温度扫描下SBS改性沥青动态力学行为分析_林江涛

1、N E W B U I L D I N G M A T E R I A L SSBS 改性沥青是一种典型的黏弹性材料,随着温度的变化会依次表现出黏流态 、 高弹态 、 黏弹态乃至玻璃态等动态力 学特征 。 聚合物材料的动态黏弹性在交变作用下表现为滞后 和力学损耗,其滞后现象与内耗大小是由分子链段运动的难易程度决定的 。 分子链段运动的状态既是产生内耗的原因又是黏弹性材料宏观力学形态的微观表现, 因此, 可以通过损耗 因子 tan 在温度标尺下的变化分析 SBS 改性沥青动态力学 行为状态上的变化 。 本文通过固定交变作用频率, 改变试验温 度以获取动态力学温度谱, 从力学损耗及分子运动角度出发

2、, 研究 SBS 改性沥青在交变作用频率下力学形态的转变机理 及影响因素 。1试验材料及设计本文共采用 8种成品 SBS 改性沥青, 其改性用基质沥青温度扫描下 SBS 改性沥青动态力学行为分析林江涛 1, 樊亮 1, 马士杰 1, 王暖绪 2(1. 山东省交通科学研究所, 山东 济南 250031; 2. 烟建集团市政路桥分公司, 山东 烟台264003摘要:采用 AR-2000型动态剪切流变仪对不同品牌的成品 SBS 改性沥青进行动态剪切试验, 以获取 SBS 改性沥青动态力学温度谱, 并对 SBS 改性沥青动态力学机理进行了分析 。 通过试验发现, 在设定剪切频率 (10rad/s 和降

3、温速率 (2min/ 等试验条件下, 不同种类 SBS 改性沥青在剪切温度为 (35±2 、 储存模量 G ' 为 (0.5±0.1 MPa 时会出现相态转变, 改性沥青由高弹状态转变到黏弹 态, 其对应的损耗因子 tan 表现为峰值或平台区结束, 并且在加载温度约为 10 时, 沥青样品开始出现破裂现象 。 在基质沥青标号 相同的情况下, 对 SBS 改性沥青流动转变和高弹态力学响应起主要作用的是 SBS 改性剂种类 、 用量及溶胀发育程度, 对高弹态向黏 弹态转变温度起主要作用的是基质沥青 。关键词:SBS 改性沥青; 动态剪切试验; 动态力学温度谱; 损耗因子

4、 tan ; 相态转变 中图分类号:TU535文献标识码:A文章编号:1001-702X (2012 08-0039-03SBS modified asphalt dynamic mechanical behavior analysis by temperature sweepLIN Jiangtao 1, FAN Liang 1, MA Shijie 1, WANG Nuanxu 2(1.Shandong Transportation Institute , Jinan 250031, Shandong , China ;2.Yan Construction Group Municipal

5、Road &Bridge Corporation , Yantai 264003, Shandong , China Abstract :Different kinds SBS modified asphalt were taken dynamic sheer test with Dynamic Sheer Reheometer AR-2000in order to get the dynamic mechanics temperature spectrum of SBS modified asphalt ,meanwhile , dynamic mechanics behavior

6、mechanism was analyzed. Based on the analysis of experiment data , it is found that different kinds SBS modified asphalt will appear phase conversion which modified asphalt phase were from elastomeric state to viscoelastic state when the test sheer temperature was (35±2 and storage modulus was

7、(0.5±0.1 MPa under the experiment sheer rate (10rad/s , cooling rate (2min/ and other conditions. Then the dynamic loss factor tan show peak value or platform area over , on the other hand in about 10 temperature loading , asphalt sample began to rupture phenomenon. The results show that SBS mo

8、difier type , amount , soluble development degree play the major role in viscous flue state and elastomeric response while matrix asphalt is the most important factor in the transition temperature of elastomeric state to viscoelastic state.Key words :SBS modified asphalt ; dynamic sheer test ; dynam

9、ic mechanics temperature spectrum ; dynamic loss tangent tan ; phase transformation基金项目:山东省自然科学基金项目 (ZR2009FL020 收稿日期:2012-03-01作者简介:林江涛, 男, 1986年生, 山东日照人, 研究方向为沥青与沥 青混合料 。 全国中文核心期刊 中国科技核心期刊39··新型建筑材料 2012. 8均为 70#, 分别按照 JTJ 052 2000 公路工程沥青及沥青混合 料试验规程 规定的方法进行软化点 、 针入度及延度试验; 采 用 AR-2000型动态剪

