泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能與評(píng)價(jià)指標(biāo)

顧　帆,徐　波,王　凱

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098；2.南京南部路橋工程有限公司，江蘇 南京 211399)

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泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能與評(píng)價(jià)指標(biāo)

顧帆1,徐波1,王凱2

(1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098；2.南京南部路橋工程有限公司，江蘇 南京 211399)

摘要：為研究泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能并探討其評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)泡沫溫拌橡膠瀝青和發(fā)泡后溫拌苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene-butadiene-styrene,SBS)改性瀝青進(jìn)行了延度試驗(yàn)、彎曲梁流變?cè)囼?yàn)和動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，探討采用延度值、蠕變勁度模量S和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg評(píng)價(jià)泡沫溫拌橡膠瀝青低溫性能指標(biāo)的合理性。研究結(jié)果表明：在低溫條件下，蠕變勁度模量S和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的數(shù)據(jù)顯示泡沫溫拌橡膠瀝青低溫性能優(yōu)于泡沫溫拌SBS改性瀝青，但延度值數(shù)據(jù)呈現(xiàn)相異結(jié)論。分析認(rèn)為延度值不適宜評(píng)價(jià)泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能，而玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg作為低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一定的可行性。

關(guān)鍵詞：泡沫瀝青；橡膠瀝青；低溫性能；評(píng)價(jià)指標(biāo)

0引言

橡膠瀝青技術(shù)在治理廢舊輪胎“黑色污染”方面有著特殊的作用，但橡膠瀝青的黏度高，其混合料在生產(chǎn)和施工過程中要求高溫拌和、高溫?cái)備伜透邷啬雺海粌H消耗了大量的能源，而且還會(huì)排放出大量的廢氣，對(duì)周圍環(huán)境造成污染，影響施工人員的身體健康[1-2]。文獻(xiàn)[3-4]研究證明了泡沫溫拌技術(shù)可以較好地解決這一問題。雖然在瀝青發(fā)泡條件與性能的研究上，眾多研究者都做了相當(dāng)多的工作，但對(duì)于泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能與評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究還不完善。

文獻(xiàn)[5]研究了瀝青發(fā)泡的條件，并且指出任何瀝青在一定條件下都可以發(fā)泡。文獻(xiàn)[6]研究發(fā)現(xiàn)泡沫瀝青混合料的性能由集料和瀝青種類決定，使用PG70-22M膠結(jié)料的泡沫溫拌瀝青混合料的性能優(yōu)于熱拌瀝青混合料的性能。文獻(xiàn)[7]對(duì)泡沫瀝青的熱拌混合料、溫拌混合料和半溫拌混合料的性能進(jìn)行了對(duì)比，認(rèn)為泡沫瀝青熱拌和溫拌混合料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合普通熱拌瀝青混合料的要求。文獻(xiàn)[8]論證得出：瀝青路面的低溫抗裂性能在寒冷地區(qū)尤為重要。然而，目前對(duì)于如何評(píng)價(jià)泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能還沒有系統(tǒng)的研究。

本文采用延度值、蠕變勁度模量S和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg這3個(gè)指標(biāo)對(duì)泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并與發(fā)泡后溫拌苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene-butadiene-styrene,SBS)改性瀝青進(jìn)行對(duì)比研究。

1試驗(yàn)材料

1.1原材料

試驗(yàn)采用的橡膠瀝青與SBS改性瀝青的性能指標(biāo)如表1所示。試驗(yàn)發(fā)泡用水為普通自來水。

1.2泡沫溫拌瀝青的室內(nèi)制備

室內(nèi)發(fā)泡試驗(yàn)采用德國(guó)維特根WLB 10發(fā)泡試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)主要由瀝青加熱桶、水流量計(jì)、壓縮空氣罐、瀝青泵和壓力調(diào)節(jié)器等組成。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究成果，選擇如下方案制備試驗(yàn)所用的泡沫瀝青：(1)泡沫溫拌SBS改性瀝青加熱溫度為170 ℃，發(fā)泡用水量分別為瀝青質(zhì)量的0%、1%、2%和3%；(2)泡沫溫拌橡膠瀝青加熱溫度為185 ℃，發(fā)泡用水量分別為瀝青質(zhì)量的0%、1%、2%和3%。發(fā)泡水溫度均為30 ℃。

