WTR/EVA復(fù)合改性瀝青及瀝青混合料性能研究

陳世英,謝 虎,潘勤學(xué)

(1.青海省交通工程技術(shù)服務(wù)中心, 青海 西寧 810008; 2.中大檢測(湖南)股份有限公司, 湖南 長沙 410205; 3.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

0 引言

瀝青路面具有低噪音、施工便捷以及行車舒適等優(yōu)點，我國的高等級公路普遍使用瀝青混合料鋪筑面層[1-2]。然而，瀝青路面在自然環(huán)境下出現(xiàn)的高溫車轍、低溫開裂以及瀝青剝落和重復(fù)荷載作用下的疲勞損傷等病害是影響瀝青路面服務(wù)水平主要因素，病害的存在極大縮短了瀝青路面使用壽命和行車舒適度[3]。已有研究表明，應(yīng)用聚合物對瀝青進行改性可有效改善瀝青及瀝青混合料的性能[4-7]。

輪胎是眾多橡膠制品中橡膠耗量較大的一種[8-9]，在生產(chǎn)橡膠輪胎的同時也產(chǎn)生了相當(dāng)數(shù)量的廢舊輪胎。然而，廢舊橡膠降解慢、回收率低，對大氣、水以及土地等自然環(huán)境造成嚴(yán)重污染[10]。廢膠粉(Waste Tire Rubber Powder，簡稱WTR)是廢舊輪胎經(jīng)粉碎顆?；蟮漠a(chǎn)物，將廢膠粉應(yīng)用到道路工程領(lǐng)域，在提升瀝青路面性能的同時有利于緩解環(huán)境污染壓力。相關(guān)研究表明，WTR改性瀝青具有較好的抗車轍性能，高溫狀態(tài)下的抗永久變形能力較強[11-13]。然而，橡膠顆粒與瀝青之間的相容性一般，由此造成的應(yīng)力集中使得WTR改性瀝青在低溫狀態(tài)下易發(fā)生斷裂[11]。為解決WTR和瀝青相容性的問題，文獻[14]對WTR改性瀝青進行了復(fù)合改性的研究。相比于WTR，乙烯醋酸乙烯酯(Ethylene-Vinyl Acetate，簡稱EVA)作為橡膠類熱塑性聚合物[15]，在塑料領(lǐng)域用途廣泛。然而，降解能力差使得該材料依舊面臨嚴(yán)峻的環(huán)保問題[16]。研究表明，高分子聚合物EVA與瀝青可形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此EVA可顯著提升瀝青的低溫柔韌性[17]。基于此，為提升瀝青及瀝青混合料性能，同時緩解環(huán)境污染的壓力，本文將應(yīng)用WTR和EVA兩種改性劑對基質(zhì)瀝青進行復(fù)合改性，研究WTR/EVA復(fù)合改性瀝青，以及瀝青混合料的性能。

1 試驗原材料及方法

1.1 瀝青、改性劑以及集料

70-A級石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，80目國產(chǎn)廢舊橡膠粉(WTR)和EVA(其中VA含量為28%，密度為0.96 g/cm3)作為瀝青改性劑，粗細(xì)集料采用本領(lǐng)域廣泛使用的石灰?guī)r。本文所用兩種瀝青改性劑的外觀形態(tài)如圖1所示，70-A級瀝青的常規(guī)指標(biāo)如下：針入度(25 ℃, 100 g, 5 s)為68.5(0.1 mm)，軟化點為50.8 ℃，延度(15 ℃, 5 cm/min)為>150 cm，黏度(135 ℃)為0.45 Pa·s，黏度(180 ℃)為0.10 Pa·s。

