彩色瀝青混合料的設(shè)計(jì)及路用性能的影響因素

孔令云, 李春萍, 顧 韜

(1.重慶交通大學(xué)， 交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 重慶 400074； 3.重慶通力高速公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司, 重慶 400074)

隨著中國(guó)道路建設(shè)的不斷發(fā)展和完善,彩色路面逐漸進(jìn)入人們的視野,因其發(fā)揮的獨(dú)特作用而得到了人們的大力推廣[1-3]。彩色瀝青,又稱彩色膠結(jié)料,是彩色路面的重要組成成分之一。目前,彩色瀝青多為人工合成物質(zhì),多以石油化工產(chǎn)品為基礎(chǔ),摻加一定量的改性物質(zhì),合成出一種能夠與道路石油瀝青性質(zhì)相似的一種材料[4-5],因此彩色瀝青的原材料組成及摻配比例各家略有不同。唐儀興等[6]通過馬歇爾試驗(yàn)、多輪車轍儀(rotary loaded wheel tester,CPN)和紫外線輻射室內(nèi)模擬等方法,研究了彩色瀝青混合料的常規(guī)路用性能指標(biāo)。唐新德等[7]利用鈦酸酯偶聯(lián)劑對(duì)彩色膠結(jié)料進(jìn)行改性,提高了彩色膠結(jié)料與集料的粘附性及混合料的路用性能。趙亮等[8]通過采用SBS(styrene-buta-diene-styrene)和EVA(ethyl vinyl acetate)復(fù)合改性了C9樹脂和芳烴油,得到了性能良好的淺色瀝青膠結(jié)料。周月明[9]通過對(duì)三種目前中國(guó)主要的彩色路面公交專用道的性能進(jìn)行對(duì)比分析,提出了雙組分彩色陶瓷顆粒公交專用道彩色路面的相關(guān)技術(shù)要求和方法。趙小彥[10]通過添加SBS對(duì)彩色瀝青進(jìn)行性能提高,制備了3種顏色的彩色瀝青,并對(duì)改性后的混合料路用性能進(jìn)行了研究。徐鵬等[11]基于測(cè)力延度試驗(yàn)方法對(duì)車彩色瀝青的低溫流變性進(jìn)行了研究分析。王永清等[12]基于凝膠滲透色譜法,對(duì)比分析了基質(zhì)瀝青與彩色瀝青的相對(duì)分析質(zhì)量及分布特性、相變溫度、熱失重溫度等關(guān)系。

由前人研究成果可知,目前關(guān)于彩色膠結(jié)料、路用性能方面的標(biāo)準(zhǔn)尚未有統(tǒng)一的規(guī)范,依舊沿用道路瀝青的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行要求,可以看出當(dāng)前彩色膠結(jié)料和彩色混合料方面的研究工作較為豐富,而關(guān)于顏料與膠結(jié)料性能對(duì)于彩色瀝青混合料的性能影響方面研究較少。考慮到重慶地區(qū)高溫顯著,通過四組分原材料:基礎(chǔ)油A、樹脂B、改性劑C、脫色劑D,通過大量試錯(cuò)性實(shí)驗(yàn)及正交試驗(yàn),確定出四種原材料的組分配比為40∶35∶3.5∶5,通過變化改性劑的型號(hào)(100號(hào)、105號(hào)、110號(hào)、115號(hào)),加入4種不同顏色的無(wú)機(jī)顏料:氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鉻綠和氧化鐵藍(lán),制備出4種彩色膠結(jié)料Cb-a、Cb-b、Cb-c和Cb-d,結(jié)合礦料篩分試驗(yàn)結(jié)果,確定混合料類型為AC-13,采用規(guī)劃求解的方法,對(duì)混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),制備出4種彩色瀝青混合料,并對(duì)其路用性能進(jìn)行了研究。

