废旧聚酯纤维改性沥青的物理及流变性能

谢路璐,曾俐豪,2

(1.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007;2.广西道路结构与材料重点实验室,广西 南宁 530007)

0 引言

随着现代材料技术的发展,纤维材料因具有可延长基体物质使用寿命的优点,被广泛应用于材料加固[1]。同时,纤维材料在道路工程领域也取得了较好的应用效果,如SMA用木质素纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等在道路沥青材料中应用效果显著[2]。在沥青混合料中,纤维主要与沥青结合,纤维的吸附与均匀分布形成的网状结构可有效提升沥青混合料路用性能,进而延长沥青路面的服役寿命[3]。

随着我国“双碳目标”战略的推进,对交通领域这一碳排放“大户”提出了更高的发展要求,这使得废旧材料的应用得到了更广泛的推广[4-5]。聚酯纤维(CPF)俗称“涤纶”,属于高分子化合物,广泛应用于纺织行业,是日常生活生产中常见的废旧材料。目前已有部分研究对其在沥青路面中应用进行了探讨,如Wu等[6]研究了老化对聚酯纤维沥青混合料低温抗裂性和水稳定性的影响;Mohammad等[7]对木质素磺酸钙/聚酯纤维复合改性沥青混合料冻融损伤与抗断裂性能进行了评价;Gang等[8]对玻璃/聚酯纤维复配改性沥青混合料的综合路用性能进行了分析。但总体而言,现有研究主要集中于CPF改性沥青混合料性能评价,对各类沥青改性效果的影响研究相对较少。

本文拟选取90#、70#及SBS三种目前应用广泛的沥青类型,采用针入度、软化点及135 ℃高温黏度等典型物理性能指标,结合动态剪切流变仪温度扫描流变性能指标对不同CPF掺量下各沥青改性效果进行综合评价,进而为CPF在沥青改性方面的有效利用提供理论参考与指导。

1 材料与方法

1.1 原材料

1.1.1 沥青

考虑应用的广泛性,本文使用了三种类型的沥青,包括两类基质沥青(90#与70#基质沥青)以及SBS改性沥青。各沥青主要技术指标如表1所示。

表1 沥青主要技术指标表

1.1.2 聚酯纤维

本研究使用的聚酯纤维来源于废旧枕芯,经干法清洗与筛选获得。其主要技术指标表2所示。

表2 聚酯纤维主要技术指标表

1.1.3 改性沥青制备

采用湿法工艺进行CPF改性沥青制备,CPF掺量取沥青质量分数的0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。制备采用高速剪切机进行,剪切速率为3 000 r/min。测试温度统一选取为160 ℃,剪切过程采用双温度计进行监测。前期探索性试验表明,制备时间为30 min后,各项指标趋于稳定。为减少制备过程导致的沥青老化,取该时间作为各试样后续分析剪切时间。

1.2 试验方法

1.2.1 物理性能测试

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011),分别对不同CPF掺量下三种类型沥青进行针入度(T 0604-2011)、软化点(T 0606-2011)、布氏旋转黏度(T 0625-2011)测试[9]。

1.2.2 温度扫描试验

采用动态剪切流变仪(DSR)进行温度扫描测试,测试温度分别为40 ℃、46 ℃、52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃和82 ℃,所有试样采用未老化沥青试样。温度扫描采用直径为25 mm的测试板,板间距为1 mm,测试应力为0.12 kPa。试验分别得到复数剪切模量G*与相位角δ,并据此计算得到各试样的车辙因子G*/sinδ。其中,G*定义为最大剪切应力与最大剪切应变的比值,可评价剪切载荷施加时抗变形能力;δ定义为所施加的应力与所产生的应变之间的滞后关系,可表征沥青粘弹性比例的变化特征。综合指标G*/sinδ可表征沥青在不同工况下的抗永久变形能力,是沥青性能分级的重要指标。

2 结果与讨论

2.1 物理性能

选取90#基质沥青、70#基质沥青及SBS改性沥青,分别对各种沥青在不同CPF掺量下的针入度、软化点和黏度等3项物理指标进行测试,测试结果及分析如下。

2.1.1 针入度

针入度作为我国沥青分级标准指标,主要反映沥青的硬度及稠度,90#基质沥青、70#基质沥青及SBS改性沥青在不同CPF掺量下的针入度测试结果如图1所示。

图1 三组沥青在不同CPF掺量下的针入度测试结果示意图

由图1可知:

