橡膠瀝青混合料拌和溫度優(yōu)化研究

武金博

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 概述

在拌和用于道路施工的瀝青混合料過程中，能源消耗和溫室氣體排放造成了巨大的環(huán)境污染[1-3]。為了解決該問題，如何降低瀝青混合料拌和溫度成為了道路工程學(xué)者們近年來研究的熱點話題。根據(jù)施工溫度，可以分為熱拌瀝青、溫拌瀝青、半溫拌瀝青以及冷拌瀝青[4-5]。每種瀝青都有各自的特點，但是與熱拌瀝青混合料相比，采用低溫拌和瀝青混合料的性能有所下降[6]。

基于此，向瀝青中摻入改性劑是改善瀝青性能的常用方法。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，廢舊輪胎可用于提高瀝青混合料的抗疲勞、抗車轍等性能，從而提高路面的耐久性[7]。采用高摻量橡膠粉會顯然增加瀝青的粘度，因此需要較高的拌和溫度以確保改性瀝青的流動性以及瀝青與骨料之間的粘結(jié)[8]。如果結(jié)合高橡膠粉摻量以及低拌和溫度生產(chǎn)一種可持續(xù)性的瀝青混合料，這對于道路工程是一大突破。

尋找一種外加劑是解決這一科學(xué)問題的有效途徑之一。已有研究發(fā)現(xiàn)溫拌劑對橡膠改性瀝青產(chǎn)生效果。在高溫下可以降低橡膠改性瀝青的粘度和復(fù)數(shù)模量，從而降低拌合溫度[9-11]。但是添加溫拌劑的橡膠改性瀝青性能高度依賴于所使用的添加劑類型。因此，在選擇哪一種添加劑時無法得出明確的結(jié)論。

綜上，本研究通過提高橡膠粉摻量以及降低拌和溫度來優(yōu)化橡膠瀝青混合料性能，以制備可持續(xù)的瀝青各混合料。為此，在130 ℃和150 ℃條件下制備了橡膠改性瀝青混合料、Sasobit橡膠改性瀝青混合料和Zycotherm橡膠改性瀝青混合料，通過對瀝青及其混合料的性能進(jìn)行對比分析，優(yōu)化出橡膠瀝青混合料拌和溫度，使得瀝青混合料性能最佳。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

2.1.1瀝青

本研究采用的瀝青為東海石油SBS改性瀝青，基質(zhì)瀝青為同一批次的東海牌70號A級道路石油瀝青，對瀝青進(jìn)行性能測試，測試結(jié)果見表1和表2。

表1 SBS(I-D)改性瀝青試驗結(jié)果Table1 SBSTestresultsof(I-D)modifiedasphalt類別針入度25℃,100g,5s/0.1mm針入度指數(shù)PI延度5cm/min,5℃/cm軟化點TR&B/℃運動粘度135℃/(Pa·s)彈性恢復(fù)25℃/%儲存穩(wěn)定性離析,48h軟化點差/℃試驗結(jié)果53.90.53336.573.22.34761.6技術(shù)要求30～60020603752.5

表2 基質(zhì)瀝青試驗結(jié)果Table2 Testresultsofmatrixasphalt類別針入度(25℃,100g,5s)/0.1mm延度(15℃,5cm/min)/cm軟化點(環(huán)球法)/℃60℃動力粘度/(Pa·s)蠟含量/%密度(15℃)/g·cm-3()實測數(shù)據(jù)64>10048.5199.32.11.029技術(shù)要求60-80≥100≥46≥180≤2.2—

2.1.2廢舊橡膠粉

試驗所用橡膠粉為同一批次40目橡膠胎，廢舊輪胎橡膠粉摻量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的20%。廢舊輪胎橡膠粉主要指標(biāo)見表3。

2.1.3改性劑

本研究采用了兩種改性劑，分別為Sasobit和Zycotherm。對兩種改性劑的基本性能進(jìn)行了測試，Sasobit測試結(jié)果：針入度(25 ℃)為0.8(0.1 mm),粘度(135 ℃)為11(10-3Pa·s)，密度(25℃)為0.94(g·cm-3)，閃點為290 ℃，凝固點為101 ℃。Zycotherm測試結(jié)果：外觀為棕色粘稠液體，粘度(25 ℃)為900 MPa·s，粘度(38 ℃)為300 MPa·s，比重(25℃)為0.97。

