膠粉顆粒分散溶脹工藝對瀝青混合料的性能影響研究

張 莉，魏海偉，宗 海

（1.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，江蘇 南京 210096；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088；3.南京長江第四大橋有限責任公司，江蘇 南京 210033）

膠粉顆粒分散溶脹工藝對瀝青混合料的性能影響研究

張 莉1，魏海偉2，宗 海3

（1.江蘇省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，江蘇 南京 210096；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088；3.南京長江第四大橋有限責任公司，江蘇 南京 210033）

根據(jù)膠粉瀝青形成機理，通過攪拌、剪切、膠體磨3種制備工藝、0.5 h、2 h、5 h、10 h 4種溶脹時間，制備7種膠粉瀝青，進行針入度、軟化點、延度、黏度測試，分析膠粉顆粒分散與溶脹情況對瀝青性能的影響，試驗結(jié)果表明分散顆粒細微、分散均勻、溶脹充分所獲得的瀝青性能最優(yōu)。

膠粉瀝青；分散；溶脹；性能

近年來，國內(nèi)汽車保有量與日俱增，道路交通發(fā)展迅速，道路橋梁建設(shè)工程技術(shù)要求不斷提高。大量觀測試驗路段結(jié)果表明，試驗路段早期破壞嚴重，表現(xiàn)為車轍、剝落、擁包、推移等病害；更有研究表明，引起破壞的原因集中于結(jié)構(gòu)、材料、施工這幾個方面，其中材料是最重要的因素［1］。

目前，路面鋪裝材料主要有普通AH-70瀝青、SBS改性瀝青、膠粉瀝青、環(huán)氧瀝青。從性能上而言，環(huán)氧瀝青最優(yōu)，其次分別是膠粉瀝青、SBS改性瀝青、普通AH-70瀝青；從經(jīng)濟性而言，膠粉瀝青的價格便宜并且將橡膠變廢為寶，SBS改性瀝青較貴；從粘結(jié)性能而言，膠粉瀝青屬于高黏瀝青，粘結(jié)性能優(yōu)于SBS改性瀝青和普通AH-70瀝青，不易產(chǎn)生水損、剝落。然而，膠粉瀝青的應(yīng)用并不廣泛，主要原因是制備技術(shù)不成熟，膠粉分散和溶脹工藝的不同對膠粉瀝青性能影響較大。本文通過膠粉顆粒在瀝青中不同分散方式與溶脹時間分析其性能變化規(guī)律［2-3］。

1 制備工藝

膠粉瀝青的性能主要取決于膠粉在瀝青中分散情況與膠粉吸收瀝青中輕質(zhì)組分溶脹情況。

1.1 分散工藝

膠粉瀝青及其混合料起源于20世紀40年代，最初方案為直接將膠粉顆粒加入混合料中，制備工藝簡單，膠粉的粒徑較大并不能起到改性的效果，且膠粉用量僅為2%；之后研發(fā)了早期濕法，主要通過機械攪拌將瀝青與膠粉攪拌制成含有膠粉顆粒的瀝青，此工藝采用的膠粉顆粒稍小，溶于瀝青中，但膠粉還是以顆粒的形式存在于混合料之中，混合料選用的級配必須是斷級配材料，使其存在缺陷。因此，后期濕法開始被大力發(fā)展。各制備工藝分散儀器如圖1所示。

后期濕法是將膠粉摻入瀝青之中，然后通過剪切作用，適當?shù)販p少膠粉顆粒，試圖將膠粉與瀝青兩個分散體合二為一。后期濕法制備的膠粉瀝青中膠粉顆粒被分散得較小，與瀝青發(fā)生溶脹作用更為顯著。研究表明，經(jīng)過后期濕法制備的膠粉瀝青進一步增大了瀝青的黏度，有助于高溫穩(wěn)定性的提高；另一方面，由于膠粉被剪切分散，溶于瀝青的膠粉量增加到了15%左右，進一步提高了膠粉瀝青的經(jīng)濟性［4］。

圖1　 膠粉瀝青各制備工藝分散儀器

1.2 溶脹工藝

瀝青和膠粉均為非極性高分子物質(zhì)，惰性較強，相互接觸不會發(fā)生直接的化學變化，其混合反應(yīng)過程非常復(fù)雜。膠粉在瀝青中結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，橡膠分子與瀝青分子相互作用在一起，使瀝青膠體結(jié)構(gòu)由膠質(zhì)包裹瀝青質(zhì)形成的膠體轉(zhuǎn)變?yōu)槟z粉顆粒為中心形成的膠體，從而改善了瀝青的性能［5-6］。

膠粉溶脹程度與其性能密切相關(guān)，當膠粉顆粒吸收瀝青中輕質(zhì)組分溶脹充分后，膠粉顆粒的鉸鏈得以打開，與瀝青融合成一個整體，增加了瀝青的高溫穩(wěn)定性與低溫抗裂性。影響溶脹的主要因素包括溶脹時間、溶脹溫度、溶脹壓強等。本文從時間與壓強的影響下，分析了溶脹對性能的影響。