(a)WTR

1.2 主要試驗方法

本文主要研究WTR、EVA兩種改性劑對瀝青和瀝青混合料性能的影響，試驗選取了5個WTR摻量(0%，5%，10%，12%，15%)和4個EVA摻量(0%，2%，4%，6%)制備復(fù)合改性瀝青，試驗方案分為瀝青試驗與瀝青混合料試驗兩部分。首先，采用動態(tài)剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer,簡稱DSR)和布氏黏度儀評估WTR/EVA改性瀝青的高溫抗車轍性能和施工和易性，低溫彎曲梁試驗(Bending Beam Rheometer, 簡稱BBR)用于表征改性瀝青的低溫性能。其次，研究瀝青混合料的路用性能主要從4個方面分析：高溫抗車轍性能、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性能以及耐老化性能。高低溫性能的表征分別采用車轍試驗和低溫劈裂試驗，水穩(wěn)定性能及耐老化性能均采用馬歇爾試驗。

2 試樣制備

WTR/EVA復(fù)合改性瀝青制備流程如圖2所示。首先，應(yīng)用烘箱將70#基質(zhì)瀝青在160 ℃的條件下加熱30 min，使基質(zhì)瀝青完全熔融處于流體狀態(tài)并將其倒入瀝青攪拌桶內(nèi)。隨后，將WTR倒入攪拌桶內(nèi)在170 ℃溫度下以3 000 r/min的轉(zhuǎn)速高速剪切10 min。之后，倒入EVA在剪切速率不變的情況下高速剪切20 min。最后，在170 ℃溫度下普通旋轉(zhuǎn)10 min，以去除改性瀝青中多余的氣泡。

圖2 WTR/EVA復(fù)合改性瀝青制備流程

在已有WTR/EVA改性瀝青的基礎(chǔ)上，根據(jù)Marshall 體積設(shè)計法進行瀝青混合料的制備。圖3為集料的合成級配曲線圖，應(yīng)用粗集料(10～15檔)，細(xì)集料(5～10檔)，石屑以及礦粉所占總重的比例分別為16%、41%、40%和3%制備AC-13C型密級配瀝青混合料作為研究對象。根據(jù)規(guī)范對瀝青混合料空隙率的要求(4%～6%)，最終確定基質(zhì)瀝青混合料和改性瀝青混合料的最佳油石比分別為4.8%和5.1%。

圖3 合成級配曲線

3 WTR/EVA復(fù)合改性瀝青流變性能研究

3.1 WTR/EVA復(fù)合改性瀝青高溫流變性能研究

為研究改性瀝青在高溫狀態(tài)下的性能表現(xiàn)，采用DSR試驗研究高溫流變性能，黏度試驗用于評價瀝青的施工和易性。圖4(a)為瀝青在60 ℃時的車轍因子，車轍因子與改性劑摻量呈正相關(guān)變化趨勢，且WTR對車轍因子增長的影響更顯著。值得注意的是，當(dāng)WTR摻量為15%時，60 ℃車轍因子在EVA摻入后有較為明顯的提升，但4%EVA比6%EVA摻量的車轍因子增長了約47.1%，兩者分別是基質(zhì)瀝青的18.7倍和13.7倍。圖4(b)是瀝青在180 ℃溫度下的旋轉(zhuǎn)黏度，該指標(biāo)可用于評價瀝青的施工和易性和高溫性能。如圖所示，黏度隨著WTR摻量的增加呈不同的增長趨勢，EVA摻量越高，增長趨勢越明顯，這是由于摻入EVA后，改性瀝青形成了更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。此外，15%WTR+4%EVA具有最大的旋轉(zhuǎn)黏度，這點與車轍因子相類似。當(dāng)WTR摻量為15%時，4%EVA和6%EVA摻量的黏度，比WTR單一改性瀝青分別增長了313.9%和204.3%。

(a)60 ℃車轍因子

車轍因子以及旋轉(zhuǎn)黏度結(jié)果表明，摻入WTR和EVA有利于瀝青黏度和車轍因子的提升，高溫狀態(tài)下的抗永久變形能力得到了顯著改善，且15%WTR+4%EVA具有較佳的高溫性能。為進一步驗證改性劑對高溫性能的影響，將進行瀝青混合料試驗。