表1　瀝青的性能指標(biāo)

2試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

2.1方法

本文試驗(yàn)均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行，采用3次平行試驗(yàn)取平均值的方式得出結(jié)果。

2.1.1延度試驗(yàn)方法

將保溫后的試件連同底板移入延度儀的水槽中，然后將盛有試樣的試模自玻璃板或不銹鋼板上取下，將試模兩端的孔分別套在滑板及槽端固定板的金屬柱上，并取下側(cè)模。

開動(dòng)延度儀，在試驗(yàn)中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)瀝青細(xì)絲浮于水面或沉入槽底時(shí)，在水中加入酒精或食鹽，調(diào)整水的密度至與試樣相近后，重新試驗(yàn)。試件拉斷時(shí)，讀取指針?biāo)笜?biāo)尺上的讀數(shù)，以cm計(jì)。如此進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，記錄拉斷時(shí)數(shù)據(jù)，取平均值。

2.1.2彎曲梁流變?cè)囼?yàn)方法

按照試驗(yàn)要求制作試模，試件脫模后，立即放入試驗(yàn)溫度的恒溫浴中，恒溫保持60 min后，將試件放置于支架上。將試驗(yàn)荷載和試驗(yàn)溫度等有關(guān)信息輸入到計(jì)算機(jī)中。向試件手動(dòng)施加一個(gè)35 mN的接觸荷載，施加荷載時(shí)間不能大于10 s，且保證試件與荷載之間的接觸。激活自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，記錄荷載與形變值。如此進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，取平均值。

2.1.3動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)方法

調(diào)整試驗(yàn)的板間隙后，將試件溫度升到試驗(yàn)溫度，在應(yīng)力或應(yīng)變控制方式下進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)溫度達(dá)到平衡時(shí)，設(shè)備將自動(dòng)以10 rad/s的頻率和選擇的應(yīng)力(應(yīng)變)目標(biāo)值進(jìn)行試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，用于計(jì)算復(fù)合剪切模量和相位角。如此進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，取平均值。

2.2延度試驗(yàn)結(jié)果與分析

選擇5 ℃作為延度試驗(yàn)溫度，分別測(cè)試了不同發(fā)泡用水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))下的泡沫溫拌SBS改性瀝青和泡沫溫拌橡膠瀝青的延度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　泡沫溫拌瀝青的延度值　cm

從表2的數(shù)據(jù)可以看出：隨著發(fā)泡用水量的增加，泡沫溫拌SBS改性瀝青的延度值呈現(xiàn)先降低后逐漸升高趨勢(shì)，最終略高于未發(fā)泡前的延度值。在發(fā)泡用水量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，泡沫溫拌SBS改性瀝青的延度值大于發(fā)泡前的延度值，低溫性能有所改善。隨著發(fā)泡用水量的增加，泡沫溫拌橡膠瀝青的延度值均升高，在發(fā)泡用水量為3%時(shí)，延度值比發(fā)泡前的增大了16.3%，低溫性能提高較為明顯。此外，泡沫溫拌橡膠瀝青的延度值小于泡沫溫拌SBS改性瀝青，這是因?yàn)镾BS改性劑加入到瀝青中，形成加勁網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。而橡膠粉摻入到瀝青中會(huì)發(fā)生溶脹作用，在受拉過程中，拉伸方向產(chǎn)生較大的應(yīng)變，致使膠粉顆粒與瀝青界面的應(yīng)力集中，導(dǎo)致試件容易被拉斷。所以，使用延度值評(píng)價(jià)橡膠瀝青的低溫性能所得到的結(jié)果偏小，且易出現(xiàn)波動(dòng)(如發(fā)泡用水量為1%的泡沫溫拌橡膠瀝青)。因此，延度值指標(biāo)不適合用來評(píng)價(jià)泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能。

2.3彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)儀器采用美國(guó)CANNON公司生產(chǎn)的彎曲梁流變儀，分別選用-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃的蠕變勁度S和蠕變速率m，對(duì)泡沫溫拌SBS改性瀝青和泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]。試驗(yàn)60 s的S值和m值見表3。

