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    預(yù)拌-增強(qiáng)型瀝青膠結(jié)料制備及性能評(píng)價(jià)

    2014-11-28 08:15:22張爭(zhēng)奇籍曉靖
    關(guān)鍵詞:軟質(zhì)延度針入度

    張爭(zhēng)奇 韋 毅 籍曉靖

    (長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)道路公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 西安 710064)

    (長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院2) 西安 710064)(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院3) 太原 030012)

    0 引 言

    溫拌瀝青混合料的拌和溫度比普通瀝青混合料低30℃以上,由于拌和溫度降低,可大量節(jié)約能源,減少環(huán)境污染.研究表明,拌和溫度降低30 ℃,每噸瀝青混合料可節(jié)約燃料油2.4 L,并減少30%以上的CO2等氣體和粉塵的排放量[1].并且減少了瀝青混合料的老化,延長(zhǎng)了路面的使用壽命,同時(shí)也減少了季節(jié)和溫度對(duì)瀝青路面施工期限的限制.但與此同時(shí),各種溫拌技術(shù)也有其一定的缺陷,主要表現(xiàn)在[2-3]:在降低瀝青混合料施工溫度的同時(shí),也損害了瀝青混合料的某些路用性能;溫拌劑價(jià)格昂貴;某些溫拌技術(shù)需要特殊的生產(chǎn)設(shè)備,初期投入大,推廣應(yīng)用受限制.

    因此,本文將通過理論分析、試驗(yàn)研究,提出基于軟質(zhì)瀝青預(yù)拌、巖瀝青粉末復(fù)拌加強(qiáng)的技術(shù)路線,即在混合料生產(chǎn)過程中,先用高標(biāo)號(hào)軟質(zhì)瀝青進(jìn)行預(yù)拌,使瀝青混合料具有良好的施工和易性,再用巖瀝青粉末復(fù)拌以加強(qiáng)路用性能.由于采用高標(biāo)號(hào)軟質(zhì)瀝青,瀝青粘度小,在較低溫度下也具有很好的流動(dòng)性,因此可以保證混合料的充分拌和與有效壓實(shí);而復(fù)拌所用巖瀝青是一種含有大量礦物質(zhì)的天然瀝青,能夠顯著提高混合料的高溫性能、抗老化性能及耐候性,巖瀝青粉末經(jīng)復(fù)拌后分散在混合料中,起到填充、嵌擠、加筋的作用,顯著提高瀝青混合料的路用性能[4].

    而軟-硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的指標(biāo)是否滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求,與環(huán)保型瀝青混合料最終的路用性能有很大的關(guān)系.因此,本文對(duì)軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的制備方法展開研究,并通過研究巖瀝青摻量對(duì)復(fù)合膠結(jié)料的性能影響分析初步確定巖瀝青與軟質(zhì)瀝青的摻配比例,為巖瀝青改性瀝青在我國(guó)的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù).

    1 試驗(yàn)材料,方案和制備工藝研究

    1.1 試驗(yàn)材料

    試驗(yàn)軟質(zhì)瀝青采用遼河石化130?;|(zhì)瀝青,硬質(zhì)瀝青采用A,B 巖瀝青顆粒狀產(chǎn)品,對(duì)比瀝青采用SK70#重交通石油瀝青以及遼河石化SBS(I-C)改性瀝青.對(duì)液體石油瀝青和改性瀝青的性能進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè),均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)技術(shù)要求.試驗(yàn)結(jié)果見表1.

    表1 瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

    根據(jù)廠家提供的測(cè)試數(shù)據(jù),2種巖瀝青的質(zhì)量指標(biāo)見表2.由于我國(guó)沒有天然巖瀝青的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),在此參考印尼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[5].

    表2 巖瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果

    1.2 試驗(yàn)方案

    參考國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)[6],軟質(zhì)瀝青采用130標(biāo)號(hào),硬瀝青采用2種不同瀝青含量的A,B巖瀝青(瀝青含量分別為85%和25%),產(chǎn)地分別為新疆和印尼,按外摻法配置A 巖瀝青摻量分別為10%,13%,15%,18%,20%,25%;B巖瀝青摻量為25%,40%(此摻量指的是巖瀝青與軟質(zhì)瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù))的軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料,并與70?;|(zhì)瀝青和符合我國(guó)技術(shù)規(guī)范的SBS改性瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、延度、老化后的針入度變化、延度變化及質(zhì)量損失等試驗(yàn)相應(yīng)的對(duì)比試驗(yàn)研究.