3.2 WTR/EVA復(fù)合改性瀝青低溫流變性能研究

圖5為改性瀝青的BBR試驗結(jié)果，得到評價瀝青低溫性能的兩個重要指標(biāo)：勁度模量(S值)和m值。根據(jù)AASHTO規(guī)范，勁度模量可表征瀝青在低溫下的剛度，而m值表示應(yīng)力分散能力。通常來說，較小的S與較大的m表示瀝青在低溫下具有良好的柔韌性以及較強的抗裂性能。由圖5(a)可知，溫度越低S越大，當(dāng)溫度達到-18 ℃時，基質(zhì)瀝青的S值已大于300 MPa。值得注意的是，3個溫度狀態(tài)下(-6 ℃，-12 ℃，-18 ℃)改性瀝青的S值均小于基質(zhì)瀝青，表明改性劑的摻入提升了瀝青的柔韌性。在-18 ℃試驗條件下，當(dāng)WTR摻量為12%時，6%EVA比2%EVA的S值降低了23.4%；當(dāng)EVA摻量為4%時，5%WTR比15%WTR的S值下降了19.8%，這表明兩種改性劑均可提升瀝青的低溫柔韌性，但EVA的改善效果更明顯。此外，圖5(b)顯示了改性瀝青在不同試驗溫度下的應(yīng)力分散能力。由圖可知，所有試樣在-18 ℃時的m值都不滿足m≥0.3的規(guī)范要求。對于12%WTR單一改性瀝青，摻入2%EVA后m值(-6℃試驗條件)增加了13.7%，表明EVA的摻入提升了瀝青的應(yīng)力分散能力。當(dāng)EVA繼續(xù)增加時，m值呈現(xiàn)下降趨勢。然而，當(dāng)EVA摻量為4%時，m值隨著WTR摻量的增加而減小，15%WTR比5%WTR的m值在-6 ℃和-12 ℃溫度下分別降低了9.2%和7.1%，表明WTR會削弱應(yīng)力消散水平，但影響并不明顯。綜上，EVA的摻入增加了瀝青的低溫柔韌性，緩解了WTR應(yīng)力集中對瀝青低溫性能的損傷。這將有利于瀝青在低溫狀態(tài)下的抗裂表現(xiàn)。兩者對瀝青進行復(fù)合改性有利于瀝青低溫抗裂性能的改善，后文將進一步開展瀝青混合料低溫抗裂性能研究。

(a)勁度模量

4 WTR/EVA改性瀝青混合料性能研究

4.1 WTR/EVA復(fù)合改性瀝青混合料高溫性能分析

為進一步研究WTR和EVA對瀝青混合料高溫性能的影響，本研究進行瀝青混合料車轍試驗，用動穩(wěn)定度指標(biāo)評價其抗車轍性能。如圖6所示，動穩(wěn)定度隨摻量的增加，整體呈線性增長趨勢。相比于基質(zhì)瀝青混合料，摻量為15%WTR+4%EVA和15%WTR+6%EVA時的動穩(wěn)定度分別增長了225.4%和213.7%，這是由于改性劑可增強混合料內(nèi)部的黏結(jié)力。另外，當(dāng)WTR摻量為15%時，EVA摻量從0%增加到6%的過程中，動穩(wěn)定度呈現(xiàn)先增后減的趨勢，表明當(dāng)EVA的摻量并非越大就越好，超出一定范圍后，對瀝青混合料的高溫性能反而會削弱。由此可知，WTR和EVA可有效提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能，但EVA的摻量不宜過高。動穩(wěn)定度與車轍因子具有相似的試驗結(jié)果，15%WTR+4%EVA具有最優(yōu)的高溫性能。

圖6 瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

4.2 WTR/EVA復(fù)合改性瀝青混合料低溫性能分析

對于瀝青路面而言，低溫狀態(tài)下的抗裂性能也尤為重要[18]。應(yīng)用低溫狀態(tài)下的劈裂強度作為低溫抗裂性能評價指標(biāo)具有一定的可行性。如圖7所示，WTR和EVA的摻入使得劈裂抗拉強度有所提升，但效果并不顯著。與高溫性能不同的是，15%WTR+6%EVA改性瀝青混合料具有最佳的低溫劈裂強度，相比于基質(zhì)瀝青混合料提升了34.8%。值得注意的是，當(dāng)WTR摻量為15%時，劈裂抗拉強度隨EVA的增加而穩(wěn)步提升，6%EVA比0%EVA摻量的劈裂抗拉強度增長了22.0%；當(dāng)EVA摻量為4%時，劈裂抗拉強度隨WTR的增加而穩(wěn)步提升，15%EVA比5%EVA摻量的劈裂抗拉強度增長了6.2%。由此可知，WTR和EVA對提升低溫性能具有積極作用，且EVA比WTR的效果更明顯，這得益于EVA對低溫柔韌性的改善。

