DWMAS型溫拌劑對碎石封層橡膠瀝青表觀黏度及路用性能的影響

劉寬富 朱家劍 韓麗麗 楊海濤

(甘肅二車高等級公路項目管理有限公司1) 蘭州 730070) (甘肅路橋第三公路工程有限責(zé)任公司2) 蘭州 730070) (陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院3) 西安 710018) (長安大學(xué)道路結(jié)構(gòu)與材料交通運(yùn)輸行業(yè)重點實驗室4) 西安 710064)

0 引 言

橡膠瀝青是由瀝青、回收輪胎膠粉及外加劑組成，通過膠粉高溫融脹吸收基質(zhì)瀝青的輕質(zhì)組分形成的高黏度熱力學(xué)不相容兩相體系.橡膠瀝青不僅能消化大量廢棄輪胎，鋪筑路面還具有優(yōu)良的高溫抗變形、抗疲勞開裂性能和卓越的降噪效果.自從1960年Charles H. McDonald提出“濕法”工藝以來，在中國、北美、南非等國家和地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，被大量用于開級配、間斷級配熱拌瀝青混合料以及應(yīng)力吸收層、同步碎石封層和開普封層等路面工程[1-2].然而，橡膠瀝青生產(chǎn)和施工各環(huán)節(jié)溫度均高于聚合物改性瀝青，達(dá)180～190 ℃，不僅消耗數(shù)量可觀的能源，還會排放大量CO2和濃煙，制約了橡膠瀝青技術(shù)的推廣和應(yīng)用.

隨著沸石發(fā)泡技術(shù)、有機(jī)蠟類以及乳化類為代表的溫拌瀝青技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，也大量應(yīng)用在橡膠瀝青混合料領(lǐng)域[3-6].季節(jié)等[7]基于針入度體系、SHRP體系及表面自由能、紅外光譜等試驗手段，對稀釋類(芳烴油、煤油)、有機(jī)蠟類(RH、Sasobit)、表面活性劑類(Evotherm)及沸石類(Aspha-min)四類溫拌劑對橡膠瀝青路用性能的影響進(jìn)行了研究.2008年，河北鋪設(shè)了我國第一條溫拌橡膠瀝青試驗路；同年Evotherm溫拌橡膠瀝青技術(shù)在石家莊石環(huán)公路試驗路得到了應(yīng)用.2015年南京南站與機(jī)場連接線鋪設(shè)了溫拌橡膠瀝青SMA-13試驗段，結(jié)果表明：溫拌橡膠瀝青SMA能降低壓實溫度20 ℃，水穩(wěn)定性和抗開裂性能保持不變，顯著提高了橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性.

為降低施工階段碳排放，文中將一種新型復(fù)合型溫拌劑應(yīng)用于碎石封層橡膠瀝青膠結(jié)料，基于室內(nèi)試驗和鋪筑試驗路段探討了將溫拌橡膠瀝青碎石封層用作路面結(jié)構(gòu)下封層的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性.為評價DWMA-S型溫拌劑對碎石封層橡膠瀝青結(jié)合料高、低溫路用性能的影響以及分析其降黏效果，采用針入度、軟化點、彈性恢復(fù)率、測力延度、180℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗表征了DWMA-S型溫拌劑對碎石封層橡膠瀝青結(jié)合料高溫路用性能、低溫韌性，以及表觀黏度的影響.

1 材料與試驗

1.1 材料

1.1.1橡膠瀝青

采用甘肅省嘉峪關(guān)市、天水市瀝青庫供應(yīng)的橡膠瀝青成品取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗，采用SK-90#基質(zhì)瀝青、SBS(I-C)改性瀝青做對照研究，技術(shù)指標(biāo)見表1(試驗方法采用文獻(xiàn)[8]T0604).

表1 橡膠瀝青路用性能技術(shù)指標(biāo)

1.1.2溫拌劑

采用東道瀝青DWMA-S型溫拌劑，摻量為占熱瀝青質(zhì)量的0.3%～0.7%，可根據(jù)工程應(yīng)用數(shù)量計算溫拌劑需要量.該溫拌劑可降低瀝青混合料施工溫度30～40 ℃，技術(shù)參數(shù)見表2.