選用這兩種外加劑是由于它們能夠降低瀝青在高溫下的粘度，從而降低瀝青混合料的生產(chǎn)溫度。在65 ℃條件下外加劑會完全結(jié)晶從而提高瀝青混合料的抗車轍性能。Zycotherm活性劑通過增加集料之間的附著力和粘結(jié)力可降低瀝青的表面張力。通過文獻(xiàn)調(diào)研，本研究使用的Sasobit和Zycotherm摻量分別為3%和0.05%。

表3 廢舊輪胎橡膠粉主要技術(shù)性質(zhì)Table3 Maintechnicalpropertiesofwastetirerubberpowder%檢測項目實測數(shù)據(jù)技術(shù)要求水分0.58<1金屬含量0.03<0.05纖維含量0.03<1灰分6≤8丙酮抽出物12≤22炭黑含量32≥28橡膠烴含量55≥42

2.2 改性瀝青制備

先將基質(zhì)瀝青放入烘箱中，溫度為165 ℃，待基質(zhì)瀝青具有流動性之后將橡膠粉摻入瀝青中，采用高速剪切儀在3 500 r/min的條件下剪切60 min得到橡膠改性瀝青。在已制備好的橡膠瀝青中分別摻入改性劑，剪切溫度為165 ℃，轉(zhuǎn)速為300 r/min，時間為60 min。得到兩種改性瀝青。綜上，本文所采用的4種瀝青分別為SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青、Sasobit橡膠改性瀝青、Zycotherm橡膠改性瀝青。

2.3 瀝青混合料制備

本文選用石灰?guī)r作為瀝青混合料的粗集料和細(xì)集料，石灰?guī)r礦粉作為填料。集料的主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。采用瀝青混合料級配采用間斷級配AC-13作為研究對象。級配曲線如圖1所示。采用馬歇爾設(shè)計方法確定瀝青混合料最佳油石比為5.0%。

表4 石灰?guī)r集料密度試驗結(jié)果Table4 Limestoneaggregatedensitytestresults序號粒徑規(guī)格/mm表觀相對密度/(g·cm-3)毛體積相對密度/(g·cm-3)表干密度/(g·cm-3)吸水率/%1 16～13.22.7122.6892.6990.32213.2～9.52.7162.6942.7030.3439.5～4.752.7202.6852.7000.4444.75～2.362.7212.6462.6741.0252.36～1.182.76061.18～0.62.71570.6～0.32.726———80.3～0.152.73790.15～0.0752.725

圖1 瀝青混合料合成級配曲線圖

2.4 試驗方法

2.4.1瀝青流變特性試驗

參照現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20 2011)》規(guī)定的試驗方法對4種瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)粘度和溫度掃描試驗。旋轉(zhuǎn)粘度測試溫度為135 ℃，溫度掃描的溫度設(shè)置為40 ℃～90 ℃，采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變目標(biāo)值為12%。

2.4.2瀝青混合料試驗

為了更好地研究不同改性瀝青混合料在降低拌和溫度下的性能，本文采用以下試驗方案制備瀝青混合料試件：SBS瀝青混合料(SBS)的拌和溫度為175 ℃，橡膠瀝青混合料(CRA)采用3種拌和溫度，分別是175 ℃、150 ℃和130 ℃。Sasobit橡膠改性瀝青混合料(CRA-S)和Zycotherm橡膠改性瀝青混合料(CRA-Z)均采用兩種拌和溫度，分別為150 ℃和130 ℃。本研究通過試驗對瀝青混合料的承載能力、永久變形、內(nèi)聚力及水穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 瀝青流變特性

3.1.1粘度試驗結(jié)果與分析

為了初步判斷各種改性瀝青的高溫性能效果，選用135 ℃旋轉(zhuǎn)粘度大致表征改性瀝青的施工拌和或壓實性能，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同改性瀝青粘度效果對比