(1)总体而言,三种沥青针入度均随CPF掺量增大呈现一定的降低趋势。针入度降低,显示沥青稠度增加。这是由于沥青被CPF裹覆后形成了交联的网状结构,提升了沥青表面对外荷载的抗力性能[10],表明CPF加入后增强了沥青之间的聚合效果,具有提升沥青及沥青混合料路用性能的潜力。

(2)对比三种沥青针入度变化幅度,90#、70#两种基质沥青针入度变化幅度相对较大,而SBS改性沥青降幅较小。相较无CPF沥青,当掺量达到2%时,90#与70#基质沥青针入度分别降低41(0.1 mm)、34(0.1 mm),降幅分别达到47.7%与52.3%,而SBS改性沥青针入度降低了13(0.1 mm),降幅仅为28.9%。这可能是由于相较基质沥青,SBS改性沥青中沥青已与SBS改性剂形成良好的网状结构,CPF的掺入并不能有效与沥青交联,致使CPF对SBS改性沥青针入度影响效果并不显著。

2.1.2 软化点

软化点一般与沥青混合料高温抗永久变形能力有关,是沥青重要的高温性能指标。90#基质沥青、70#基质沥青及SBS改性沥青在不同CPF掺量下的软化点测试结果如图2所示。

图2 三组沥青在不同CPF掺量下的软化点测试结果示意图

由图2可知,软化点与针入度变化规律相反,随着CPF掺量增加,三组沥青软化点均增大,且两组基质沥青变化幅度显著高于SBS改性沥青。相较无CPF沥青,当掺量达到2%时,90#与70#基质沥青软化点分别增加10.0 ℃、12.1 ℃,增幅达到21.5%与24.8%,而SBS改性沥青软化点仅增大2.3 ℃,增幅仅为3.1%。这是由于纤维改性剂与沥青形成了网状结构,可显著改善沥青的高温性能[11]。此外,SBS作为目前最常用的沥青改性剂,对包括高温性能在内的沥青综合性能均有显著提升[12]。因此,CPF与SBS组成的复合改性并不能使SBS改性沥青软化点得到更大更高。

一般来说,沥青针入度和软化点值可反映其相对黏度。在高温下,低针入度和高软化点的沥青一般具有较好的承力与抗变形性能。因此总体而言,CPF的掺入可提升沥青的抗永久变形能力。

2.1.3 高温黏度

黏度作为沥青的重要指标,与沥青混合料抗永久变形能力具有一定的关联性。同时,沥青高温黏度作为沥青混合料施工温度确定的重要依据,对沥青作业参数的确定具有一定的指导意义。采用布氏旋转黏度计对不同CPF掺量下的沥青135 ℃黏度进行测试,测试结果如下页图3所示。由图3可知:

图3 三组沥青在不同CPF掺量下的135 ℃黏度测试结果示意图

(1)随着CPF掺量增大,三组沥青高温黏度均显著增加。这是由于布氏旋转黏度测试过程中,CPF与沥青吸附形成的交联网状结构增大了对转子周期性运动的抵抗能力,致使黏度增大。比较三组沥青黏度增幅,相较无CPF的对照组,当CPF掺量达到2%时,90#基质沥青、70#基质沥青及SBS改性沥青黏度增幅分别增大22.2倍、24.8倍及7.7倍。

(2)随着CPF掺量增大,三组沥青黏度增长曲线呈现不同的变化趋势。基质沥青在CPF掺量较小(0.5%以内)时,增幅相对较缓。其中,90#沥青在CPF掺量在0.5%～1.5%时黏度显著增大,之后黏度增幅趋缓。而70#沥青在掺量>0.5%后黏度变化呈现显著的线性增长。SBS改性沥青虽然初始黏度较大,但掺入CPF后,其黏度在全掺量范围内仍呈线性增长。考虑黏度增大会显著增加沥青混合料的施工温度,综合前述CPF对SBS改性沥青指标的提升效果,应慎重考虑采用CPF与SBS的复配工艺进行沥青改性,或应严格控制复配改性剂的掺量。

(3)基于运输质量控制及施工和易性考虑,美国AASHTO标准及我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)均要求改性沥青135 ℃黏度<3.0Pa·s(图3中虚线)[13]。以此为依据,若将CPF作为工厂化改性沥青使用,90#及70#基质沥青CPF掺量应分别控制在1.0%、0.5%,而SBS改性沥青则不宜掺加CPF。需要说明的是,上述掺量限制是基于将CPF改性沥青作为工厂化成品沥青使用所进行的考量。当采用拌和站现场改性时,CPF掺量控制可参照SMA混合料中木质素纤维使用工艺。

