道路用冬季冷補(bǔ)瀝青添加劑的制備開發(fā)

隋 欣 錄

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 研究目的

我國大量早期建成的瀝青路面已經(jīng)或即將進(jìn)入養(yǎng)護(hù)高峰期，冷補(bǔ)瀝青因其在路面坑槽修補(bǔ)方面的高效高強(qiáng)等性能優(yōu)勢備受青睞。但由于其造價較昂貴，且其技術(shù)性能對于國內(nèi)高寒區(qū)環(huán)境存在不適應(yīng)，較大的限制了冷補(bǔ)材料的推廣。目前國內(nèi)對于冷補(bǔ)添加劑的開發(fā)仍處于發(fā)展階段，尚無成熟的高性價比產(chǎn)品，所以研究一種高性能、經(jīng)濟(jì)及環(huán)保的冷補(bǔ)添加劑是我們主要目的。冷補(bǔ)瀝青分為乳液型和溶劑型，溶劑型瀝青冷補(bǔ)添加劑對低溫環(huán)境施工的適應(yīng)性更好，為主要研究方向。

路面坑槽的及時與快速修補(bǔ)對保證道路的安全順暢通行意義重大；同時，相對于受到施工環(huán)境嚴(yán)格限制的熱補(bǔ)，冷補(bǔ)可改善工人的勞動條件、減輕環(huán)境的污染壓力,因此推廣冷補(bǔ)瀝青混合料對社會、經(jīng)濟(jì)效益成就顯著。

2 項(xiàng)目內(nèi)容

基于前述的研究目的，提出如下三方面的主要研究內(nèi)容：

1)通過分析冷補(bǔ)添加劑與瀝青之間的相容性和其與瀝青、礦料之間的催化作用這兩種不同機(jī)理的冷補(bǔ)添加劑技術(shù)原理與性能特征，有針對性地選擇技術(shù)方案。

2)選擇冷補(bǔ)添加劑原材料，對冷補(bǔ)添加劑進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，確定合適的合成單體成分和劑量并針對主要成分的技術(shù)特點(diǎn)，考慮工程應(yīng)用便利性等條件研究其合成技術(shù)。

3)冷補(bǔ)添加劑的應(yīng)用性能驗(yàn)證。由前述所確定的幾種有代表性的合成材料通過大量的冷補(bǔ)瀝青混合料路用性能的室內(nèi)試驗(yàn)方法及評價指標(biāo)，最終確定一種工作性能良好、硬化速度較快、耐高溫、無明顯老化現(xiàn)象且適于我國高寒環(huán)境的冷補(bǔ)添加劑。

本項(xiàng)目將通過三大指標(biāo)試驗(yàn)、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)以及車轍試驗(yàn)，驗(yàn)證不同成分不同劑量的冷補(bǔ)添加劑對于實(shí)際工程中成品冷補(bǔ)瀝青需具備的多項(xiàng)基礎(chǔ)性能，如工作性、硬化速度、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性為考核指標(biāo)。同時本項(xiàng)目將在原材料選擇上進(jìn)行創(chuàng)新，用廢舊輪胎橡膠粉(40目以下)代替常用SBR或SBS，環(huán)保、再生，節(jié)約能源，最終成品于寒區(qū)冬季施工使用(-20 ℃)，也能適應(yīng)寒區(qū)冬寒冷夏炎熱的服役使用。

3 冷補(bǔ)瀝青混合料技術(shù)機(jī)理

針對已有冷補(bǔ)瀝青混合料進(jìn)行性能檢測。瀝青是一種黏彈塑性材料，溫度升高時其黏度降低，此時可進(jìn)行瀝青混合料的拌和、攤鋪、壓實(shí)等操作。溫度越低，瀝青黏度越大，此時混合料顆粒間相互黏結(jié)，混合料快速成型，達(dá)到能夠滿足實(shí)際工程需要的強(qiáng)度。

摩爾—庫侖理論可以用來分析一般熱拌瀝青混合料的強(qiáng)度，通過對混合料試件進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，得到材料的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和正應(yīng)力σ，可知瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度:τ=c+σtanφ，其中,τ為瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，MPa;c為瀝青混合料的黏聚力，MPa;σ為瀝青混合料的正應(yīng)力，MPa。

冷補(bǔ)瀝青混合料是由幾種主要成分構(gòu)成的混合體系，主要包括瀝青、礦料、添加劑和稀釋劑，因此其強(qiáng)度形成機(jī)理也可以通過摩爾—庫侖理論進(jìn)行分析。在此理論基礎(chǔ)上，對已有冷補(bǔ)瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，得到基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：最大強(qiáng)度2.02 kN，最大流值3.92 mm。

4 冷補(bǔ)瀝青添加劑原材料的選擇

利用熱拌瀝青混合料進(jìn)行瀝青路面修補(bǔ)時，需將其加熱到150 ℃以上，然后在140 ℃左右下進(jìn)行攤鋪和壓實(shí)，在這個過程中瀝青將會老化，消耗許多能量，同時也對環(huán)境產(chǎn)生一定的污染。因此，能夠在常溫下拌和攤鋪壓實(shí)的冷補(bǔ)瀝青混合料的制備開發(fā)就顯得尤為重要。