從圖中可以發(fā)現(xiàn)摻入橡膠的改性瀝青粘度較高，橡膠粉摻入在瀝青中均勻分布，發(fā)生溶脹與瀝青形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增大了流動阻力，故橡膠瀝青的粘度有一定的提升。

3.1.2溫度掃描

本研究對SBS、CRA、CRA-S、CRA-Z共4種瀝青流變性能進(jìn)行了對比分析。通過動態(tài)剪切流變儀獲得了試樣的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，試驗結(jié)構(gòu)如表5、表6和圖3、圖4所示。從圖3可以得出隨著溫度的升高，4種瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量均降低。而復(fù)數(shù)剪切模量代表瀝青膠結(jié)料的強度，決定了瀝青的抗變形能力。因此溫度的升高降低了瀝青的抗車轍性能。與CRA相比，CRA-S和CRA-Z的復(fù)數(shù)剪切模量均有所增加。復(fù)數(shù)剪切模量的增加反映了瀝青在高溫下具有更大的剛度和更好的抗車轍性。說明Sasobit和Zycotherm兩種改性劑對橡膠改性瀝青的高溫性能起到積極作用。從圖4中可以看出4種瀝青膠結(jié)料相位角的變化，其中0°和90°分別代表著彈性和粘性。可以看出摻有橡膠粉的瀝青隨著溫度的升高相位角逐漸增大。與SBS相比，另外3種改性瀝青的相位角均有所減小。這是由于橡膠粉、Sasobit和Zycotherm摻入導(dǎo)致，表明改性瀝青更偏向于彈性材料。有利于增加瀝青的抗車轍性。

表5 復(fù)數(shù)剪切模量結(jié)果Table5 Pluralmodulusresults瀝青類型不同溫度(℃)下復(fù)數(shù)剪切模量/kPa46525864707682SBS361574320.3CRA4119108530.6CRA-S4825129640.9CRA-Z55291812861.5

表6 相位角試驗結(jié)果Table6 Phaseangletestresults瀝青類型不同溫度(℃)下相位角/(°)46525864707682SBS8686.486.68787.48888CRA76828485868787CRA-S70788081848686CRA-Z64727478808284

圖3 復(fù)數(shù)剪切模量試驗結(jié)果

圖4 相位角試驗結(jié)果

3.2 瀝青混合料性能試驗結(jié)果

3.2.1密度

表7為瀝青混合料密度。從表中可以看出在130 ℃溫度下制備瀝青混合料，CRA混合料的密度為2.42 mg/m3。當(dāng)往CRA中摻入Sasobit和Zycotherm，改性瀝青混合料的密度均有所增加。當(dāng)添加Sasobit外加劑時，130 ℃下制備的CRA-S混合料密度與175 ℃下制備的SBS混合料密度相同，甚至比3種溫度下制備的CRA混合料密度都高。通過該試驗結(jié)果可以得出外加劑可以提高橡膠瀝青混合料的流動性，從而使制備溫度降低了45 ℃。

表7 瀝青混合料密度測試結(jié)果Table7 Testresultsofasphaltmixturedensity瀝青混合料密度/(mg·m-3)與SBS瀝青混合料密度之比/%SBS混合料(175℃)2.48—CRA混合料(175℃)2.4598.79CRA混合料(150℃)2.4498.39CRA混合料(130℃)2.4297.58CRA-S混合料(150℃)2.4397.98CRA-S混合料(130℃)2.48100CRA-Z混合料(150℃)2.4498.39CRA-Z混合料(130℃)2.4397.98

3.2.2勁度模量

在5 ℃、20 ℃、40 ℃下對8種瀝青混合料的勁度模量進(jìn)行測試，試驗結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)盡管使用基質(zhì)瀝青作為改性的基礎(chǔ)，但與含SBS瀝青混合料相比，輪胎屑橡膠高含量瀝青混合料具有較高勁度模量。在降低拌和溫度方面，圖5中可以看出隨著溫度的升高，每一種的瀝青混合料的勁度模量均有所降低，這與在溫拌橡膠瀝青混合料方面的已有研究結(jié)論一致。從圖5還可以看出在150 ℃和130 ℃條件下，與橡膠改性瀝青混合料相比，添加了改性劑的瀝青混合料具有更高的勁度模量。從該試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)采用改性劑可以降低溫拌橡膠瀝青混合料的拌和溫度，不會降低瀝青混合料的承載能力。