1 彩色膠結(jié)料制備機(jī)理

一般來(lái)說(shuō),高分子共聚物的制備方法包括互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)法、機(jī)械共混法及共聚-共混法[13]等。彩色瀝青的制備通常是采用機(jī)械共混法,通過選擇熔融溫度相接近、彈性模量相接近的高聚物,通過高速剪切機(jī)的強(qiáng)剪切力,使一部分高聚物降解成一定數(shù)量的接枝聚合物或者嵌段聚合物,從而使得不同的聚合物基團(tuán)直接相容。目前在彩色膠結(jié)料制備方面,普遍是采用樹脂加基礎(chǔ)油共混體系,通過加入不同的改性劑、不同粒徑顏料提高彩色膠結(jié)料的綜合性能,通過設(shè)備強(qiáng)力剪切,形成顏料-基礎(chǔ)油-改性劑三者穩(wěn)定體系,從而制得高分子聚合物:彩色膠結(jié)料。熒光顯微鏡下通過機(jī)械共混法混合均勻的彩色膠結(jié)料如圖1所示。

2 試驗(yàn)材料

2.1 原材料

2.1.1 彩色膠結(jié)料

采用彩色膠結(jié)料為自制,原材料中,基礎(chǔ)油A是一種芳烴油,起著飽和分和芳香分的作用,樹脂B可以增加膠結(jié)料的黏性,起著膠質(zhì)的作用,改性劑C是一種蠟,起著改善膠結(jié)料的高、低溫性能的作用,脫色劑D起著改善膠結(jié)料顏色的作用,這4種物質(zhì)的性能指標(biāo)如表1～表4所示。4種無(wú)機(jī)顏料分別是氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鉻綠和氧化鐵藍(lán),其平均粒徑分別為1.07、1.52、0.81、1.21 μm,彩色膠結(jié)料原材料如圖2所示。

2.1.2 集料

選用玄武巖骨料,骨料規(guī)格為碎石,參考《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)[14]、《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[15]測(cè)定集料各項(xiàng)指標(biāo),粗細(xì)集料基本性能指標(biāo)符合規(guī)范要求。

圖1 熒光顯微鏡下的彩色膠結(jié)料體系Fig.1 Color binder system under fluorescence microscope

表1 基礎(chǔ)油A的性能指標(biāo)

表2 樹脂B的性能指標(biāo)

表3 改性劑C的技術(shù)指標(biāo)

表4 脫色劑D的性能指標(biāo)

圖2 彩色膠結(jié)料原材料圖Fig.2 Raw material drawing of color cementing material

2.1.3 填料

填料由礦粉和無(wú)機(jī)顏料構(gòu)成。礦粉的主要成分是CaCO3和Ca(OH)2,加入混合料后,它們顯現(xiàn)堿性,可以中和彩色膠結(jié)料和玄武巖中的酸性組分,從而增加膠結(jié)料對(duì)集料的黏附性；4種無(wú)機(jī)顏料試驗(yàn)前進(jìn)行加熱處理,以防止水分存在。

2.2 彩色膠結(jié)料的制備

將烘箱、油浴鍋溫度設(shè)置在170 ℃,預(yù)熱10～15 min；按預(yù)定比例,稱取原材料裝于容器中,均勻攪拌。攪拌均勻后將容器置于烘箱中,加熱使之呈流動(dòng)狀；然后將容器置于油浴鍋中,設(shè)置鍋內(nèi)溫度170 ℃,開啟高速剪切機(jī)進(jìn)行高速剪切,時(shí)間為30～60 min,使各成分充分融合反應(yīng),直至剪切成流動(dòng)液體狀,即制備出彩色膠結(jié)料。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試規(guī)程》(JTG E20—2011)[16]的相關(guān)試驗(yàn)方法及《彩色瀝青結(jié)合料》(JT/T 1128—2017)[17]的指標(biāo)要求,對(duì)制備的4種彩色膠結(jié)料進(jìn)行針入度、延度、軟化點(diǎn)、黏度等常規(guī)性能試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

