溫拌劑對溫拌橡膠瀝青流變性能影響研究

劉書堯

(湖南省高速公路集團有限公司張家界分公司 慈利養(yǎng)護所， 湖南 張家界 427000)

0 引言

在我國當前強調(diào)“碳達峰、碳中和”的發(fā)展背景下，如何實現(xiàn)公路建設(shè)綠色節(jié)能、低碳環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展將是今后交通行業(yè)主要發(fā)展目標之一。橡膠瀝青雖然能夠消納大量廢舊輪胎膠粉，并能有效改善瀝青的路用性能，但由于其拌和、攤鋪要求溫度過高，不僅容易使瀝青出現(xiàn)短期老化,降低其使用性能，還容易產(chǎn)生更多碳排放，對環(huán)境造成污染，這也是橡膠瀝青在諸多城市推廣應(yīng)用中受限的主要原因[1-4]。溫拌技術(shù)可有效降低瀝青混合料的拌和溫度，減少生產(chǎn)過程中的碳排放，如果能將其與橡膠瀝青進行有效融合，可有效解決其推廣應(yīng)用的缺陷，使其成為真正意義上的綠色高性能材料。

相關(guān)學者對溫拌橡膠瀝青的應(yīng)用已開展初步研究，宋云連等[5]通過復(fù)數(shù)剪切模量、相位角和車轍因子指標變化分析了溫拌劑種類和摻量對溫拌橡膠瀝青高溫性能的影響。李淑娥等[6]通過軟化點、粘度、車轍因子、零剪切粘度等指標變化分析了Sasobit溫拌劑對溫拌橡膠瀝青高溫性能的影響。何亮等[7]通過瀝青蠕變試驗分析了Sasobit溫拌劑對溫拌橡膠瀝青高溫蠕變性的影響。綜合相關(guān)研究成果可看出，從流變學角度對溫拌橡膠瀝青進行性能評價是當前研究的主流方式,因此本文采用相關(guān)流變性能指標對溫拌橡膠瀝青的施工性能、高溫性能以及低溫性能進行綜合評價分析，為其后續(xù)應(yīng)用推廣提供質(zhì)量控制依據(jù)。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

1.1.1基質(zhì)瀝青

采用山東匯豐石化生產(chǎn)的70#基質(zhì)瀝青，其性能測試指標如表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青性能測試指標試驗項目針入度(25 ℃,5 s,100 g)/0.1 mm軟化點/℃15 ℃延度/cmRTFOT后殘留物質(zhì)量損失/%殘留針入度比/%殘留延度/cm實測值63.652>100-0.2658.5規(guī)范值60～80≥46>100±0.8≥61≥6

1.1.2橡膠粉

采用常州榮奧化工新材料有限公司生產(chǎn)橡膠粉(30～80目)，其技術(shù)指標如表2所示。

表2 橡膠粉技術(shù)指標項目加熱減量/%灰分/%丙酮抽出物/%橡膠烴含量/%炭黑含量/%鐵含量/%纖維含量/%體積密度/(kg·m-3)實測值0.453552290.001未檢出388規(guī)范值≤1.0≤7≤10≥48≥28≤0.02≤0.5260～460

1.1.3溫拌劑

采用大連泓澤石化有限公司所售有機降黏型溫拌劑，其物理性能指標如表3所示。

表3 有機降黏型溫拌劑物理性能指標水溶性主要成分熔點/℃閃點/℃黏度(135 ℃)/10-3(Pa·s)密度(20 ℃)/(g·cm-3)不溶固體蠟100290120.9

1.2 溫拌橡膠瀝青的制備

綜合前人橡膠瀝青制備經(jīng)驗及相關(guān)溫拌橡膠瀝青制備工藝研究，選取基于高溫條件下的“攪拌+高速剪切”工藝進行溫拌橡膠瀝青制備，在制備成品橡膠瀝青的基礎(chǔ)上添加溫拌劑進行攪拌制得溫拌橡膠瀝青，制備工序如下表4所示：