    我國(guó)現(xiàn)行施工技術(shù)規(guī)范中道路石油瀝青和改性瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都是基于針入度分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.根據(jù)現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范,在針入度分級(jí)指標(biāo)體系的試驗(yàn)中,選取針入度、軟化點(diǎn)、延度、針入度指數(shù)PI、當(dāng)量軟化點(diǎn)T800、當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2、旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)(RTFOT)后針入度變化、延度變化及質(zhì)量損失等作為軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo).

    1.3 制備工藝

    軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的制備,需要確定巖瀝青的融入溫度和攪拌時(shí)間這2個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù).軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料所采用的軟質(zhì)瀝青130#,規(guī)范要求其加熱溫度為140~150℃,為使巖瀝青能夠較好的分散于軟瀝青中,最終選擇軟瀝青加熱溫度為150℃,即巖瀝青的融入溫度為150℃.

    攪拌時(shí)間對(duì)復(fù)合膠結(jié)料的性能有很大的影響,若攪拌時(shí)間過短,巖瀝青分散程度較低,不能完全發(fā)揮其復(fù)配增強(qiáng)的作用,復(fù)合膠結(jié)料也不能形成均一的穩(wěn)定體.若攪拌時(shí)間過長(zhǎng),雖然保證了巖瀝青的分散充分,但是復(fù)合膠結(jié)料伴隨著也可能發(fā)生老化,且造成能源消耗過大,成本增加.為選擇合適的攪拌時(shí)間,將軟質(zhì)瀝青加熱至150 ℃,摻入15%A巖瀝青,然后在145~150℃范圍內(nèi)攪拌,攪拌時(shí)間分別控制在15,30和45min.對(duì)制成的復(fù)合膠結(jié)料進(jìn)行3大指標(biāo)常規(guī)實(shí)驗(yàn),所得試驗(yàn)結(jié)果見表3.

    表3 不同攪拌時(shí)間試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

    由表3可見,攪拌30 min的針入度指數(shù)PI值、軟化點(diǎn)和延度都是最大的,說明攪拌30 min所得到的軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的溫度敏感性最低,高低溫性能都最好.既保證巖瀝青均勻分散,又不致因?yàn)r青老化而降低改性效果,因此建議合理的攪拌時(shí)間為30min左右.

    綜上所述,軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的制備方法歸結(jié)為:將軟質(zhì)瀝青升溫至150℃,按預(yù)定比例加入巖瀝青,然后在溫度145~150℃的溫度范圍內(nèi)持續(xù)攪拌30min左右,使巖瀝青均勻分散在軟質(zhì)瀝青中.再在150 ℃的恒溫烘箱中發(fā)育1h,取出后在150 ℃的溫度下攪拌10min,即可澆筑瀝青試模.制備流程見圖1.

    圖1 軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料制備流程圖

    2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

    研究采用130#軟質(zhì)瀝青,分別摻加含有不同瀝青含量的A,B 2種巖瀝青,按上述方法制備軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料.進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、延度、老化后的針入度變化、延度變化及質(zhì)量損失等試驗(yàn),研究不同巖瀝青摻量對(duì)復(fù)合膠結(jié)料的影響,并與70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青進(jìn)行對(duì)比分析.

    本次試驗(yàn)測(cè)定不同巖瀝青摻量所制備的軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料及70?;|(zhì)瀝青和SBS改性瀝青在15,25和30℃3個(gè)不同溫度下的針入度,并計(jì)算PI,T800和T1.2.試驗(yàn)結(jié)果見表4.

    表4 瀝青針入度試驗(yàn)結(jié)果

    2.1 溫度敏感性能

    瀝青材料的感溫性指標(biāo)是評(píng)價(jià)瀝青技術(shù)性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo),它是表征瀝青隨溫度而發(fā)生性質(zhì)變化幅度的指標(biāo),針入度指數(shù)PI值是目前國(guó)內(nèi)外最常用來描述瀝青感溫性的指標(biāo).我國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)規(guī)定針入度指數(shù)PI值為A 級(jí)瀝青-1.5~+1.0;B級(jí)瀝青-1.8~+1.0.

    對(duì)于我國(guó)大量使用多蠟瀝青的情況而言,針入度指數(shù)通常采用15,25,30 ℃3個(gè)溫度的針入度計(jì)算,要求3個(gè)溫度的針入度回歸的相關(guān)系數(shù)R應(yīng)不小于0.997.

    通過計(jì)算,得到不同巖瀝青摻量的復(fù)合膠結(jié)料的PI值見圖2.