10、切流变仪对沥青进行动态剪切试验, 获 取其动态力学温度谱, 试验采用 25mm 平行板, 样品厚度为 1mm , 采用正弦波方式加载, 剪切频率为 10rad/s, 应力水平 为 100Pa , 采用降温方式进行, 降温平衡速率为 2min/ , 表 1为 SBS 改性沥青常规技术指标 。表 1SBS 改性沥青常规试验指标2SBS 改性沥青动态力学性能及变化机理2.1SBS 改性沥青动态剪切试验结果SBS 改性沥青的动力学流变行为不同于基质沥青,基质 沥青曲线仅有 3个区, 没有高弹态, 没有相位角的最大值和最 小值 1。 SBS 改性沥青是 SBS 改性剂以一定比例与沥青混合, 并且以一定工

11、艺加工后得到的 。 它的本质还是高分子聚合物,作为一种无定形聚合物在力学形态上可以分为黏流态 、 高弹 态 、 黏弹态及玻璃态 2。 内耗的大小同分子运动的内摩擦作用直接相关 3, 分子的运动形态又与物质的力学形态直接联系, 因此, 内耗因子 tan 在温度标尺下的转变, 可以体现出试样 在力学形态上的改变 。 图 1为不同种类 SBS 改性沥青的动态 剪切试验结果 。图 1不同种类 SBS 改性沥青损耗因子 tan 、储存模量 G 随温度的变化曲线图 1显示, 不同种类 SBS 改性沥青在试验中体现出各自不同的力学性能, 但作为同一类聚合物, 其力学性能又具有共 性, 动态力学运动行为遵循相

12、同的变化机理 。图 2为在试验设定条件下, 2种不同的具有典型力学行 为状态代表意义的 SBS 改性沥青力学温度谱 。图 22种典型 SBS 改性沥青温度扫描图图 2(a 、 (b 在各自的温度扫描范围内都经历了黏流态 、 高弹态和黏弹态 3种力学形态,但对应与各形态的温度范围及损 耗因子 tan 、 储存模量 G 的变化趋势又是各不相同的 。 在最初 一段温度范围内, 2种沥青的 tan 都是随着温度的下降而上升 的, 所不同的是图 2(a 中沥青的损耗因子 tan 值处于低位, 图 2(b 中沥青损耗因子 tan 值处于高位 。 图 2(a 、 (b 2种 SBS 改 性沥青在最初还未发生

13、 tan 转变的温度范围内都已处于黏流 态 。 这时 SBS 改性沥青中存在整个分子的平移运动和链段的远 程扩散运动 4, 在动态剪切作用下, 分子及链段间彼此相互滑 移, 内摩擦阻力较大, 其结果是损耗因子 tan 的值较大 。 随着剪 切温度的降低, 进行分子整链运动的链段数目减少, 其相应的 内摩擦阻力减小; 同时温度虽然降低, 但链段的运动仍处于较 为自由的状态,温度降低对其运动产生的内摩擦阻力影响不 大, 两方面的综合结果是总的内摩擦阻力下降, 损耗因子 tan 下降 。 温度继续下降, 当降到不能提供使分子整链运动所需要 的能量和空间时, SBS 改性沥青便停止分子的运动而只进行链

14、 段的运动, 这种力学状态宏观上表现为高弹态 。 这时沥青由黏 流态转变为高弹态,在温度谱上表现为 tan 的第一个转变, 转 变标志为图 2(a 中 tan 的波谷或图 2(b 中平台区的开始 。试样进入高弹形态后只能进行链段的运动,对于不同种 类的 SBS 改性沥青, 在高弹态区会表现出不同的力学变化趋 势 。 图 2(a 中, 样品在高弹态下损耗因子 tan 是随着温度的 下降而单调上升的, 而在图 2(b 中高弹态的损耗因子 tan 则表现出明显的平台区, 有关研究表明 5, 平台区的出现, 表明试 样 A B C D E F GH5041323233403239林江涛, 等:温度扫描