表4 溫拌橡膠瀝青制備工藝序號工序備注1均勻攪拌加熱基質(zhì)瀝青至熔融流動狀態(tài)—2加入橡膠粉后采用普通攪拌機進行攪拌橡膠粉外摻20%,攪拌速率500 rad/min,攪拌溫度180 ℃～190 ℃,攪拌50 min3高速剪切機進行高速剪切加工剪切速率5 000 rad/min,剪切溫度180 ℃～190 ℃,剪切10 min4加入溫拌劑后進行普通攪拌溫拌劑摻量分別為1%、2%、3%、4%,攪拌速率500 rad/min,攪拌時間10 min,攪拌溫度180 ℃～190 ℃

1.3 試驗方法

采用布氏粘度計測定溫拌橡膠瀝青在180 ℃下的布什旋轉(zhuǎn)黏度；動態(tài)剪切流變儀對溫拌橡膠瀝青進行52 ℃～82 ℃溫度掃描(采用應(yīng)變控制加載模式，加載頻率10 Hz)測定車轍因子G*/sinδ；彎曲梁流變試驗儀測定60 s時的瀝青蠕變勁度S和蠕變速率m，試驗溫度設(shè)定為-18 ℃。所有試驗操作步驟按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2014)中相關(guān)要求進行。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 布什旋轉(zhuǎn)黏度試驗

在實際工程應(yīng)用中通常采用布什旋轉(zhuǎn)黏度試驗測定橡膠瀝青黏度作為施工性能控制指標。而布什旋轉(zhuǎn)黏度作為一種溫度條件指標，在不同溫度條件下性能變化較大，因此必須確定一個合理的溫度進行評價。相關(guān)研究表明，橡膠瀝青在180 ℃溫度條件下的布什旋轉(zhuǎn)黏度最為穩(wěn)定，可有效評價其施工性能。因此本文選用180 ℃溫度測試溫拌橡膠瀝青的布什旋轉(zhuǎn)黏度，試驗結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 不同溫拌劑摻量條件下180 ℃布氏黏度

圖2 溫拌劑摻量變化與黏度下降比例關(guān)系

從圖1可以看出，溫拌橡膠瀝青的180 ℃布什旋轉(zhuǎn)黏度低于橡膠瀝青，這主要是因為溫拌劑在加入瀝青后通過溶解、溶脹發(fā)生化學反應(yīng)影響了瀝青中各組分的化學鍵強度，氫鍵的減弱影響了瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的締合作用，使得瀝青的流動性增加，降低了黏度，這樣橡膠瀝青所需的泵送要求及混合料拌和溫度均得以降低。從圖2溫拌劑摻量與橡膠瀝青黏度下降比例關(guān)系可看出，溫拌劑摻量以1%為增量，從1%增加至4%時，其黏度分別下降13%、26%、45%和47%。這說明溫拌劑摻量較小時，對橡膠瀝青的降黏效果不明顯，而當溫拌劑摻量大于3%時，隨著溫拌劑摻量增加，其降黏效果未呈現(xiàn)進一步的增加。

2.2 動態(tài)剪切流變試驗

車轍因子G*/sinδ是美國SHRP計劃中基于溫度、荷載、時間等多個耦合條件下提出的表征瀝青流變性能的重要指標，可有效表征瀝青在高溫下抗車轍變形的能力。本文對不同溫拌劑摻量下的溫拌橡膠瀝青進行52 ℃～82 ℃的溫度掃描，通過車轍因子的變化以評價其抗車轍能力的變化，具體結(jié)果如圖3所示：

圖3 不同溫拌劑摻量橡膠瀝青溫度掃描試驗結(jié)果

從圖3車轍因子G*/sinδ取對數(shù)坐標與溫度變化的關(guān)系來看，溫度升高會造成溫拌橡膠瀝青的車轍因子逐漸降低，這反應(yīng)出溫拌橡膠瀝青的抗車轍能力逐漸下降。這主要是由瀝青的黏彈性材料特性造成，在溫度增加的情況下，其受荷變形逐漸由彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形，進而導(dǎo)致溫拌橡膠瀝青失去抗車轍能力。而在同一溫度條件下，隨著溫拌劑摻量逐漸增加，車轍因子逐漸增大，這說明溫拌劑摻量增加可提升溫拌橡膠瀝青的抗車轍能力。為進一步探究溫拌劑摻量對橡膠瀝青感溫性能的影響，以lg(G*/sinδ)=KT+C公式對關(guān)系曲線進行線性擬合，K和C值均為常數(shù)，擬合結(jié)果如表5所示：