2 試驗材料與試驗方案

2.1 試驗材料

（1）瀝青

瀝青選用AH-70普通瀝青，其技術(shù)指標如表1所示。

表1　 AH-70瀝青技術(shù)性能試驗結(jié)果

（2）膠粉

膠粉顆粒為安徽生產(chǎn)，其大小包括20目、40目、60目、80目。經(jīng)過文獻研究與室內(nèi)試驗測試，表明60目膠粉顆?？扇〉幂^理想的效果。本文選取60目膠粉進行室內(nèi)研究。

2.2 試驗方案

2.2.1 膠粉瀝青制備

為分析溶脹與分散兩種工藝對膠粉瀝青各指標的影響，選用控制變量法，測試在不同工藝下，膠粉瀝青溶脹不同時間后各性能指標變化規(guī)律。其中膠粉摻量為20%，并加入添加劑0.5%，試驗方案如表2所示。

表2　 膠粉瀝青制備方案

2.2.2 膠粉瀝青指標測試

分別考慮不同分散工藝、溶脹時間，室內(nèi)自制了7種不同制備工藝所產(chǎn)生的膠粉瀝青。按照《公路瀝青及其混合料試驗規(guī)程》要求，進行膠粉瀝青的三大指標（包括針入度、軟化點、延度）及黏度測試，分析膠粉不同分散情況與溶脹情況對瀝青性能的影響。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 分散工藝對瀝青性能影響

分別采用機械攪拌、高速剪切、膠體磨3種分散工藝在溶脹30 m in后，制得1#、5#、7# 3種瀝青，進行針入度、軟化點、延度、黏度試驗。試驗結(jié)果如表3所示。

表3　 不同分散工藝制得3種瀝青各性能試驗數(shù)據(jù)

由表4可知，采用不同分散工藝，相同分散時間制得的3種膠粉瀝青性能表現(xiàn)出不同的發(fā)展規(guī)律。其中，針入度與機制瀝青相比均有降低，1#針入度降低了21.0%，5#降低了14.5%，7#降低了11.3%，另外由針入度測試平行數(shù)據(jù)可知，7#的離散性最小，5#其次，1#離散較大。由此可知，膠體磨的分散效果最均勻，且存在于瀝青中的顆粒形式最細微。軟化點試驗結(jié)果與基質(zhì)瀝青相比均有提高，1#提高了19.8%，5#提高了15.4%，7#提高了5.8%，主要原因是膠粉的加入吸收了瀝青中的輕質(zhì)組分增加了瀝青的黏度，分散后膠粉存在顆粒越大，其吸收能力越差，其吸收的輕質(zhì)組分供溶脹使用，與瀝青不存在交換，以單獨顆粒形式存在于瀝青中；顆粒越小，膠粉的吸收能力越大，其溶脹更充分，與瀝青融合為一體，與瀝青可形成介質(zhì)交換，其吸收的輕質(zhì)組分絕大部分仍存在于瀝青中。因此，膠體磨分散效果最佳，其軟化點提高較少，與其它兩種相比，提高程度相差了10%以上，膠體磨的分散效果有質(zhì)的差別。延度試驗結(jié)果表明1#較基質(zhì)瀝青低，3#和7#較基質(zhì)瀝青高，主要是膠粉顆粒的摻入破壞了瀝青原鉸鏈，經(jīng)分散后，以微顆粒的形式存在，由于膠粉的高彈性，增加了瀝青低溫性能各性能指標如圖2 5所8示。

圖2　　分散工藝對瀝青各指標影響

3.2 溶脹工藝對瀝青性能影響

采用機械攪拌工藝分別溶脹0.5 h、2 h、5 h、10 h制得1#、2#、3#、4# 4種瀝青，進行針入度、軟化點、延度、黏度試驗。試驗結(jié)果如表4所示。

表4　 不同溶脹時間制得4種瀝青各性能試驗數(shù)據(jù)

由表4可知，隨著溶脹時間的增加，制得的4種膠粉瀝青各性能表現(xiàn)出不同的較有規(guī)律的發(fā)展變化。針入度隨著溶脹時間的增加而提高；軟化點隨著溶脹時間的增加而降低；延度隨著溶脹時間的增加而增大；黏度隨著溶脹時間的增加而減小。主要原因是膠粉在高溫下發(fā)生溶脹反應(yīng)，不斷吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，打開膠粉的鉸鏈，發(fā)揮其高彈特性，增加瀝青性能。各性能變化規(guī)律如圖3和圖4所示。