2.2 流变性能

为评估CPF改性沥青的高温抗车辙性能,采用DSR对三组在不同CPF掺量的沥青进行温度扫描测试。对各组沥青车辙因子(G*/sinδ)进行计算,测算结果如图4所示。由图4可知:

(a)90#沥青

(1)随着温度升高,车辙因子与温度在半对数坐标下呈现显著的线性变化规律,该规律与常用基质及改性沥青变化规律一致。就作用机理而言,表明CPF改性后沥青并未改变其粘弹特性[14],即温度升高,CPF改性沥青弹性性能降低、黏性比重增大。此时,抗变形性能逐渐降低,且该变化趋势在半对数坐标下呈现典型的线性降低趋势。

(2)随CPF掺量增加,三组沥青车辙因子均呈现增大现象,且具有随CPF掺量增加继续增大的趋势。上述现象表明,CPF的加入可增强沥青内部聚合性能,有效提升各温度下改性沥青的抗变形能力,这与前述针入度及软化点试验结论相一致。另外,比较三种沥青车辙因子大小,各温度下车辙因子大小关系为:SBS改性沥青>70#基质沥青>90#基质沥青。

为进一步量化分析CPF对不同沥青流变性能的影响,对各掺量下沥青PG分级高温失效温度进行分析。根据SHRP标准中PG等级高温分级规定,以未老化沥青车辙因子在1.0 kPa对应温度为其高温失效温度,并以6 ℃为步长周期,确定PG分级高温指标。分别对图4中车辙因子变化曲线进行分析,以车辙因子为1.0 kPa曲线(图4中虚线)对应温度为失效温度,计算结果如图5所示。

图5 聚酯纤维改性沥青高温失效温度对比柱状图

由图5可知,随CPF掺量增大,PG分级高温失效温度均得到提升。90#、70#及SBS改性沥青高温失效温度分别提升8.7 ℃、6.0 ℃与4.5 ℃,表明CPF的掺入可使三组沥青服役于更高温环境地区。对比发现,CPF对针入度最大的90#沥青高温失效温度提升最为显著,而对SBS改性沥青高温失效温度提升幅度相对最低。

参照SHRP标准PG分级标准,对上述各组沥青进行PG高温分级,分级结果如表3所示。

表3 CPF改性沥青PG分级高温等级表

(1)对比发现,当CPF掺量达到1.0%后,90#与70#两组基质沥青高温等级均提升一个等级。其中,当CPF掺量达到1.5%时,70#沥青高温等级达到SBS改性沥青水平。表明CPF对基质沥青高温流变性能具有良好的提升效果,具有较好的推广应用潜力。

(2)而随着CPF掺量增加,SBS改性沥青高温失效温度虽然增大,但其高温等级并未改变。这是由于SBS改性沥青初始高温等级较高,即使大掺量的CPF也并不能使其高温等级得到显著提升。结合前述试验结果综合分析,随着CPF掺量增加,SBS改性沥青针入度、软化点虽呈一定增大趋势,但增幅相对较缓。而CPF的掺入,使其黏度急剧增大,这将使混合料施工温度大幅提升,进而加剧沥青施工阶段老化,并加大拌和、摊铺过程中能源消耗。因此,CPF并不适用于与SBS改性沥青复配使用。

3 结语

以不同掺量废旧聚酯纤维(CPF)对90#基质沥青、70#基质沥青及SBS改性沥青进行改性,选取针入度、软化点及135 ℃高温黏度等物理性能指标,结合基于DSR温度扫描的车辙因子对改性效果进行评价,得到如下结论:

(1)随着CPF掺量增大,三组沥青的针入度降低、软化点提升,但SBS改性沥青指标变化幅值远小于90#与70#基质沥青。

(2)三组沥青黏度均随CPF掺量增加大幅提升,若将CPF改性沥青进行工厂化应用,应分别控制90#与70#基质沥青中CPF掺量在1.0%与0.5%以内。

(3)DSR温度扫描试验表明,随CPF掺量增大,三组沥青高温流变性能均得到提升,且90#与70#基质沥青提升更为显著,建议二者掺量为1.5%。

(4)CPF并未提升SBS改性沥青PG高温等级,且对针入度与软化点提升幅值较小,但使高温黏度急剧增大,不建议CPF与SBS改性沥青复配使用。