3 彩色瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

3.1 礦料級(jí)配的確定

結(jié)合礦料篩分試驗(yàn)結(jié)果,確定混合料類型為AC-13,采用規(guī)劃求解的方法,擬定級(jí)配Ⅰ、級(jí)配Ⅱ,以油石比為5%為基礎(chǔ),發(fā)現(xiàn)在空隙率方面,級(jí)配Ⅱ<級(jí)配Ⅰ,且在規(guī)范要求外,故選用級(jí)配I進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn),集料級(jí)配曲線如圖3所示。

圖3 級(jí)配曲線Fig.3 Grading curve

3.2 最佳膠結(jié)料用量的確定

由于4種膠結(jié)料中,采用的改性劑C軟化點(diǎn)不同,所以每種膠結(jié)料都應(yīng)確定其最佳膠結(jié)料用量。以彩色瀝青混合料-A(colored asphalt mixture-A，CAM-A)彩色瀝青混合料為例,以0.3%為間隔,分別采用4.6%、4.9%、5.2%、5.5%、5.8%這5種油石比成型馬歇爾試件,試驗(yàn)結(jié)果如表6所示,混合料體積參數(shù)如圖4所示,通過獲取密度最大值(a1)、穩(wěn)定度最大值(a2)、空隙率中值(a3)、飽和度中值(a4),求得OAC1=5.51,OAC2=5.11[最佳瀝青用量(optimum asphalt content,OAC)],CAM-A的最佳油石比為5.31%,同理對(duì)CAM-B、CAM-C、CAM-D3種混合料采用同樣的方式,確定出4種彩色瀝青混合料的最佳油石比,其具體體積參數(shù)和馬歇爾指標(biāo)如表7所示。

3.3 最佳顏料用量的確定

表5 彩色膠結(jié)料性能指標(biāo)

表6 CAM-A彩色瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果匯總表

圖4 油石比與馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between bitumen aggregate ratio and Marshall test index

表7 最佳油石比下,各試件的馬歇爾指標(biāo)

以料粉比(顏料與礦粉的比例)指標(biāo)進(jìn)行顏料用量控制,以CAM-D彩色瀝青混合料為例,在最佳油石比5.27%下,探究不同顏料、不同料粉比與馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果間的關(guān)系,部分馬歇爾試件如圖5所示,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示?？紤]到流值和穩(wěn)定度,決定采用25%為最佳料粉比進(jìn)行后續(xù)研究。

圖5 4種馬歇爾試件Fig.5 Four Marshall test pieces

圖6 不同料粉比下彩色瀝青穩(wěn)定度和流值Fig.6 Stability and flow value of colored asphalt under different material powder ratio

4 彩色瀝青混合料路用性能

4.1 高溫性能

圖7 彩色瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Dynamic stability test results of colored asphalt mixture

4種彩色瀝青混合料CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D在最佳油石比條件下,料粉比為25%,進(jìn)行車轍試驗(yàn),其動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果如圖7所示,結(jié)果均大于2 400次/min,符合技術(shù)要求。同時(shí)從圖7可以看出，CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D彩色瀝青混合料在不同顏料下均呈現(xiàn)一種相同的規(guī)律:①?gòu)哪z結(jié)料性能來(lái)看,軟化點(diǎn)依次為Cb-D>Cb-C>Cb-B>Cb-A,Cb-D膠結(jié)料加入了軟化點(diǎn)較高的樹脂,從而使得聚合物的分子鏈及長(zhǎng)鏈段發(fā)生交聯(lián)、擴(kuò)散效果,提高了彩色瀝青膠結(jié)料從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度及黏流態(tài)轉(zhuǎn)變溫度,從而使得軟化點(diǎn)越高的膠結(jié)料,混合料動(dòng)穩(wěn)定度越高；②顏料平均粒徑依次為:黃色顏料>藍(lán)色顏料>紅色顏料>綠色顏料,而動(dòng)穩(wěn)定度數(shù)據(jù),黃色混合料>藍(lán)色混合料>紅色混合料>綠色顏料混合料相對(duì)應(yīng),顏料粒徑較大的,其具有的表面自由能相對(duì)較小,因此綠色顏料可能在制備過程中相對(duì)其他顏料存在聚團(tuán)和分散不均勻現(xiàn)象,從而使得混合料高溫性能弱于其他幾種顏色的混合料。因此在研究條件下發(fā)現(xiàn)顏料平均粒徑越大,混合料動(dòng)穩(wěn)定度越高；③除綠色混合料極少數(shù)數(shù)據(jù)與無(wú)色混合料無(wú)明顯差異,從圖7可以看出,顏料的加入,能與膠結(jié)料具有良好的相容性,改善其高溫性能,能夠提高彩色瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度。

