呂大春,謝澤華,呂大華,劉斌清
(1.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007;2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 南寧 530007;3.高等級(jí)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,廣西 南寧 530007)
廢舊輪胎作為一種大宗固廢利用材料,被加工成橡膠粉作為瀝青改性劑,加入瀝青中制備成橡膠改性瀝青。由于其造價(jià)低廉、環(huán)境友好及優(yōu)良的高低溫性能,使其成為各國(guó)瀝青路面上最受歡迎的路用添加劑之一[2]。但傳統(tǒng)的橡膠瀝青存在黏度大、施工和易性差等問(wèn)題,導(dǎo)致橡膠瀝青的推廣受到限制[3]。深度降解膠粉是一種通過(guò)高溫?cái)D壓裂解、脫硫的新型膠粉,由于膠粉脫硫后,穩(wěn)定的硫鍵被打開,極大地提高了膠粉與瀝青及其他物理化學(xué)材料反應(yīng)的可能性,同時(shí)降低了刺鼻氣味,被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[4]。
稻殼灰(rice hull ash)是稻殼燃燒后的灰燼,屬于一種綠色環(huán)??稍偕牧稀5練せ抑泻写罅课炊ㄐ偷腟iO2、木質(zhì)素、纖維素及部分不同種類的微量元素,這些SiO2多以納米形式、無(wú)定形態(tài)存在,具有很高的火山灰活性,完全可作為瀝青類材料的改性劑或者增強(qiáng)劑[5]。將稻殼灰材料應(yīng)用于道路工程中,尤其是添加到瀝青中,尚屬于前沿領(lǐng)域。
目前,Le等[6]發(fā)現(xiàn)稻殼灰中存在納米二氧化硅粒子,顆粒間存在大量空隙,以致其表面原子數(shù)占總原子數(shù)的比例較高,對(duì)稻殼灰的化學(xué)活性非常有利。姬楓等[7]研究發(fā)現(xiàn)隨著稻殼灰的摻入,可以提高瀝青混合料的高溫性能、溫度敏感性及水穩(wěn)定性,但會(huì)降低瀝青的低溫性能和存儲(chǔ)穩(wěn)定性。韓振強(qiáng)等[8]證明了稻殼灰網(wǎng)狀多孔、大比表面積結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)吸附瀝青的作用,可與瀝青形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),有效提高瀝青的彈性和抗塑性能力。薛永杰等[9]發(fā)現(xiàn)一定摻量的稻殼灰對(duì)基質(zhì)瀝青高溫穩(wěn)定性具有改善作用,但摻量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致稻殼灰改性瀝青高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性變差。Lu等[10]研究發(fā)現(xiàn)SBS/RHA混合改性劑會(huì)提高SBS/RHA 復(fù)合改性瀝青的高溫性能和黏度,但會(huì)降低其低溫性能。
雖然國(guó)內(nèi)外已有部分學(xué)者對(duì)稻殼灰/瀝青的復(fù)合改性作用及機(jī)理等方面進(jìn)行了積極探索[11-12],但是稻殼灰作為一種改性劑研究仍然需要更多的研究。鑒于此,本研究在深度降解橡膠瀝青中添加不同摻量的稻殼灰進(jìn)行復(fù)合改性,制備出稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青,并通過(guò)黏度試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變儀試驗(yàn)、多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)及彎曲梁流變儀試驗(yàn)全面系統(tǒng)地分析其流變特性。
采用70#A 級(jí)瀝青為基質(zhì)瀝青,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范[13]的技術(shù)要求,檢測(cè)結(jié)果列于表1中。
表1 各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical properties
首先將傳統(tǒng)橡膠粉勻速喂入150 r/min的雙螺桿擠出機(jī)當(dāng)中,300℃高溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)1~2 min擠出,即可獲得深度降解橡膠粉,然后將相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的稻殼灰與深度降解橡膠粉進(jìn)行攪拌混合,即可制成稻殼灰/深度降解橡膠粉混合改性劑。稻殼灰/深度降解橡膠粉混合改性劑如圖1所示。其中稻殼灰(RHA)制備方法為:在600℃下的馬沸爐中投入廢舊稻秸稈焚燒2 h,待自然冷卻后,倒入行星球磨機(jī)研磨30 min,然后過(guò)0.075 mm 篩,即可得到如圖2所示的瀝青改性用稻殼灰,稻殼灰化學(xué)成分表見表2。橡膠粉(crumb rubber,CR)目數(shù)為80~100(即0.15~0.18 mm),檢測(cè)指標(biāo)均滿足《路用廢胎硫化橡膠粉》(JT/T 797-2011)行標(biāo)規(guī)定,見表3。在參考國(guó)內(nèi)外研究及課題組前期研究成果后,本實(shí)驗(yàn)確定稻殼灰/深度降解橡膠粉混合改性劑中稻殼灰(相對(duì)于膠粉質(zhì)量)和膠粉(相對(duì)于基質(zhì)瀝青質(zhì)量)的摻配比例分別為:0%、3%、6%、9%和12%。即:0%RHA+20%CR、3%RHA+20%CR、6%RHA +20%CR、9%RHA+20%CR、12%RHA+20%CR。
