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沥青路面加热型密封胶的黏度-温度特征
2017年10月19日 10:57 密封产业网

  灌缝技术作为沥青路面预防性养护技术的重要组成部分,通过开槽灌缝封闭路面裂缝,防止水渗入路面结构内部,被国际上广泛认为是减缓路面病害出现、延长路面使用寿命的有效手段。沥青路面普遍采用加热型密封胶进行开槽灌缝处理裂缝,为了评价加热型密封胶的路用性能,ASTM提出了较为完整的试验方法和技术要求E-2,这是国际上主流的密封胶技术标准体系,包括欧洲H、俄罗斯。

  为此,国内外学者尝试采用各种新的试验方法以评价密封胶的路用性能。Soliman进行了SuperpaveDSR和BBR试验,并据此提出了密封胶的应力松弛量和复数剪切模量评价指标。Soliman采用玻璃化温度和低温劲度模量指标评价密封胶的低温性能,为保持良好的路用性能,密封胶的玻璃化温度应小于材料服役温度10~15°C.FiniM开发了一种鼓膜试验,以测试密封胶与沥青混凝土界面的黏结强度,并提出了界面断裂能量指标。Hu11采用德州罩面试验仪设计了一种密封胶低温拉伸疲劳试验。分析表明,上述评价指标在一定程度上提高了密封胶室内试验参数与实际路用性能的相关性,但是这些评价指标还没有成为评价密封胶的通用试验方法。

  针对ASTM评价体系不能完全反映密封胶路用性能的问题,本文通过研究密封胶施工过程的主要影响因素施工温度和施工黏度,开展黏温曲线研究,并根据不同密封胶的黏流活化能,分析了不同密封胶的黏度-温度特性,研究可为评价不同密封胶的路用性能提供新的理论基础和技术手段。

  1国内外研究现状ASTMD5329技术标准主要包括锥入度、软化点、流动、弹性和低温拉伸等评价指标,反映了密封胶的高低温、弹性等材料性能。然而,ASTM忽视了施工因素对路用性能的影响,没有涉及施工黏度-温度评价指标,而施工黏度-温度特征是影响密封胶路用性能的重要因素,这可能是影响ASTM评价体系与路用性能相关性的主要原因。

  国外有大量研究分析了密封胶施工过程对路用性能的影响。MassonM研究了热空气喷枪对密封胶与沥青混凝土黏结的影响,比较了石灰岩集料沥青混凝土在热空气喷枪作用下未充分加热、正常加热、加热过量这3种施工情况,加热过量可能导致50%的黏结强度衰减,从而导致密封胶的早期损坏。Al-Qad3-14提出采用推荐施工温度下的布氏黏度指标,试验米用SC4-27,转速固定为60r/min,推荐施工温度下加热密封胶20min,然后启动转子30s后读数。

  研究表明,黏度-温度特征是密封胶施工过程中最重要的影响因素。密封胶施工过程中,在快速浸润之后,密封胶慢慢渗透至微孔隙中,其渗透进程主要受黏度影响。在推荐的施工温度下,密封胶的黏度一般在1 s之间。低黏度的密封胶渗透能力强,填充微孔隙能力强,当黏度增大时,同样的进程可以需要几个小时。因此,如果施工时密封胶的冷却速率较快,就可能对黏结能力产生较大的不利影响,灌缝施工允许的最低气温不宜低于10C.密封胶的低黏度可以提升界面黏结强度。对于两种密封胶而言,在他们各自的推荐施工温度下,黏度较小的密封胶将更有利于界面黏结。但是,如果某种密封胶在推荐施工温度(如190C)时的黏度较高,把它加热至较高温度(如200C以上)以期获得较低的黏度也是不推荐的,因为高温可能导致密封胶加速老化。

  2密封胶的黏度试验方法2.1加热型密封胶的黏度加热型密封胶的施工温度一般在160右,在此温度区间测试黏度的试验方法,主要是Brookfield黏度试验。该方法适用于测定牛顿流体或非牛顿流体的剪应力与剪变率之比,即表观黏度。测定基质沥青黏度时,根据沥青黏度选用某一型号的转子,然后采用某个固定转速(如20r/min)测试黏度,只要扭矩读数在10%~98%范围之内即满足要求。实际上,改变转速对基质沥青的影响是有限的。

  与大多数聚合物熔体和浓溶液一样,加热型密封胶也属于非牛顿流体,其黏度随剪切速率的增加而减小,即所谓的剪切变稀。与基质沥青不相同,由于含有多种高分子添加剂,加热型密封胶的非牛顿流体属性特别明显,转速对其黏度的影响很大,因而不能采取固定转速的方式测定其黏度。与加热型密封胶成分较为接近的是橡胶沥青,橡胶沥青的黏度测试也采用Brookfield黏度仪15,交通行业标准T/T798?2011 16给出了橡胶沥青黏度测试方法,但是试验步骤与基质沥青测试方法有所不同。本文2.2黏度试验方法子,测定不同转速下加热型密封胶的黏度,并回归黏度和黏度计扭矩之间的关系曲线,取50%扭矩的黏度作为黏度代表值。

  保温30min后,启动仪器,随着转子的转动,沥青的黏度减小,在加热型密封胶的黏度稳定后,记录试验数据。然后,改变转子的转速,进行不同转速条件下的黏度测试,共测定扭矩在10%~98%范围内的4个以上转速的黏度。由于总转数对黏度有定的影响,在选用转速时,先测试较大的转速然后慢慢减小转子的转速。