圖7 瀝青混合料低溫劈裂試驗結(jié)果(-10℃)

4.3 WTR/EVA復(fù)合改性瀝青混合料水穩(wěn)定性能分析

瀝青路面在自然環(huán)境下因水的作用易產(chǎn)生剝落等病害，直接影響瀝青路面的使用壽命和行車舒適度[19]。因此，本文采用浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度作為研究瀝青混合料抗水損害能力的評價指標(biāo)。如圖8所示，瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度是馬歇爾穩(wěn)定度與浸水后穩(wěn)定度的比值。從整體上來看，摻入改性劑后殘留穩(wěn)定度有較大幅度的增加。當(dāng)EVA摻量為4%時，15%WTR(93.4%)比5%WTR(84.3%)摻量時的殘留穩(wěn)定度增長了10.8%；當(dāng)WTR摻量為15%時，6%EVA(89.6%)比0%EVA(86.4%)摻量時的殘留穩(wěn)定度增長了3.7%，結(jié)果表明WTR摻量對水穩(wěn)定性能的提升效果更明顯。值得注意的是，15%WTR+4%EVA瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度最接近100%，說明改善效果最佳。因此，WTR和EVA可增強瀝青的黏附性能，減少瀝青的空隙率，其水穩(wěn)定性能也得到了一定程度的改善。

圖8 瀝青混合料水穩(wěn)定性能試驗結(jié)果

4.4 WTR/EVA復(fù)合改性瀝青混合料抗老化性能分析

瀝青的老化是瀝青路面在自然環(huán)境中使用一段時間后不可避免出現(xiàn)的現(xiàn)象。老化后的瀝青會變硬變脆，且瀝青與集料之間的黏附力會降低[20]，極大影響瀝青路面的服務(wù)水平[21-22]。本文中采用長期老化后的馬歇爾穩(wěn)定度比來評價瀝青混合料的抗老化性能，其中將試件在85 ℃的溫度下放置5 d，用以模擬道路在自然環(huán)境下老化10 a的狀態(tài)。老化后試件的穩(wěn)定度都有不同程度的升高，這是由于瀝青輕質(zhì)組分減少、瀝青變硬所致，因此穩(wěn)定度比越大表明瀝青混合料的抗老化性能越差。如圖9所示，改性劑的添加可有效降低穩(wěn)定度比，表明其抗老化性能的提升。15%WTR+4%EVA的穩(wěn)定度比最小(105.2%)，比基質(zhì)瀝青(144.7%)降低了 39.5%，表明抗老化性能有較大的提升。同時，分析穩(wěn)定度比值隨著改性劑摻量變化的趨勢可以發(fā)現(xiàn)，WTR對瀝青混合料抗老化性能的影響要大于EVA。

圖9 瀝青混合料老化試驗結(jié)果

5 結(jié)論

a.WTR和EVA均可有效提升瀝青的抗變形能力。此外，EVA可改善瀝青的低溫柔韌性，緩解WTR應(yīng)力集中對瀝青低溫性能的損傷。

b.根據(jù)動穩(wěn)定度和低溫劈裂強度，表明改性劑對高溫性能的積極作用更明顯。WTR有利于改善瀝青混合料抗車轍性能，而EVA主要對低溫劈裂強度的提升起主要積極作用。

c.試驗結(jié)果表明，WTR和EVA均有利于瀝青混合料水穩(wěn)性能和抗老化性能的改善。15%WTR+4%EVA瀝青混合料的水穩(wěn)定性能以及抗老化性能比基質(zhì)瀝青混合料分別提升了15%和39.5%。綜上，推薦WTR/EVA復(fù)合改性瀝青的最佳摻量為15%WTR+4%EVA。