高黏復(fù)合改性瀝青的制備與工程應(yīng)用

范斌衛(wèi)，馬慶偉

(西安公路研究院，陜西 西安 710065)

0 引言

近年來(lái)，隨著交通重載情況的加劇和路面養(yǎng)護(hù)要求的提高，傳統(tǒng)SBS改性瀝青已很難完全滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需求［1］;而高黏度改性瀝青以其優(yōu)異的綜合性能、橡膠瀝青技術(shù)以其優(yōu)異的抗裂和抗老化性能都獲得了成功應(yīng)用。但是，高黏度改性瀝青的高成本和橡膠瀝青的復(fù)雜工藝，使二者的推廣應(yīng)用仍存在瓶頸。將二者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，開(kāi)發(fā)高性能的高黏復(fù)合改性瀝青技術(shù)，既保持高黏度改性瀝青的性能，又降低成本，同時(shí)簡(jiǎn)化橡膠瀝青的工藝，將是高性能改性瀝青的發(fā)展方向［2-5］。

SBS與膠粉復(fù)合改性瀝青的方法已廣為接受，但這些研究主要是利用SBS復(fù)合膠粉降低SBS用量，或提高SBS改性瀝青的耐老化性能;雖然對(duì)SBS復(fù)合高黏瀝青已有所涉及，但這些研究中SBS和膠粉分散尺寸不匹配，易造成貯存穩(wěn)定性差、黏度高、施工性能差等問(wèn)題［6-8］。高黏度改性瀝青一般指60℃黏度大于20 000 Pa·s的改性瀝青，它已在排水瀝青路面、應(yīng)力吸收層和防水黏結(jié)層施工上顯示出優(yōu)越的性能［9］。本文采用超細(xì)化嵌入嫁接技術(shù)，將膠粉脫硫微細(xì)化分散并嵌入到SBS中共交聯(lián)，制備高性能高膠改性瀝青，研究廢舊輪胎膠粉脫硫微納細(xì)化再生工藝、脫硫膠粉改性瀝青的制備和性能，以及SBS與脫硫膠粉的復(fù)合比例、共交聯(lián)工藝對(duì)性能的影響，最后依托陜北地區(qū)黃延高速公路的試驗(yàn)段，在材料設(shè)計(jì)與施工工藝兩方面對(duì)高黏復(fù)合改性瀝青的AC-20混合料進(jìn)行分析，為膠粉微納高黏復(fù)合改性瀝青技術(shù)的推廣提供參考。

1 材料及試驗(yàn)

(1)高黏復(fù)合改性瀝青。高黏復(fù)合改性瀝青是通過(guò)超細(xì)粒子填充嫁接技術(shù)制備的高黏復(fù)合改性瀝青。先將30目卡車(chē)輪胎膠粉通過(guò)高速剪切技術(shù)原位微納分散到瀝青中，然后與基質(zhì)瀝青(GS90)進(jìn)行混合，用15%微納膠粉與5%的SBS(LG501)進(jìn)行170℃混合反應(yīng)交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)SBS與膠粉的充分熔合嫁接。圖1(a)、(b)分別為高黏瀝青與高黏復(fù)合改性瀝青的顯微結(jié)構(gòu)，圖1(c)為高黏復(fù)合改性瀝青的微納結(jié)構(gòu)。

圖1 高黏復(fù)合改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)

對(duì)高黏復(fù)合改性瀝青以及SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 SBS改性瀝青和高黏復(fù)合改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)

高黏復(fù)合改性瀝青的密度及軟化點(diǎn)稍大于SBS改性瀝青，這主要是因?yàn)槟z粉的密度較大(1.15 g·cm－3)。膠粉的加入使得SBS改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度遠(yuǎn)小于復(fù)合改性瀝青，但高黏復(fù)合改性瀝青的60℃黏度較高，達(dá)120 000 Pa·s，顯示出優(yōu)異的黏結(jié)性能和耐高溫性能。另外，從實(shí)體工程的施工中發(fā)現(xiàn)，采用超細(xì)化嵌入嫁接技術(shù)制備的高黏復(fù)合改性瀝青貯存穩(wěn)定性較其他瀝青更優(yōu)［10-13］。

(2)礦料。本文所用的礦料均來(lái)自山西鄉(xiāng)寧縣西坡趙垛文星石料場(chǎng)，各檔礦料的密度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

(3)試驗(yàn)方法。試驗(yàn)方法包括延度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、針入度試驗(yàn)、燃燒爐法、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、車(chē)轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)等。