    圖2 瀝青針入度指數(shù)

    由圖2可見,大部分軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的PI值都在-1.5~1.0之間變化,滿足規(guī)范A 級(jí)瀝青PI值的要求.并且,對(duì)于A,B 2種巖瀝青來說,隨著其外摻量的增加,與軟瀝青復(fù)配而成的膠結(jié)料的PI值均持續(xù)增大,材料的感溫性能逐漸弱化.表明巖瀝青的加入可顯著的改善復(fù)合膠結(jié)料的溫度敏感性能.

    2.2 高溫性能

    1)針入度 針入度試驗(yàn)是用以測(cè)定瀝青的稠度,實(shí)質(zhì)上是一種剪切蠕變實(shí)驗(yàn),物理意義為表觀粘度,反映了瀝青在荷載作用下的變形能力.試驗(yàn)采用了最常用的3個(gè)溫度:15,25和30 ℃,試驗(yàn)結(jié)果見圖3.

    圖3 不同巖瀝青摻加比例的復(fù)合膠結(jié)料針入度

    由圖3可見,在同一溫度下,摻加A 巖瀝青后的軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料隨著巖瀝青摻量的增加,其針入度值不斷減小,說明巖瀝青的加入能夠使軟瀝青變硬,從而使得復(fù)合膠結(jié)料抵抗變形能力增強(qiáng).而當(dāng)軟瀝青130#摻加巖瀝青含量為13%時(shí),其針入度值與70?;|(zhì)瀝青的值基本相當(dāng),即當(dāng)巖瀝青摻量大于13%時(shí),復(fù)合膠結(jié)料與普通70?;|(zhì)瀝青相比有更好的抗變形能力.

    2)軟化點(diǎn)與當(dāng)量軟化點(diǎn) 軟化點(diǎn)是道路瀝青最基本的性質(zhì)指標(biāo)之一,常用來表征瀝青材料的高溫性能,軟化點(diǎn)越高,瀝青的耐高溫性能也就越好.本次試驗(yàn)采用環(huán)與球法的測(cè)試方法來測(cè)定瀝青結(jié)合料的軟化點(diǎn),并計(jì)算了當(dāng)量軟化點(diǎn),試驗(yàn)結(jié)果見圖4.

    圖4 瀝青軟化點(diǎn)與當(dāng)量軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

    由圖4可知,復(fù)合膠結(jié)料的軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)都是隨著A,B 巖瀝青摻量的增加呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì),二者規(guī)律非常類似.對(duì)比發(fā)現(xiàn),當(dāng)130#瀝青中摻加A 巖瀝青13%時(shí),復(fù)合膠結(jié)料的軟化點(diǎn)與70?;|(zhì)瀝青相當(dāng).而B巖瀝青摻量則需達(dá)到將近40%才可使得軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的軟化點(diǎn)達(dá)到與70#相近的水平,這在一定程度上反映出巖瀝青中的瀝青含量對(duì)于軟化點(diǎn)的高低有較大影響.

    3)粘度 本次試驗(yàn)采用美國(guó)BROOKFIELD旋轉(zhuǎn)粘度儀DV-Ⅱ,試驗(yàn)方法為ASTM D4402.分別進(jìn)行不同巖瀝青摻量復(fù)合膠結(jié)料以及70#基質(zhì)瀝青和SBS 改性瀝青在120,135和160 ℃3個(gè)不同溫度下的粘度試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果見表5.

    由表5可見,軟瀝青加入巖瀝青后,在不同的溫度下其復(fù)合膠結(jié)料的粘度值都有明顯的提高,且隨著巖瀝青摻量的增加而增大.當(dāng)130#軟瀝青中摻加約15%巖瀝青時(shí),復(fù)合膠結(jié)料與70?;|(zhì)瀝青粘度值相當(dāng).

    表5 不同溫度瀝青粘度試驗(yàn)結(jié)果 Pa·s

    2.3 低溫性能

    1)延度 在我國(guó)現(xiàn)行的瀝青標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中,延度是評(píng)價(jià)瀝青低溫抗裂性能的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo).已有試驗(yàn)表明,HMA 的低溫抗裂性能與瀝青的5℃延度有著密切關(guān)系.按照試驗(yàn)規(guī)范,本次試驗(yàn)測(cè)試了基質(zhì)瀝青、軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料,以及SBS改性瀝青的5 ℃延度指標(biāo),試驗(yàn)結(jié)果見表6.