圖3　 針入度與軟化點變化規(guī)律圖

圖4　 延度與黏度變化規(guī)律圖

由圖3和圖4可知，針入度隨溶脹時間的增加增長趨勢先快后緩，對試驗結(jié)果進行擬合，發(fā)現(xiàn)與對數(shù)曲線存在較好的相關(guān)性，擬合方程為：P=2.306 9lnt+ 50.594，主要原因是膠粉顆粒未剪切分散，比表面積較大，溶脹緩慢，開始階段以單獨顆粒形式存在瀝青中，且由于未溶脹呈現(xiàn)出硬質(zhì)材料特性，針入度變大；溶脹時間增長后，膠粉鉸鏈打開，與瀝青成為一個混合體，針入度有所下降。軟化點隨時間增加先降低迅速后降低緩慢，對測試點擬合，得到相關(guān)方程：SP=-0.584lnt+57.121。延度隨著溶脹時間增加增長趨勢先大后小，基本滿足方程：D=5.062 9lnt+90.548，由方程可知，當膠粉摻入后，膠粉瀝青的低溫性能并不理想，較基質(zhì)瀝青低，主要是由于膠粉顆粒未溶脹，膠粉的高彈特性未得到發(fā)揮。結(jié)果表明，當采用機械攪拌6.5 h后，延度才滿足基質(zhì)瀝青的要求，并在之后有所增長。黏度一開始降低，溶脹時間5 h后，基本保持不變。

為進一步研究溶脹對膠粉瀝青各性能指標的影響，分析在較細顆粒下溶脹對瀝青性能影響，實測5# 和6#數(shù)據(jù)如表5所示。

表5　 高速剪切下不同溶脹時間瀝青各性能試驗數(shù)據(jù)

由表6可知，高速剪切下，隨溶脹時間的增長瀝青各性能表現(xiàn)出與機械攪拌相似的規(guī)律。且由5#、6#和1#、2#比較發(fā)現(xiàn)，經(jīng)剪切后，隨著溶脹時間的增加各性能增加的幅度明顯減低，由此可知，短時間的剪切分散所達到的效果更佳，同時也由于顆粒較細與高度動態(tài)效應(yīng)下，加快了膠粉的溶脹。6#與7#比較更說明了，膠體磨剪切的巨大優(yōu)勢，在短時間內(nèi)，實現(xiàn)了膠粉顆粒的分散與溶脹，各性能均優(yōu)異。

4 結(jié)論

為研究膠粉顆粒在瀝青中分散溶脹工藝對其性能的影響，分析不同剪切工藝與溶脹時間對性能的影響，通過室內(nèi)試驗獲得以下結(jié)論：

（1）在適當?shù)墓に嚄l件下制得的膠粉瀝青，各性能均較基質(zhì)瀝青提高，既增加了瀝青的高溫穩(wěn)定性、又增強了瀝青的低溫抗裂性能，是一種性能良好、環(huán)保經(jīng)濟的改性瀝青。

（2）試驗結(jié)果表明，膠粉以微顆粒存在于瀝青中時，制得的膠粉瀝青有較優(yōu)異的性能。微顆粒膠粉分散于瀝青中可形成均勻穩(wěn)定的體相，且微顆粒發(fā)生溶脹的時間較短，溶脹充分。

（3）分析表明，分散工藝對瀝青的性能影響較為顯著，而溶脹是否充分卻是瀝青性能變化的關(guān)鍵。在膠體磨剪切下，一方面磨細了膠粉顆粒，另一方面增加了膠粉與瀝青的介質(zhì)交換，均有助于溶脹的完成，可取得最優(yōu)異的膠粉瀝青。

［1］魏道新.半剛性基層瀝青路面損壞模式與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］.西安：長安大學，2010.

［2］馬獻忠.橡膠粉改性瀝青的工藝研［J］.同濟大學學報，2007 （6）：21-22.

［3］楊志峰，李美江，王旭東.廢舊橡膠粉在道路工程中應(yīng)用的歷史和現(xiàn)狀［J］.公路交通科技，2005，22（7）：19-22.

［4］Takallou H.B.，Takallou M. B. Effects of mixing time and temperature on the visco-elastic properties of asphalt rubber binder［C］∥Proceedings of the Asphalt Rubber 2003 Conference，2003.

［5］李廷剛.橡膠瀝青微觀機理研究及其公路工程應(yīng)用［J］.公路交通科技，2010（1）：25-30.

［6］王真真.廢舊橡膠粉改性瀝青混合機理及實驗研究［D］. 青島：青島科技大學，2012.

Study on Influence of Dispersion and Swelling Technology of Rubber Powder Granule on Asphalt Mixture Performance

Zhang Li1, Wei Haiwei2, Zong Hai3
（1. Jiangsu Testing Center for Quality of Construction Engineering Co., Ltd., Nanjing 210096, China; 2. CCCC Highway Consultants Co., Ltd, Beijing 100088, China; 3.Nanjing Yangtze River Fourth Bridge Co., Ltd, Nanjing 210033, China）

Based on the formation mechanism of crumb rubber asphalt, seven kinds of crumb rubber asphalts were made by three preparation process of stirring, shearing and colloid mill with four swelling time for 0.5 hours, 2 hours, 5 hours and 10 hours. Tests for penetration, softening point, ductility and viscosity were conducted to analyze effects of swelling and dispersion situation on the asphalt performance. The results showed that the crumb rubber asphalt had good performance when powder particles were small , well dispersed and swelling fully.

crumb rubber asphalt; dispersion; swelling; performance

U414

A

1672-9889（2016）04-0008-03

張莉（1981-），女，江蘇揚州人，工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)、市政工程檢測鑒定工作。

2015-09-24）