表2 礦料的密度試驗(yàn)結(jié)果

2 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及路用性能試

由于高黏復(fù)合改性瀝青中的膠粉微納分散，不用考慮對(duì)混合料進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，可直接用于SBS改性瀝青適用的各種級(jí)配。由于高黏復(fù)合改性瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)黏度為5.65 Pa·s，明顯大于SBS改性瀝青，因此高黏復(fù)合改性瀝青采用的試驗(yàn)溫度比SBS改性瀝青略高5℃左右，具體見(jiàn)表3。

通過(guò)試驗(yàn)確定出AC-20混合料采用5#倉(cāng)、4#倉(cāng)、3#倉(cāng)、2#倉(cāng)、1#倉(cāng)、礦粉的比例為 8 ∶35 ∶18 ∶7 ∶28∶4，最佳油石比為 4.5%。AC-20混合料的合成級(jí)配見(jiàn)表4，合成級(jí)配曲線見(jiàn)圖2，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)見(jiàn)表5，路用性能指標(biāo)見(jiàn)表6。

表3 高黏復(fù)合改性瀝青混合料的室內(nèi)試驗(yàn)溫度

表4 AC-20瀝青混合料合成級(jí)配

圖2 AC-20合成級(jí)配曲線

3 高黏復(fù)合改性瀝青混合料的施工工藝控制

(1)混合料的施工溫度控制。使用高黏復(fù)合改性瀝青的關(guān)鍵是控制溫度，由于高黏復(fù)合改性瀝青施工時(shí)黏度較高，因此各工序的施工溫度均比SBS改性瀝青提高約5℃左右。

(2)AC-20高黏復(fù)合改性瀝青混合料的拌合。加入達(dá)到規(guī)定溫度的集料，干拌5 s，再投入基于超細(xì)化嵌入嫁接技術(shù)的高黏復(fù)合改性瀝青，濕拌45 s。

表5 最佳瀝青用量時(shí)馬歇爾試件試驗(yàn)結(jié)果

(3)AC-20高黏復(fù)合改性瀝青混合料的運(yùn)輸。AC-20混合料應(yīng)采用雙橋車(chē)運(yùn)輸，料車(chē)的運(yùn)量應(yīng)該由拌合和攤鋪速度決定。運(yùn)輸車(chē)輛進(jìn)出場(chǎng)時(shí)應(yīng)由專(zhuān)人沖洗料車(chē)的底盤(pán)和車(chē)輪，防止雜物進(jìn)入施工范圍內(nèi)。

(4)AC-20高黏復(fù)合改性瀝青混合料的攤鋪。攤鋪機(jī)應(yīng)在攤鋪前的一天就位。在攤鋪機(jī)起步前應(yīng)該將AC-20混合料用量調(diào)整好再開(kāi)始攤鋪。AC-20高黏混合料的攤鋪速度控制在1.5 m·min－1左右，而且攤鋪應(yīng)做到均勻、緩慢、不間斷。

表6 高黏復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能

(5)AC-20高黏復(fù)合改性瀝青混合料的壓實(shí)。AC-20高黏混合料的壓實(shí)與SBS改性瀝青基本一致，使用鋼輪壓路機(jī)、輪胎壓路機(jī)交替碾壓。

4 路面檢測(cè)

在進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑前觀察混合料的外觀。目測(cè)結(jié)果為:混合料無(wú)花白料、拌合均勻、油石比合適。進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑期間，在運(yùn)料的第4車(chē)取樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)。

(1)礦料級(jí)配及油石比。在第4車(chē)運(yùn)料車(chē)取樣，在實(shí)驗(yàn)室采用燃燒法進(jìn)行礦料級(jí)配及油石比檢測(cè)，礦料級(jí)配在《黃延高速公路路面施工技術(shù)指南》要求的級(jí)配范圍內(nèi)，燃燒法的檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7，油石比為4.51%，與設(shè)計(jì)油石比(4.50%)基本相符。

(2)馬歇爾指標(biāo)。采用拌合機(jī)拌制的瀝青混合料在室內(nèi)成型馬歇爾試件，檢測(cè)體積及力學(xué)指標(biāo)，其中空隙率符合最佳油石比對(duì)應(yīng)的空隙率要求(4%～5%)，礦料間隙率(VMA)符合施工指南要求，飽和度(VFA)值略小于要求值的中值，但仍符合要求。