  ?般在10s以内的黏度波动在0.5%以内可认为黏度已经稳定。为了减少人为误差,每选用一个转速,须稳定3min以上,并观察黏度值的变化趋势,如果数据继续减小须延长稳定时间。在采用不同转速时,如果前面转速较快,沥青黏度较低,在调节成比较低的转速时,会出现黏度随时间的增加而增加的趋势,也必须等到测试结果相对稳定时,读取代表性的黏度值。在黏度稳定后,取采集的最后6个点(间隔10s)的平均值作为测试的黏度值。由于加热型密封胶的黏度受加工温度和存储时间的影响,黏度计灌模时一定要尽量缩短重新加热和存储的时间。

  试验记录须包括:试验温度、转子、转速、扭矩等。算取每个转速下最后采集的6个点的黏度平均值和扭矩平均值,分别求取每个转速下黏度的对数和扭距的对数,绘制对数黏度和对数扭矩的关系曲线,对黏度的对数和扭矩的对数进行直线回归,用插值法求50%扭矩的加热型密封胶黏度。

  3黏度-温度试验3.1黏温试验结果包括4种进口材料(编号为:H1,H2,和H6)和5种国产材料(编号为:H3,H4,H7,H8和H9)。按前述Brookfield黏度试验方法进行黏度-温度试验,根据密封胶施工时的大致温度范围,确定试验温度在160 ~200C之间,温度间隔为10°C.试验结果如表1所示,黏温曲线如所示。

  表1密封胶的黏温试验结果编号黏度Pas密封胶的黏温曲线3.2结果分析施工温度是影响加热型密封胶路用性能的关键因素,过高的加热温度不仅给施工作业带来了安全隐患,而且容易导致密封胶老化,从而影响它的路用性能;过低的加热温度使得密封胶的黏度偏大,不易渗入裂缝壁的微孔隙中,从而影响密封胶的黏结能力。密封胶与沥青混凝土的界面黏结能力采用低温拉伸试验(又名黏结试验,英文为bondtest)评价,ASTMD5329和我国交通行业标准T/T 740都采用了这个试验方法。

  因此,国内外加热型密封胶的推荐施工温度一般在190C.表1中,密封胶在190C时的黏度,4种进口密封胶(H1,H2,H5和H6)在1~3Pa-s之间,5种国产密封胶有3种(H4,H8和H9)在1~3Pas之间,另外两种分别为3.25Pas 78Pas(H7)。分析认为,进口密封胶,如Crafco等国际知名品牌灌缝胶,在提出推荐施工温度时,已经考虑了黏度的影响,在推荐施工温度附近,其黏度是合适的。而部分国产密封胶在190C施工温度时由于黏度较大,可能难以获得与沥青混凝土裂缝壁良好的界面黏结能力。因此,根据试验结果分析,建议施工温度190C,施工黏度范围为1~3Pas.密封胶配方设计时通常都应考虑在正常施工温度和施工时间下的老化问题,190C是密封胶的正常施工温度,在正常的施工时间(2h以内)不会对密封胶的性能产生较大影响,不会产生严重的热老化问题。

  4密封胶的黏流活化能加热型密封胶也称为橡胶沥青密封胶,其主要成分包括:沥青、橡胶粉、SBS、软化剂、填料等。温度是影响这类聚合物熔体黏度的主要因素。在黏流温度以上,聚合物的黏度与温度的关系与低分子液体一样,即随着温度的升高,熔体的自由体积增加,链段的活动能力增加,分子间的相互作用力减弱,使聚合物的流动性增大,熔体黏度随温度升高以指数方式降低,因而在聚合物加工中,温度是进行黏度调节的首要手段。

  如果以黏度表示流动阻力的大小,则黏度与温度之间有如下关系:当温度远高于玻璃化转变温度Tg和熔点7;时(T>Tg+100C),黏度与温度的依赖关系可用Andrade数,K K-1;En为黏流活化能。

  以lnn对1/T作图,可得到一条曲线,对数据进行线性回归分析,由直线斜率即可求得不同密封胶的黏流活化能根据表1的试验数据,可获得9种密封胶的黏流活化能lnn-1/T曲线如所示,线性回归分析后求得的密封胶黏流活化能见表2.密封胶的丨nn-1/T曲线Fig. 1/Tcurvesofsea丨ants表2密封胶的黏流活化能Tab.黏流活化能是表征聚合物熔体黏度-温度敏感性的重要参数。黏流活化能定义为流动过程中,流动单元用于克服势垒,由原位置跃迁到附近“空穴”

  所需的最小能量(单位:k/mol)。黏流活化能反映材料流动的难易程度,更重要的是反映材料黏度随温度变化的敏感性。黏流活化能越小,黏度随温度变化越敏感。

  9种密封胶的黏流活化能,H4的黏流活化能最小,为6.3k/mol,H7的黏流活化能最大,为1550.2k/mol.不同密封胶的黏流活化能数值差异很大,这可能是由于不同密封胶的组分配比存在较大差异,从而导致其黏度-温度敏感性存在显著的不同。对于黏流活化能小的材料,黏度对温度的变化更为敏感,施工时更需要注意控制合理的施工温度。

  5结论施工黏度是影响密封胶路用性能的重要指标,建议纳入相关材料标准中,并按布氏黏度方法进行测试,以50%扭矩为黏度的代表值。进口密封胶在推荐施工温度的黏度是合适的,而部分国产密封胶在190 C时的黏度过大,容易影响界面黏结能力,从而影响密封胶的路用性能。根据黏度-温度试验结果,提出了加热型密封胶的施工黏度指标及技术要求,即190 C布氏黏度在1 s之间。不同密封胶的黏流活化能差异很大,反映不同密封胶由于组分配比的不同,其黏度随温度变化的敏感性的差异较大。对于黏流活化能小的材料,黏度对温度的变化更为敏感,施工时更需要注意控制合理的施工温度。

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