表5 溫拌橡膠瀝青車轍因子線性擬合結(jié)果溫拌劑摻量/%擬合公式相關(guān)系數(shù)R2臨界溫度/℃0Y=-3.688 5 X+304.30.99182.51Y=-4.340 0 X+365.430.98984.22Y=-4.977 1 X+439.980.99288.43Y=-6.848 7 X+619.810.99090.54Y=-7.944 5 X+724.540.98791.2

從表5的數(shù)據(jù)看出，各變化曲線的擬合結(jié)果具備較高的相關(guān)系數(shù)，說明相關(guān)性較好。其中|K|值大小表征溫拌橡膠瀝青的感溫性能，而lg(G*/sinδ)為0推算出的溫度則反應(yīng)了瀝青喪失抗車轍能力時的臨界溫度。溫拌劑摻量的增大，使得|K|和臨界溫度均增大。這說明溫拌劑的加入提升了溫拌橡膠瀝青的感溫性能和抗車轍能力失效溫度。而當溫拌劑摻量較少時，橡膠瀝青的抗車轍能力失效溫度提升較小，當溫拌劑摻量大于3%以上，其抗車轍能力失效溫度未見進一步增加，這一變化趨勢與180 ℃布什旋轉(zhuǎn)黏度變化規(guī)律相同，這也說明180 ℃布什旋轉(zhuǎn)黏度也可以用于評價溫拌橡膠瀝青的高溫性能。

2.3 彎曲梁流變試驗

常規(guī)的低溫延度試驗無法全面反映改性瀝青的低溫性能，美國SHRP計劃從流變學角度提出采用瀝青的蠕變勁度S和蠕變速率m對瀝青的低溫性能進行綜合評價。本文對不同溫拌劑摻量下的橡膠瀝青進行彎曲梁流變試驗，具體結(jié)果如圖4所示：

圖4 不同溫拌劑摻量橡膠瀝青低溫性能

蠕變勁度S與瀝青的彎曲流變性能相關(guān)，蠕變勁度S越小，則表示瀝青具備的彎曲流變性能越好；而蠕變速率m反映的是瀝青的松弛能力，蠕變速率m越大,則表示瀝青具備的松弛能力越強。從圖4可以看出，在-18 ℃條件下，溫拌劑摻量不斷增加，橡膠瀝青的蠕變勁度S隨之變大，而蠕變速率m則不斷減小，這說明溫拌劑的加入使瀝青材料特性趨于脆硬，導(dǎo)致其低溫抗裂性能變差，而溫拌劑摻量的增加加劇了這種變化趨勢。這主要是由于采用的溫拌劑是有機降黏型溫拌劑，其主要成分以蠟組分為主，當環(huán)境溫度降低后，前期已經(jīng)溶解在瀝青中的蠟組分會重新結(jié)晶析出導(dǎo)致瀝青變脆硬，溫拌劑摻量越大導(dǎo)致結(jié)晶析出的蠟越多，使得瀝青的低溫抗裂性能越差。

3 結(jié)論

1)溫拌劑的加入能夠有效降低溫拌橡膠瀝青的180 ℃布什旋轉(zhuǎn)黏度，提高車轍因子G*/sinδ，對改善溫拌橡膠瀝青的施工性能、感溫性能以及高溫抗車轍能力有積極促進效果。

2)溫拌劑摻量的增加能促進黏度的降低以及高溫抗車轍能力的提升，但溫拌劑摻量存在一個最佳摻量，超過最佳摻量后提升效果無法進一步加強。以文中所用有機降黏型溫拌劑為例，最佳摻量為3%。

3)溫拌劑的加入使得溫拌橡膠瀝青的蠕變勁度S變大，蠕變速率m變小，瀝青的低溫性能降低，且溫拌劑摻量的增多會加劇瀝青低溫性能的降低。所以在確定溫拌劑摻量時需結(jié)合經(jīng)濟成本、施工性能及瀝青高、低溫性能綜合考慮。