表3　泡沫溫拌瀝青的蠕變勁度S和蠕變速率m

由表3可知：以-12 ℃為例，泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能優(yōu)于泡沫溫拌SBS改性瀝青。隨著發(fā)泡用水量的增加，泡沫溫拌SBS改性瀝青的蠕變勁度S值先升高后降低，而蠕變速率m輕微降低；當(dāng)發(fā)泡用水量為3%時(shí)，泡沫溫拌SBS改性瀝青的蠕變勁度S值小于發(fā)泡前，低溫性能得到改善。泡沫溫拌橡膠瀝青的蠕變勁度S明顯比發(fā)泡前的蠕變勁度降低，而且蠕變速率m升高，說明泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能得到提高。隨著發(fā)泡用水量的增加，泡沫溫拌橡膠瀝青的蠕變勁度S呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，蠕變速率m變化不明顯；當(dāng)發(fā)泡用水量為3%時(shí)，蠕變勁度S最低，比泡沫溫拌橡膠瀝青發(fā)泡前的低溫性能提高了18.8%。

2.4動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果與分析

采用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg評(píng)價(jià)泡沫溫拌瀝青的低溫性能，Tg越大瀝青低溫性能越差。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg不僅具有明確的物理意義，而且評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫性能更為合理、準(zhǔn)確，得到的評(píng)價(jià)結(jié)果與瀝青混合料低溫性能的評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性較好[10-11]。

在動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)中，復(fù)數(shù)剪切模量G*是材料重復(fù)剪切變形時(shí)總阻力的度量，它包括兩部分：儲(chǔ)存彈性模量G’(彈性可恢復(fù))和損失彈性模量G’’(黏性不可恢復(fù))。為模擬實(shí)際路面中瀝青受到不同溫度及不同頻率動(dòng)荷載的作用，使用美國(guó)TA-AR1500EX型動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試了發(fā)泡溫拌SBS改性瀝青和發(fā)泡溫拌橡膠瀝青的損失彈性模量G’’。建立損失彈性模量對(duì)數(shù)值logG’’- 溫度T曲線圖，然后進(jìn)行回歸擬合計(jì)算，得到不同發(fā)泡用水量下的泡沫溫拌SBS改性瀝青和泡沫溫拌橡膠瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，如表4所示。

表4　泡沫溫拌瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg　℃

由表4可知：隨著發(fā)泡用水量的增加，泡沫溫拌SBS改性瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度先增大后降低；當(dāng)發(fā)泡用水量為3%時(shí)，泡沫溫拌SBS改性瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度小于發(fā)泡前的Tg，低溫性能得到改善。泡沫溫拌橡膠瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度比橡膠瀝青發(fā)泡前的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均降低，說明泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能得到改善。隨著發(fā)泡用水量的增加，泡沫溫拌橡膠瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢(shì)；當(dāng)發(fā)泡用水量為3%時(shí)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降幅最大，泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能改善最明顯。

3結(jié)論

(1)加水發(fā)泡后，泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能得到提高，強(qiáng)于橡膠瀝青發(fā)泡前的低溫性能。隨著發(fā)泡用水量的增加，泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能呈現(xiàn)逐漸升高趨勢(shì)。當(dāng)發(fā)泡用水量為3%時(shí)，泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能改善最明顯。

(2)延度試驗(yàn)得到泡沫溫拌橡膠瀝青的5 ℃延度值小于泡沫溫拌SBS改性瀝青，因此，延度指標(biāo)不適合用來評(píng)價(jià)泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能。

(3)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg具有明確的物理意義，采用Tg評(píng)價(jià)泡沫溫拌橡膠瀝青的低溫性能，其評(píng)價(jià)結(jié)果與采用蠕變勁度S的評(píng)價(jià)結(jié)果大體上一致，具有一定的可行性。

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中圖分類號(hào)：U414

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-03-26

作者簡(jiǎn)介：顧帆(1992-),男,江蘇常州人,碩士生,研究方向?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)與材料.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278173);江蘇省交通運(yùn)輸廳基金項(xiàng)目(2012Y39)

文章編號(hào)：1672-6871(2016)03-0069-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.03.015