圖1 稻殼灰/深度降解橡膠粉混合改性劑Fig.1 Rice husk ash/deeply degraded rubber powder mixed modifier
圖2 稻殼灰Fig.2 Rice hull ash
表2 稻殼灰化學(xué)成分表(600℃)Table 2 Chemical composition of rice hull ash(600℃) %
表3 膠粉物理化學(xué)檢測(cè)指標(biāo)及技術(shù)要求Table 3 Crumb rubber physical properties and technical requirements
將基質(zhì)瀝青放入在170℃的烘箱中加熱0.5 h,使其完全融化,然后邊攪拌邊加入相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的稻殼灰/深度降解橡膠粉混合改性劑,使其均勻融入,隨后使用高速剪切儀以4 000 r/min 的轉(zhuǎn)速在170℃下剪切30 min,直至改性劑均勻分布完全溶解為止,最后置于185℃的烘箱中發(fā)育2 h。即制得不同摻量的稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青。
采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR),彎曲梁流變儀對(duì)瀝青(BBR)進(jìn)行應(yīng)變掃描試驗(yàn)和低溫性能測(cè)試,實(shí)驗(yàn)操作按照ASTM D7175-08規(guī)范[14]以及ASTM D6648-08(2016)[15]規(guī)范要求進(jìn)行。SHJ系列同向平行雙螺桿擠出機(jī)技術(shù)參數(shù)為:螺桿直徑為21.7 mm,槽深為3.85 mm,螺桿長(zhǎng)徑比為32~40,螺桿轉(zhuǎn)速為600 r/min,主機(jī)功率為3 kW,生產(chǎn)能力為2~12 kg/h。
為了研究稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的黏度變化規(guī)律,對(duì)5種不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖3。
圖3 黏度隨改性劑摻量變化關(guān)系Fig.3 Relation between viscosity and modifier content
從圖可見,在同一溫度下,稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的黏度均隨著稻殼灰摻量的增加而增大,這表明稻殼灰的摻入可以提高瀝青的黏度,增強(qiáng)稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青高溫下抵抗塑性變形的能力;在不同溫度下,不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的黏度均隨著溫度的升高而降低,而且隨著溫度的升高,稻殼灰摻量對(duì)深度降解橡膠瀝青黏度的影響不斷下降,這表明相比摻量,溫度對(duì)稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青黏度的影響敏感性更大。由圖3還可得,180℃下不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的黏度,均小于3 Pa·s,滿足施工和易性的要求,表明稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青具有較好的施工性能,滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。
DSR 試驗(yàn)角速度ω為10 rad/s,針對(duì)不同老化程度階段的瀝青,DSR 采用的應(yīng)變控制值分別為12%(原樣瀝青)和1%(PAV 老化瀝青);選用的試樣分別為直徑25 mm 和厚度為1 mm 的圓餅狀試樣(原樣瀝青)、直徑8 mm 和厚度為2 mm 的圓餅狀試樣(PAV老化瀝青)。DSR 試驗(yàn)可得到車轍因子G*/sinδ和疲勞因子G*·sinδ兩個(gè)試驗(yàn)參數(shù),G*/sinδ代表瀝青結(jié)合料高溫抗剪切性能;G*·sinδ代表瀝青結(jié)合料中溫抗疲勞性能[17-18]。