表7 礦料篩分結(jié)果

(3)路用性能指標(biāo)。在拌合機(jī)取樣，制作馬歇爾試件及車(chē)轍板，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表8，檢測(cè)數(shù)據(jù)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求。

表8 試驗(yàn)段路用性能檢測(cè)結(jié)果

(4)試驗(yàn)段厚度及壓實(shí)度指標(biāo)。試驗(yàn)段施工結(jié)束后24 h、路面溫度降低后，采用取芯法檢測(cè)路面厚度，芯樣自然風(fēng)干后檢測(cè)密度，計(jì)算壓實(shí)度及現(xiàn)場(chǎng)殘留空隙率。滲水系數(shù)在路面施工后次日采用路面滲水儀進(jìn)行檢測(cè)，每橫斷面測(cè)5處，以滲水系數(shù)均不大于80 mL·min－1為合格標(biāo)準(zhǔn)，合格率不小于60%則評(píng)定為合格。采用連續(xù)式平整度儀(八輪儀)分別對(duì)每個(gè)車(chē)道進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表9、10。

表9 試驗(yàn)段路面厚度及壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

表10 試驗(yàn)段路面滲水系數(shù)、平整度檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)確定出高黏復(fù)合改性瀝青AC-20混合料的22～28 mm、11～22 mm、7～11 mm、4～7 mm、0～4 mm礦料及礦粉比例為8∶35∶18∶7∶28∶4，最佳油石比為4.5%。

(2)采用超細(xì)化嵌入嫁接技術(shù)制備的高黏復(fù)合改性瀝青的60℃動(dòng)力黏度為120 000 Pa·s，顯示出優(yōu)異的黏結(jié)性能和耐高溫性能，而且其貯存穩(wěn)定性較其他瀝青更優(yōu)。

(3)相對(duì)于傳統(tǒng)的SBS改性瀝青，高黏度復(fù)合改性瀝青既利用了廢輪胎資源，又減少了SBS用量，還能夠適應(yīng)傳統(tǒng)SBS改性瀝青的工藝和施工方法，具有較高的性?xún)r(jià)比，極具發(fā)展前景，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

［1］ YANG Y Q，CHENG Y L.Preparation and Performance of Asphalt Compound Modified with Waste Crumb Rubber and Waste Polyethylene［J］.Advances in Materials Science and Engineering，2016(1):142-150.

［2］ WANG L，XJNG Y M，CHANG C Q.Experimental Studies on Microstructure and Technical Performance of Multiphase Compound Crumb Rubber Modified Asphalt［J］.ICCTP，2010(382):2920-2926.

［3］ 王仕峰.廢舊輪胎資源化應(yīng)用之“道”［J］.中國(guó)輪胎資源綜合利用，2015(3):22-28.

［4］ 劉貞鵬.SBS/橡膠復(fù)合改性瀝青混合料高溫性能研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2014.

［5］ 牟建波，張?zhí)m軍.高粘度改性瀝青的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究［J］.公路，2001(1):33-36.

［6］ 馬朝鮮.復(fù)合改性橡膠瀝青應(yīng)用技術(shù)研究［J］.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2015，32(12):46-53.

［7］ 王仕峰，馬慶豐，李劍新.排水路面用高黏度改性瀝青的研究與應(yīng)用進(jìn)展［J］.石油瀝青，2012，26(1):1-8.

［8］ 王 蔚，何 亮，王大為，等.橡膠瀝青及混合料低溫性能研究進(jìn)展［J］.公路，2016(1):181-187.

［9］ 郭立華.復(fù)合改性瀝青及混合料在加鋪層中的應(yīng)用研究［J］.交通科技，2016(3):162-165.

［10］ 王仕峰，吳曉羽，楊思遠(yuǎn)，等.嵌入式膠粉復(fù)合SBS改性瀝青的結(jié)構(gòu)與性能［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2016，19(3):534-538.

［11］ 王 龍，姚衛(wèi)濤，馬慶偉.高黏復(fù)合改性瀝青AC-20配合比設(shè)計(jì)與施工［J］.山西建筑，2016，42(24):123-124.

［12］ 王元元，董 強(qiáng)，李昌洲.廢塑膠粉復(fù)合改性瀝青及其混合料性能研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，31(5):979-981.

［13］ 黃橋連.高粘度改性瀝青SMA鋪裝技術(shù)在鋼箱梁橋面鋪裝中應(yīng)用［J］.北方交通，2013(1):45-47.