15、下 SBS 改性沥青动态力学行为分析 40··N E W B U I L D I N G M A T E R I A L S其内部形成了稳定的空间网络结构, 反之, 则没有形成空间网 络结构 。 该区间的力学变化趋势是与 SBS 改性沥青中 SBS 改性剂的类型 、 剂量有重要关系的, 在相同基质沥青 、 改性工艺 下, 随着 SBS 改性剂掺量的不同, 高弹区内部的链段运动在 外力作用下会有不同的表现形式 。由于图 2(a 中沥青未能形成交联结构, 因此较多分子链 段未进入网络, 沥青样品在温度较高时, 链段运动存在较充足 的空间, 运动较为自由, 内摩擦阻力相应较小,

16、tan 值较小; 但是随着温度持续下降,导致提供给链段运动所需要的能量 和空间降低, 这时内摩擦阻力会增大, 其直接表现就是损耗因子 tan 的增大 。 当降低到一定温度时,链段运动所受到的限 制达到极大, 这时损耗因子 tan 便表现为图 2(a 中的峰值 。 图 2(b 中沥青样品内部相态结构与图 2(a 中样品存在差异, 图 2(b 沥青内部形成了空间网络结构, 这种网络结构限制了 网链间的相对运动,却使自身的力学性能在较大范围内保持 稳定, 在温度谱上便表现为 tan 的平台区 。2种沥青在相态结构上虽然不同,在高弹区力学损耗表 现不同,但随着温度的降低,都将导致部分链段开始停止运 动

17、 。 这时便发生了相态的转变, SBS 改性沥青由高弹态进入了黏弹态, 这对应于温度谱上的 tan 的第 2个转变,转变标志 为 tan 出现图 2(a 中峰值或图 2(b 中平台区的结束 。进入黏弹态后, 随着温度的持续降低, 能运动的链段数目 持续减少; 另一方面, 虽然温度的降低使部分链段的运动阻力 增大, 但同时由于部分较大链段开始停止运动, 其运动产生的 内摩擦阻力消失, 这样在两方面综合作用下, 链段运动所产生 总的内摩擦阻力开始下降, 力学上表现为损耗因子 tan 的下 降 。 因此, 试样在降温扫描时, 以链段运动数目减少为主导作 用的响应模式下, 黏弹区损耗因子 tan 是持

18、续下降的 。 当温度降到 10 左右时,会表现出损耗因子 tan 的波 动, 在温度谱上表现为损耗因子 tan 的翘起 (此时相位角浮 动可以达 90° , 但这并不表明 SBS 改性沥青又发生了相态转 变 。 此时, 沥青样品已变得坚硬, 在试验设定条件下流变仪加 载模式已不再是标准的正弦波, 而是一种 “ 毛刺 ” 状的波形, 这 时 SBS 改性沥青已经发生了破裂现象, 即 “ 尾巴 ” 的翘起代表 了试样出现破裂 。2.2SBS 改性沥青相态转变的影响因素SBS 改性沥青的力学性能是由基质沥青及其改性工艺决 定的, 而图 1结果表明, 在基质沥青标号相同的情况下, 即使 SB

19、S 改性沥青在改性工艺 (改性剂种类 、 用量及发育程度 上 存在较大的差异, 但 tan 的峰值或平台区结束却会出现在大 致相同的温度和模量状态下 。 表 2为试验样品由高弹态转变 到黏弹态时的损耗因子 tan 及贮存模量 G 值 。表 2不同 SBS 改性沥青发生黏弹态转变时的温度及储存模量 G 值通过表 2发现, 在试验设定条件下, 不同种类的 SBS 改 性沥青在温度为 (35±2 , 储存模量为 (0.5±0.1 MPa 时发生 高弹态到黏弹态的转变 。 据此可以推断, SBS 改性沥青由高弹 态到黏弹态的转变过程中, 改性工艺 (改性剂的类型 、 用量及 发育程

20、度 对其起到的影响有限, 改性沥青所用基质沥青起主 要作用 。 另一方面, 在基质沥青标号相同的情况下, 不同种类 SBS 改性沥青在黏流态转变 、 高弹形态却有很大的不同, 正如 图 2(a 中沥青黏流转变温度为 90 , 在高弹态 tan 是随温 度下降单调上升的, 而图 2(b 中沥青黏流转变温度为 60 ,在高弹态 tan 是以平台区呈现的,结合前面的分析表明,改 性工艺 (改性剂种类 、 用量及发育程度 的不同对 SBS 改性沥 青的黏流态转变及高弹态的形态起至关重要的作用 。综合上述分析可知, 基质沥青的类型对 SBS 改性沥青的 黏弹转变温度起主要作用, 而改性工艺 (改性剂类型 、 剂量及发育程度 则对 SBS 改性沥