圖4分別對(duì)5種不同摻量原樣稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青進(jìn)行原樣溫度掃描試驗(yàn)(掃描溫度范圍為52~82℃,溫度間隔6℃)和經(jīng)過(guò)PAV 長(zhǎng)期老化后的疲勞溫度老化試驗(yàn)(掃描溫度范圍為13~19℃,溫度間隔3℃),不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的DSR試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。
圖4 DSR 試驗(yàn)結(jié)果 (a) 復(fù)數(shù)模量與溫度的關(guān)系;(b) 相位角與溫度的關(guān)系;(c) 車轍因子與溫度的關(guān)系;(d) 疲勞因子與摻量的關(guān)系Fig.4 Test results of DSR(a)relation between G*and temperature; (b)relation betweenδand temperature;(c)relation between G*/sinδand temperature; (d)relation between G*·sinδand dosage
瀝青結(jié)合料屬于溫度敏感性材料的一種,各項(xiàng)性能隨溫度的變化而改變。復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS是DSR試驗(yàn)用來(lái)評(píng)價(jià)溫度敏感性的參數(shù),由lglgG*和lgT分別進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸統(tǒng)計(jì)得到,具體見式(1):
式中:G*為復(fù)數(shù)模量,Pa;T為試驗(yàn)溫度,K(以絕對(duì)溫度表示);C為常數(shù)。由式(1)可計(jì)算出5種稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青不同摻量的復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS值,計(jì)算結(jié)果如表4所示。
從圖4a~c可知,在同一溫度下,稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的復(fù)數(shù)模量和車轍因子均隨著稻殼灰摻量的增加而增加,相位角則隨著稻殼灰摻量的增加而降低,其中當(dāng)溫度達(dá)到82℃時(shí),不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的車轍因子仍大于美國(guó)ASHHO中規(guī)范規(guī)定的1 000 pa。這表明稻殼灰的摻入可以極大地改善深度降解橡膠瀝青高溫抵抗剪切變形的能力,提高瀝青中的彈性成分。
分析表4 數(shù)據(jù)可知,深度降解橡膠瀝青的GTS值,開始隨著稻殼灰的摻入而略微增加,但隨著稻殼灰摻量的不斷增加,稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的GTS值波動(dòng)較小,這表明稻殼灰的摻入基本不會(huì)改變深度降解橡膠瀝青的溫度敏感性,具有較強(qiáng)的溫度穩(wěn)定性;同時(shí)由圖4b還可得不同摻量下稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青δ-temperature的斜率基本一致,這也從側(cè)面驗(yàn)證了深度降解橡膠瀝青具有較強(qiáng)的溫度穩(wěn)定性。
表4 復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS 結(jié)果Table 4 Complex modulus index GTS results
由圖4c可知,隨著溫度的升高,不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的車轍因子不斷降低,并且曲線不斷靠近,差距越來(lái)越小,這表明隨著溫度的升高,稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青抵抗車轍能力不斷下降,同時(shí)各摻量的改性效果不斷趨于一致,這是因?yàn)殡S著溫度的升高,瀝青中分子不斷地由固相態(tài)向游離態(tài)轉(zhuǎn)變,內(nèi)部形成的結(jié)構(gòu)形式發(fā)生分解破壞[17]。
分析圖4d可知,不同溫度下,稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的疲勞因子開始先隨著稻殼灰摻量的增加而降低,隨后則呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。其中當(dāng)摻量為6%時(shí),趨勢(shì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。這表明不同摻量稻殼灰對(duì)深度降解橡膠瀝青的疲勞性能影響各不相同。低摻量時(shí),對(duì)深度降解橡膠瀝青的疲勞性能有利,當(dāng)摻量達(dá)到6%時(shí),可以對(duì)深度降解橡膠瀝青的疲勞性能改善效果最佳,在實(shí)際工程應(yīng)用中,應(yīng)合理控制稻殼灰摻量。