    表6 瀝青延度試驗(yàn)(5 ℃) Pa·s

    由表6可見,軟質(zhì)瀝青摻加巖瀝青后,5 ℃延度下降明顯,且隨著摻量的增加,延度下降愈加顯著.這意味著復(fù)合膠結(jié)料的低溫抗裂性能隨著巖瀝青摻量的增加而降低.且從A,B 2種不同礦物質(zhì)含量的巖瀝青試驗(yàn)結(jié)果可知,延度結(jié)果受礦物質(zhì)含量的影響較大.礦物質(zhì)含量越多,試驗(yàn)時(shí)當(dāng)拉伸瀝青試樣到一定長(zhǎng)度時(shí),礦物質(zhì)顆粒越易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而使結(jié)果受到影響.因此,延度指標(biāo)并不適用于評(píng)價(jià)軟硬瀝青復(fù)合膠結(jié)料的低溫抗裂性能.

    2)當(dāng)量脆點(diǎn) 經(jīng)大量的試驗(yàn)研究,認(rèn)為采用當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2作為評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性能指標(biāo)是合理的.

    試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見圖7.

    由圖7可見,復(fù)合膠結(jié)料的當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2隨著巖瀝青摻量的增加,先呈現(xiàn)下降趨勢(shì),當(dāng)下降到一定程度后呈現(xiàn)增加趨勢(shì).說明當(dāng)巖瀝青摻加比例在一定范圍之內(nèi),可以改善復(fù)合膠結(jié)料的低溫抗裂性能.當(dāng)A 巖瀝青摻量約13%時(shí),復(fù)合膠結(jié)料的當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2達(dá)到了最低值,而之后又隨著巖瀝青摻量的增加而增加.說明巖瀝青的摻加比例過高,會(huì)使復(fù)合膠結(jié)料的當(dāng)量脆點(diǎn)升高,低溫性能降低.

    圖7 當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2計(jì)算結(jié)果

    2.4 老化性能

    根據(jù)現(xiàn)行通用評(píng)價(jià)方法,本次試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)式薄膜加熱試驗(yàn)(RTFOT)來反映基質(zhì)瀝青、復(fù)合膠結(jié)料的抗老化性能,試驗(yàn)結(jié)果見表7.

    從老化前后25 ℃的針入度比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,軟瀝青摻加巖瀝青后其針入度比有明顯的提高,且隨著摻量的增加而增大,說明巖瀝青可以改善復(fù)合膠結(jié)料的抗老化性能.摻加B 巖瀝青后,其針入度比值增加不大,且當(dāng)比例增至40%時(shí)還有所下降,這主要是由于B巖瀝青含有大量的礦物顆粒,再加上礦物顆粒分布的分散性,影響了針入度試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

    表7 旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)結(jié)果

    3 結(jié) 論

    1)隨著巖瀝青外摻量的增加,復(fù)合膠結(jié)料的PI值均持續(xù)增大,材料的感溫性能逐漸弱化,即巖瀝青的加入可顯著改善復(fù)合膠結(jié)料的溫度敏感性能.

    2)對(duì)復(fù)合膠結(jié)料進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn),得出巖瀝青摻量的增加會(huì)提高復(fù)合膠結(jié)料的高溫性能、老化性能,且摻量越大,改善效果越明顯;但過高摻量的巖瀝青會(huì)降低復(fù)合膠結(jié)料的低溫性能.

    3)通過對(duì)比評(píng)價(jià)可知130#軟質(zhì)瀝青中摻加13%左右新疆巖瀝青制備的復(fù)合膠結(jié)料其性能略優(yōu)于普通70?;|(zhì)瀝青.

    [1]賈玉芳,黃 艷.溫拌瀝青混合料與環(huán)境保護(hù)[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2011(16):134-137.

    [2]劉至飛,吳少鵬,陳美祝,等.溫拌瀝青混合料現(xiàn)狀及存在問題[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(4):171-172.

    [3]楊小姻,李淑明,史保華.溫拌瀝青混合料的技術(shù)與應(yīng)用分析[J].石油瀝青,2007,21(4):58-61.

    [4]馬敬坤,李中秋.國(guó)產(chǎn)天然瀝青路用性能試驗(yàn)研究[J].公路交通科技,2004,21(9):25-27.

    [5]中國(guó)交通部公路科學(xué)研究所.印度尼西亞布敦巖天然瀝青路用性能研究報(bào)告[R].北京:中國(guó)交通部公路科學(xué)研究所,2001.

    [6]胡安宇,張永平,王 飛.基于軟硬瀝青復(fù)配的瀝青混合料溫拌技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2011,35(6):1170-1177.

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