圖5 瀝青混合料勁度模量試驗結(jié)果

3.2.3永久變形

圖6為4種瀝青混合料的在60 ℃條件下三軸試驗結(jié)果。無論使用哪種改性劑和拌和溫度，采用橡膠改性的混合料均具有很強的抗永久變形能力。圖6可以發(fā)現(xiàn)隨著拌和溫度的降低，瀝青混合料的永久變形均增加。但是與橡膠瀝青混合料相比，摻入改性劑的瀝青混合料永久變形的增加速度比較慢。這一結(jié)果表明改性劑改性瀝青混合料在高溫下具有高彈性，有效地彌補了降低拌和溫度帶來的不利影響。這一結(jié)果與瀝青膠結(jié)料流變性能所得結(jié)果一致。

圖6 瀝青混合料永久變形試驗結(jié)果

3.2.4顆粒損失

圖7為瀝青混合料的顆粒損失。與SBS瀝青混合料相比，所有橡膠瀝青混合料顆粒損失增大。這表明橡膠改性降低了瀝青混合料的耐磨性能。未摻入改性劑的橡膠瀝青混合料隨著拌和溫度降低顆粒損失逐漸增加。這是由于溫度的升高，瀝青混合料內(nèi)聚力降低導(dǎo)致。對于溫拌改性劑來說，從圖8可以看出溫拌改性劑可以改善溫拌橡膠瀝青混合料內(nèi)聚力，在130 ℃條件下更為顯著。

圖7 瀝青混合料顆粒損失

3.2.5間接拉伸強度

圖8為175 ℃拌和的橡膠瀝青混合料和130 ℃拌和的Sasobit橡膠改性瀝青混合料間接拉伸干濕強度及強度比。從圖中可以看出通過摻入改性劑可以將拌和溫度降低45 ℃。

圖8 瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果

綜上可以看出，在150 ℃條件下橡膠瀝青混合料的性能與175 ℃條件下橡膠瀝青混合料的性能相當(dāng)。若將拌和溫度降低到130 ℃的時候，需要添加外加劑才能達(dá)到預(yù)期效果。在本研究中使用了兩種改性劑，可以發(fā)現(xiàn)在130 ℃條件下生產(chǎn)CRA-S瀝青混合料，其剛度、永久變形、內(nèi)聚力均表現(xiàn)出最佳性能。

4 結(jié)論

本研究在不影響瀝青混合料性能的前提下，研究了不同改性瀝青和不同拌和溫度下瀝青及其混合料的性能。得出的主要結(jié)論如下：

a.與SBS瀝青相比，摻入橡膠和改性劑的改性瀝青具有高彈性。CRA、CRA-S、CRA-Z均可以提高瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度、復(fù)數(shù)剪切模量，減少相位角，結(jié)果表明橡膠粉、Sasobit和Zycotherm改性劑均能有效提高瀝青的高溫流變性能，增強瀝青膠結(jié)料的高溫穩(wěn)定性。

b.與橡膠改性瀝青混合料相比，添加了改性劑的瀝青混合料具有更高的勁度模量。本研究發(fā)現(xiàn)采用Sasobit和Zycotherm改性劑可以降低橡膠瀝青混合料的拌和溫度，且不會降低瀝青混合料的承載能力。

c.對比分析不同拌和溫度和不同改性劑制備的瀝青混合料，發(fā)現(xiàn)向橡膠瀝青中添加改性劑Sasobit可以有效降低拌和溫度，其剛度、永久變形、內(nèi)聚力均表現(xiàn)出最佳性能。

d.本研究為降低瀝青混合料的拌和溫度提供了室內(nèi)試驗研究，通過將外加劑摻入橡膠瀝青中降低拌和溫度而不影響混合料性能，這對工程應(yīng)用具有重大意義。在今后需將其應(yīng)用于施工現(xiàn)場和試驗路，該研究有待進(jìn)一步完善和深入。