MSCR 試驗(yàn)是用來(lái)評(píng)價(jià)重載交通環(huán)境下瀝青路面的非線性不可恢復(fù)蠕變變形,已有研究表明,MSCR試驗(yàn)與瀝青混合料車轍試驗(yàn)具有良好的相關(guān)性[19]。本研究分別對(duì)5種不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青進(jìn)行多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn),試驗(yàn)采用RTFO 短期老化后試樣,試驗(yàn)溫度設(shè)置為52~82℃,溫度間隔為6℃,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。
表5 MSCR 試驗(yàn)結(jié)果Table 5 MSCR test results
平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr3.2和Jnr0.1)反映一個(gè)周期內(nèi)路面在高溫行車荷載作用下的累積變形過(guò)程,Jnr3.2和Jnr0.1值越大,代表瀝青路面的高溫性能越差;Jnr3.2和Jnr0.1值越小,則代表瀝青路面的高溫性能越好。分析表5可得,在同一溫度下,隨著稻殼灰的摻量不斷提高,深度降解橡膠瀝青Jnr3.2和Jnr0.1值則不斷降低。這表明稻殼灰的添加可以大大地提高深度降解橡膠瀝青抵抗不可恢復(fù)變形能力,這與復(fù)數(shù)模量和車轍因子分析結(jié)果一致。由表5還可得,隨著溫度的升高,不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的Jnr3.2和Jnr0.1值不斷上升,抵抗不可恢復(fù)變形能力不斷下降,這與夏季比冬季更容易形成車轍的現(xiàn)象相吻。同時(shí)還可以看出,隨著溫度的升高,普通深度降解橡膠瀝青的Jnr3.2上升值較稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青多得多,以溫度從52℃上升到82℃的過(guò)程為例,普通深度降解橡膠瀝青的Jnr3.2值上升了18.79 k Pa-1,而3%RHA+20%CR、6%RHA+20%CR、9%RHA+20%CR 及12%RHA+20%CR 的Jnr3.2值 僅 分 別 上 升 了3.04、2.41、1.43及0.86 k Pa-1;普通深度降解橡膠瀝青的Jnr3.2值上升值分為3%RHA+20%CR、6%RHA+20%CR、9%RHA+20%CR 及12%RHA+20%CR 的6.2倍、7.8倍、13.1倍及21.8倍,導(dǎo)致出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能與稻殼灰其身典型的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和高比表面積相關(guān)[9]。
不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬?duì)差異(Jnr-diff)表示一個(gè)應(yīng)力周期內(nèi)瀝青黏彈特性對(duì)高低應(yīng)力變化的敏感性,Jnr-diff越大,表示一個(gè)應(yīng)力周期內(nèi)瀝青黏彈特性對(duì)高低應(yīng)力變化的敏感性越強(qiáng)。由表5可得,隨著溫度的升高,不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的Jnr-diff值大致呈“凸”型拋物線發(fā)展,其中在64℃左右時(shí)達(dá)到峰值。從表5還可得,不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的Jnr-diff值基本都大于75%,并且在稻殼灰摻量3%時(shí),Jnr-diff值最大(≥64℃),之后隨著摻量的增加而降低。這表明稻殼灰的加入會(huì)很大程度地提高深度降解橡膠瀝青的應(yīng)力敏感性。
BBR試驗(yàn)是目前國(guó)際上用來(lái)測(cè)量瀝青結(jié)合料低溫流變性能的主流方法,試驗(yàn)主要采用蠕變勁度模量S和勁度模量變化率m 兩個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。蠕變勁度模量S表示瀝青結(jié)合料在低溫狀態(tài)下受到的收縮應(yīng)力,勁度模量變化率m 則表示瀝青結(jié)合料在低溫狀態(tài)下的應(yīng)力松弛能力。因此,瀝青結(jié)合料的蠕變勁度模量S越小,勁度模量變化率m 越大,表示瀝青結(jié)合料的低溫流變性能越好[20]。不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的彎曲梁流變儀試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。
圖5 BBR 試驗(yàn)結(jié)果 (a)蠕變勁度模量與摻量變化關(guān)系;(b) 勁度模量變化率與摻量變化關(guān)系Fig.5 Test results of BBR(a)relation between S and dosage; (b)relation between m and dosage
