐渐减小。

    高等级沥青路面一般优先选取SBS改性沥青路面,因为SBS改性沥青具备高温抗车辙性,低温抗裂性,水稳定性,耐疲劳性和耐老化性等优异的路用性能[1]。但SBS改性沥青路面在服役若干年后还会出现多种病害,如车辙、网裂等。这些病害的发生一方面是由于重载交通引起的,另一方面是则是由于改性沥青自身发生老化原因[2]。因此,有必要对SBS改性沥青的老化现象,尤其是针对老化方式的不同对于SBS改性沥青性能的影响进行研究。

    本研究基于SBS改性沥青的老化机理理论和老化的产生和发展过程,设计了3种室内试验方法,用以模拟对应的三种不同的沥青老化方式:短期老化、长期老化和紫外老化,研究了3种不同老化方式对SBS改性沥青的性能影响情况,分析了不同老化方式下的SBS改性沥青性能变化规律。

    SBS改性沥青老化机理与过程
    老化机理

    SBS改性沥青的配制过程是由SBS改性剂(星型或者线型)与基质沥青以及少量的其他外加剂按照一定比例掺配,经过高速剪切、发育,最后制成SBS改性沥青。着眼于基质沥青和SBS改性剂这两种SBS改性沥青的主要原材料,一般认为,SBS改性沥青发生老化,一是由于基质沥青自身发生氧化反应形成了不稳定结构[3];二是由于SBS改性剂化学结构中含有双键,双键在光热氧等作用下发生断裂和氧化[4]。在SBS改性沥青长期老化过程中,由于长链SBS分子断裂,变为小分子短链,导致SBS改性沥青的空间网状结构发生分解而产生破坏,SBS改性沥青的改性效果随之衰减[5]。

    老化过程
    一般认为SBS改性沥青的主要老化方式主要分为两种,一是短期老化,二是长期老化。其中,短期老化现象主要发生在SBS改性沥青混合料在施工中的加热、拌和以及辗压过程中;长期老化是指由于SBS改性沥青路面在长期使用过程中暴露于自然光照射下,SBS改性沥青逐渐发生老化的过程[6]。在整个长期光氧老化过程中,由于紫外辐射作用产生的老化相较于其他老化形式所占比重最大,因此本文将紫外老化作为第3种老化方式,研究其对SBS改性沥青性能影响情况。

    不同老化方式的模拟试验设计与试验方法
    短期老化模拟试验

    目前现有的试验方法中,ASTM、AASHTO以及我国现行技术规范中,室内模拟沥青短期老化试验的标准试验方法有两种:一是薄膜烘箱老化试验(TFOT),二是旋转薄膜烘箱老化试验(RTFOT)。然而,大量实体工程应用经验表明,旋转薄膜烘箱老化试验实际应用效果不如薄膜烘箱老化试验[7]。因此,本试验采用项目前期研究结论中的173℃薄膜烘箱老化试验(TFOT)来模拟SBS改性沥青的短期老化过程[8]。

    长期老化模拟试验
    在进行长期老化过程的室内模拟试验时,本试验参照现行规范,采用了美国SHRP提出的压力老化试验(PAV)。参照规范要求,修改PAV老化试验条件如下:
    (1)对试样进行173℃薄膜烘箱老化试验(TFOT),历时5h后,将TFOT老化后的50g试样倒入不锈钢盘中;

    (2)将173℃TFOT老化后试样放入PAV压力老化的器皿中,在压力容器中释放2.1MPa的空气压力,温度设置为100℃,历时20h。在PAV压力老化结束后,对真空脱气后残留物进行指标检测。

    紫外老化模拟试验
    本试验设计了紫外老化箱,用以在室内模拟路面在室外长期使用过程中受紫外辐射所产生的老化[9,10]。

    本试验室内紫外老化试验过程如下:
    (1)在173℃老化温度下,对SBS改性沥青进行TFOT试验,并对老化前后的SBS改性沥青进行性能指标检测。

    (2)将历经173℃TFOT老化试验后的SBS改性沥青放入紫外老化箱中,进行3d、6d、9d、12d、15d、18d的室内紫外老化试验,并对紫外老化后的SBS改性沥青进行性能指标检测。

    试验原材料
    原材料基质沥青采用韩国SK-90;SBS改性沥青是由燕山石化4303S8S改性剂按照4.5%的掺量内掺于SK-90高速剪切配制而成。对原材料和配制成的SBS改性沥青进行性能指标检测,结果均满足规范要求。基质沥青以及SBS改性沥青检测结果见表1、表2。
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    试验结果与分析
    短期老化对SBS改性沥青的性能影响