4.2 低溫性能

圖8 彩色瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results of flexural tensilestrength of colored asphalt mixture

圖9 彩色瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果Fig.9 Test results of maximum bending tensile strain of colored asphalt mixture

圖10 色瀝青混合料彎曲勁度模量試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Bending stiffness modulus test results of colored asphalt mixture

CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D在最佳油石比條件下,料粉比為25%,進(jìn)行彎曲蠕變?cè)囼?yàn),其彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量結(jié)果如圖8～圖10所示,其中最大彎拉應(yīng)變均大于2 000 με,滿足技術(shù)要求。最大彎拉應(yīng)變大、勁度模量小,則彩色瀝青混合料的低溫性能就更好。從圖8～圖10可以看出CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D彩色瀝青混合料在不同顏料下均呈現(xiàn)一種相同的規(guī)律:①?gòu)哪z結(jié)料本身性能來(lái)看,5 ℃延度依次為:Cb-C>Cb-D>Cb-A>Cb-B,而抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變依次為:CAM-C>CAM-D>CAM-A>CAM-B，因此5 ℃延度越高的膠結(jié)料,其在低溫條件下抵抗變形能力就越強(qiáng),混合料抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變?cè)礁?；②在顏料粒徑方?顏料平均粒徑越小,混合料抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變?cè)礁?；③氧化鐵系列顏料對(duì)混合料的抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變有一定的降低作用。

4.3 水穩(wěn)定性

圖11 彩色瀝青混合料殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Residual stability test results of colored asphalt mixture

圖12 彩色瀝青混合料劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Test results of splitting strength ratio of colored asphalt mixture

4種彩色瀝青混合料CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D在最佳油石比條件下,料粉比為25%,進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn),其試驗(yàn)結(jié)果如圖11、圖12所示。4種顏色和無(wú)色彩色瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)的殘留穩(wěn)定度均滿足設(shè)計(jì)要求(不小于80%),凍融劈裂試驗(yàn)的凍融劈裂強(qiáng)度比滿足最低設(shè)計(jì)要求(不小于75%)。

彩色混合料在不同顏料下呈現(xiàn)共同規(guī)律:①軟化點(diǎn)、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度越高的膠結(jié)料,樹脂發(fā)生增黏效果就越明顯,混合料殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比越高；②氧化鐵系列平均粒徑與混合料的殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比成正比；③相比有色混合料,無(wú)色混合料的殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比最低,因此顏料的添加能提高混合料的殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比。

5 結(jié)論

基于4組分的原材料,通過變化改性劑C的軟化點(diǎn),制備出4種不同型號(hào)的彩色膠結(jié)料；基于料粉比的概念,控制最佳顏料的用量；通過對(duì)不同顏料下的4種彩色瀝青混合料進(jìn)行路用性能對(duì)比試驗(yàn),得出如下結(jié)論。

(1)顏料的加入能夠有效提高混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性。

(2)在提高混合料高溫穩(wěn)定性方面,可以選用軟化點(diǎn)更好的膠結(jié)料,平均粒徑更大的顏料來(lái)制備混合料；在提高混合料低溫性能方面,選用5 ℃延度更好的膠結(jié)料,平均粒徑更小的顏料效果較好；在提高混合料水穩(wěn)定性方面,可以選用軟化點(diǎn)更高、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度更高的膠結(jié)料,同系列顏料采用平均粒徑更大的顏料來(lái)制備混合料。

(3)氧化鐵系列顏料對(duì)混合料的抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變有一定的降低作用。