分析圖5(a)可知,隨著溫度的降低,不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的勁度模量S不斷升高,但上升速率各不相同,其中添加了稻殼灰的深度降解橡膠瀝青勁度模量S上升速率(除3%摻量外)均較普通深度降解橡膠瀝青有所提高。同時(shí),隨著稻殼灰摻量的增加,深度降解橡膠瀝青的勁度模量S呈先下降后不斷上升的趨勢(shì),當(dāng)摻量達(dá)到3%時(shí),達(dá)到最低值。這表明:低摻量時(shí),稻殼灰會(huì)降低深度降解橡膠瀝青的勁度模量,減少瀝青內(nèi)低溫收縮應(yīng)力;高摻量時(shí),稻殼灰會(huì)提高深度降解橡膠瀝青的勁度模量,增大瀝青內(nèi)低溫收縮應(yīng)力,說(shuō)明稻殼灰低溫改性效果存在最佳摻量3%。
分析圖5(b)可知,隨著溫度的降低,同一摻量的稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的勁度模量變化率m不斷降低;而在同一溫度下,稻殼灰的摻入會(huì)先增加深度降解橡膠瀝青的勁度模量變化率m,隨后開始不斷下降,這表明一定程度的稻殼灰摻入(3%),對(duì)瀝青的消解自身溫度收縮應(yīng)力的能力有利,而過(guò)量摻入會(huì)降低瀝青消解自身溫度收縮應(yīng)力的能力,對(duì)瀝青低溫性能產(chǎn)生消極影響,但這一點(diǎn)有必要從瀝青混合料、路面整體結(jié)構(gòu)方面對(duì)稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青低溫性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以利于稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青進(jìn)一步的研究和利用。
為了更深層次地揭示不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的流變力學(xué)特性,分別對(duì)不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青進(jìn)行電子FM 試驗(yàn),結(jié)果如圖6所示。
從圖6(a)可見,20%摻量的深度降解膠粉基本上溶于基質(zhì)瀝青之中,整體分散較為均勻、光滑;從圖6(b)~(e)可見,稻殼灰的摻入使稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青開始由不連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),慢慢形成“樹根狀”的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),內(nèi)部具備更好的柔韌性,故這時(shí)稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青具有良好的抗疲勞和抗低溫能力,這與第3.2節(jié)、第3.4節(jié)的流變力學(xué)性能分析一致。后期隨著稻殼灰的繼續(xù)加入,稻殼灰開始不斷填充之前形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和深度降解橡膠瀝青之間的間隙,形成新的更穩(wěn)定“板體”結(jié)構(gòu),故此時(shí)稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青具有更強(qiáng)的抗高溫性能、抗變形能力及更高的黏度。這與第3.1 節(jié)、第3.2 節(jié)及第3.3節(jié)的流變力學(xué)性能分析一致。
圖6 放大400倍下熒光顯微鏡圖Fig.6 Zoom in 400 times under fluorescent microscope(a)0%RHA+20%CR;(b)3%RHA+20%CR;(c)6%RHA+20%CR;(d)9%RHA+20%CR;(e)12%RHA+20%CR
稻殼灰的摻入會(huì)提高深度降解橡膠瀝青的黏度,但相比摻量,溫度對(duì)稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青黏度的影響敏感性更大,在180℃下不同摻量稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青的黏度,均小于3 Pa·s,滿足施工和易性的要求。
稻殼灰的摻入可以有效提高深度降解橡膠瀝青的高溫性能、疲勞性能、抵抗不可恢復(fù)變形能力及應(yīng)力敏感性,同時(shí)保持較好地溫度穩(wěn)定性,但是摻量過(guò)高會(huì)對(duì)疲勞性能和低溫性能產(chǎn)生不利影響,最佳疲勞摻量和低溫性能摻量分別為6%和3%。
稻殼灰的摻入會(huì)改變深度降解橡膠瀝青的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu),隨著摻量的增加,稻殼灰復(fù)合深度降解橡膠瀝青由柔韌的“網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)向更穩(wěn)定的“板體”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。