冷補(bǔ)瀝青分為乳液型和溶劑型，溶劑型瀝青冷補(bǔ)添加劑對低溫環(huán)境施工的適應(yīng)性更好，為主要研究方向。本項(xiàng)目冷補(bǔ)添加劑的制備預(yù)選用航空煤油、廢舊橡膠粉、C5或C9石油樹脂、RC-10礦物油。

航空煤油可稀釋瀝青，增強(qiáng)瀝青低溫流動性；廢舊橡膠粉可以使瀝青的高低溫性能得到改善，也可以減少瀝青路面的病害，同時廢舊橡膠粉可回收利用，利于環(huán)境保護(hù)；C5或C9石油樹脂具有一定的延展性和硬度，可增強(qiáng)瀝青的粘結(jié)性；RC-10礦物油作穩(wěn)定劑，使本冷補(bǔ)添加劑具有較長的貯存時間。

5 冷補(bǔ)瀝青混合料的制備流程

冷補(bǔ)瀝青混合料的制備流程與熱拌瀝青混合料相比要簡單的多，施工也更加簡單，工序不繁瑣，便于運(yùn)輸和儲存。采用冷補(bǔ)瀝青混合料進(jìn)行路面修補(bǔ)，可避免加重坑槽的損害，使得路面使用壽命延長。其生產(chǎn)工藝主要有下面幾步。

5.1 瀝青的改性

冷補(bǔ)改性瀝青指標(biāo)試驗(yàn)選擇90號基質(zhì)瀝青，加入添加劑拌和后制備成冷補(bǔ)瀝青液。冷補(bǔ)瀝青液的制備實(shí)質(zhì)就是將基質(zhì)瀝青改性，所需添加劑分為預(yù)聚體A和預(yù)聚體B，其具體操作為:

首先加熱適量基質(zhì)瀝青，控制溫度在115 ℃～125 ℃之間，然后根據(jù)瀝青的質(zhì)量按比例15∶1添加預(yù)聚體B，邊加邊攪拌均勻，用剪切機(jī)剪切30 min。然后再根據(jù)瀝青的質(zhì)量按比例15∶7添加預(yù)聚體A，用剪切機(jī)剪切20 min。拌制混合料時溫度不能太高，防止稀釋劑揮發(fā)，溫度控制在110 ℃左右。

5.2 預(yù)聚體A和預(yù)聚體B的生產(chǎn)工藝

1)制備預(yù)聚體A：取適量礦物油加入高速剪切機(jī)中，升溫至60 ℃～80 ℃時，加入預(yù)先稱量好的C5石油樹脂，繼續(xù)升溫至80 ℃～90 ℃時，啟動高速剪切機(jī)剪切30 min～40 min，制得預(yù)聚體A，其中礦物油∶C5石油樹脂=5∶1。

2)制備預(yù)聚體B：取適量煤油加入高速剪切機(jī)中，升溫至30 ℃～40 ℃時，加入廢舊橡膠粉，恒溫加熱20 min～30 min后，啟動高速剪切機(jī)剪切的同時繼續(xù)升溫，溫度達(dá)到90 ℃～100 ℃時加入預(yù)先稱量好的C9石油樹脂，恒溫剪切30 min～40 min，制得預(yù)聚體B，其中煤油∶廢舊橡膠粉∶C9石油樹脂=4∶1∶1。

5.3 冷補(bǔ)瀝青混合料的拌制

1)按照已經(jīng)確定好的集料級配配置好集料，然后將其倒入拌和機(jī)械中，拌和溫度為30 ℃，拌和時間為1 min。

2)根據(jù)試驗(yàn)確定的最佳瀝青用量制備冷補(bǔ)瀝青混合料，將改性瀝青倒入拌和機(jī)械中，拌和時間為10 min。

3)按照礦粉的計算用量添加礦粉，拌和時間為5 min。

4)將冷補(bǔ)瀝青混合料裝入袋中密封，使用時可直接進(jìn)行攤鋪，壓實(shí)。

6 研究結(jié)論

本冷補(bǔ)添加劑的開發(fā)與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下優(yōu)點(diǎn)。

1)本冷補(bǔ)添加劑制造容易，用現(xiàn)有設(shè)備在加熱條件下進(jìn)行高速剪切和膠體研磨工藝即可制備。

2)使用本冷補(bǔ)添加劑配制成的道路路面材料具有優(yōu)良的水穩(wěn)定性、低溫抗裂性和高溫穩(wěn)定性，既適于修補(bǔ)北方高寒區(qū)，也適于修補(bǔ)其他氣候條件地區(qū)的道路路面，適用范圍廣。

3)使用本冷補(bǔ)添加劑配制成的道路路面材料，可存放較長時間，根據(jù)不同道路施工要求配制的各種路面材料貯存時間最低可放置半年。

4)使用本冷補(bǔ)添加劑配制成的道路路面材料，在施工時多取的量可以經(jīng)儲存后再用，不會浪費(fèi)材料，節(jié)能環(huán)保。

5)使用本冷補(bǔ)添加劑配制成的道路路面材料，可在低溫環(huán)境下直接進(jìn)行路面施工，摒棄傳統(tǒng)的熱拌施工方法，施工方便快捷，對環(huán)境污染較小，不需封閉交通。