    SBS改性沥青短期老化模拟试验结果见表3。
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    从表3可以看出,SBS改性沥青经历173℃TFOT老化后,性能无统一变化规律,针入度、延度、弹性恢复等指标发生衰减,而软化点和运动黏度增大,且延度指标变化最为显著,说明SBS改性沥青经173℃TFOT老化后变硬、变脆、流动性减弱,但其老化残留物的各项指标仍能满足目前现行规范要求。验证了TFOT老化温度设为173℃的合理性。

    长期老化对SBS改性沥青的性能影响

    SBS改性沥青长期老化模拟试验(PAV试验)结果见表4。
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    从表4可以看出,SBS改性沥青经历PAV老化后,与未老化时相比,针入度、延度、运动黏度、弹性恢复等指标衰减比例基本超过50%,性能发生严重衰减;PAV老化后的SBS改性沥青各项性能指标已无法满足规范要求,说明SBS改性沥青在长期光氧作用下,性能发生衰减,导致路面病害频发,从而直接影响了路面的使用性能。

    紫外老化对SBS改性沥青的性能影晌

    按照本研究2.3提出的紫外老化室内模拟试验方法,得到模拟试验结果见表5和图1。
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    结合表5和图l可以看出:
    (1)经过173℃TFOT老化后,SBS改性沥青的针入度、软化点等性能指标均显著减小,黏度增大,说明在SBS改性沥青混合料加热拌和过程中,SBS改性沥青的性能就已经发生了大幅衰减。在随后的老化过程中,SBS改性沥青的针入度和延度仍持续减小,运动黏度持续增大,沥青发生硬化、变稠、延展性变差,说明沥青在后续紫外老化过程中其性能仍不断持续下降。

    (2)在紫外老化后半程(12~18d),SBS改性沥青的各项性能指标变化幅度趋于平缓 。随老化时间的不断增长,沥青的性能变化率将缓慢降低至平缓,SBS改性沥青性能不再继续快速衰减。

    不同老化方式下SBS改性沥青的性能对比
    本研究分别采用3种不同的室内试验对不同老化方式作用下SBS改性沥青进行性能试验,三种老化方式的模拟试验对应关系分别为:
    (1)173℃薄膜烘箱老化(TFOT)用以模拟短期的老化;
    (2)压力老化(PAV)用以模拟路面长期老化过程;
    (3)紫外老化用以模拟SBS改性沥青路面在实际长期使用过程中的老化。

    采用紫外老化箱进行的室内紫外老化试验18d约可等效为沥青路面室外老化1a的老化程度,PAV老化试验可等效为沥青路面表层使用5a的老化程度,因此按照老化的时间次序整理试验结果见表7。
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    性能衰减幅度对比图见图2。
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    综合表7和图2可以看出:
    (1)总趋势:SBS改性沥青历经三段不同老化过程,性能依次持续发生衰减,其中软化点指标变化无规律。

    (2)具体指标:与未老化时相比,无论历经何种方式的老化,老化后SBS改性沥青的5℃延度与135℃运动黏度均发生显著变化。其中PAV老化试验结果表明,老化后SBS改性沥青的5CC延度比未老化时减小约74%,135℃运动黏度比未老化时增加了约96%。说明老化作用对SBS改性沥青的高低温性能影响显著。

    (3)短、长期的变化:从   整个老化过程分析,SBS改性沥青历经173℃TFOT短期老化后,沥青性能衰减最为明显:其中针入度衰减幅度占整个老化过程衰减幅度约63%,延度衰减幅度占比约44%,运动黏度衰减幅度占比约26%,说明SBS改性沥青性能在混合料拌和过程中性能发生大幅衰减后,在长期使用过程(紫外老化、PAV老化)中性能衰减仍会继续发生,但衰减幅度逐渐减小。

    结论
    通过在室内对短期老化、长期老化、紫外老化等3种不同老化方式进行模拟试验,研究了不同老化方式对SBS改性沥青性能的影响规律,结果表明:
    (1)在不同老化方式的作用下,SBS改性沥青老化后的性能指标变化均呈现针入度、5℃延度减小,135℃运动黏度增大的变化规律,沥青性能发生衰减。

    (2)无论历经何种方式的老化,相较于其他性能指标,老化后SBS改性沥青的5屯延度与135℃运动黏度变化幅度显著,说明老化作用对SBS改性沥青的高、低温性能影响较大。

    (3)在沥青混合料加热与拌和过程,即短期老化过程中(室内采用173℃TFOT短期老化模拟),SBS改性沥青性能已发生大幅下降,在长期使用过程中(室内采用紫外老化、PAV老化模拟),随老化时间的不断延长,SBS改性沥青性能仍将继续衰减,然而衰减幅度逐渐减小。

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    全文完。首发于《石油沥青》2019年第33卷。作者简介:李艳(1990—),硕士,工程师。专业:公路工程,现就职于西安公路研究院。

    U-TPE_Admin说:
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