表2 DWMA-S型溫拌劑的技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗

1.2.1溫拌橡膠瀝青制備

將成品橡膠瀝青加熱至140～160 ℃，計算溫拌劑添加量，在攪拌狀態(tài)下將溫拌劑緩慢倒入熱橡膠瀝青中，恒溫狀態(tài)下攪拌約5～10 min，保持原有橡膠瀝青溫度穩(wěn)定后，即可澆樣完成后續(xù)溫拌橡膠瀝青基本路用性能試驗.

1.2.2基本路用性能試驗

采用針入度、軟化點、彈性恢復(fù)率、180 ℃布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗表征了溫拌橡膠瀝青的高溫路用性能，借助SYD-4508G-1數(shù)顯型瀝青延度試驗器測定了不同溫拌橡膠瀝青在5 ℃、10 ℃的拉力-延度試驗曲線，分析橡膠瀝青的低溫韌性以及溫度、溫拌劑對橡膠瀝青低溫性能的影響.

延度試驗器測量范圍：1.5 m(±10 mm)，控溫范圍：5～50 ℃可調(diào)節(jié)，數(shù)字顯示，溫度顯示分辨率0.01 ℃，控溫精度：±0.1℃，拉伸速度：1，5 cm/min兩檔，測量精度：±1 mm.各試驗方法均嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[8]規(guī)定執(zhí)行.所有的路用性能試驗每組樣品進(jìn)行三次平行試驗，取其平均值為代表值，并取三次平行試驗結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差SD評價試驗誤差.

1.3 試驗段概況

試驗段鋪筑于G341線甘肅省環(huán)縣二(十里溝口)至車(路崾峴[甘寧界])公路HCGL1合同段劉園子互通立交A2匝道(起訖樁號：A2K0+000—A2K0+495.802)、E匝道(起訖樁號：EK0+000—EK0+388.059)，總長度884m.試驗段路面結(jié)構(gòu)為：4cm高性能改性瀝青混凝土Superpave-13上面層，8cm密級配改性瀝青碎石ATB-25下面層，36 cm水泥穩(wěn)定碎石基層加20 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層，匝道設(shè)計橫斷面見圖1.采用溫拌橡膠瀝青碎石封層用作路面結(jié)構(gòu)下封層，在水泥穩(wěn)定碎石基層表面先灑布乳化瀝青透層油，之后施作溫拌橡膠瀝青碎石下封層.原路面設(shè)計封層方案為熱熔改性瀝青碎石封層.

圖1 試驗段匝道橫斷面示意圖(單位：cm)

2 DWMA-S型溫拌劑對橡膠瀝青基本路用性能的影響

2.1 針入度、軟化點及彈性恢復(fù)率

試驗得到不同溫拌橡膠瀝青的針入度、軟化點與彈性恢復(fù)率見圖2.

圖2 溫拌劑對橡膠瀝青針入度、軟化點和彈性恢復(fù)率指標(biāo)的影響

由圖2a)可知：摻加DWMA-S型溫拌劑后橡膠瀝青25 ℃針入度增大，嘉峪關(guān)、天水兩種橡膠瀝青樣本摻加溫拌劑后針入度分別增加31.0%、3.73%，說明溫拌橡膠瀝青的常溫稠度有所降低.由圖2b)可知：摻加DWMA-S型溫拌劑后橡膠瀝青軟化點略有降低，兩種樣本降幅均不足5%，說明DWMA-S溫拌劑對橡膠瀝青軟化點影響不大.由圖2c)可知：摻加DWMA-S型溫拌劑后橡膠瀝青25 ℃彈性恢復(fù)率變化不顯著，數(shù)據(jù)表明嘉峪關(guān)樣本摻加溫拌劑后彈性恢復(fù)率增加1.1%，而天水樣本則降低2.2%，兩組樣本的數(shù)據(jù)變化不顯著，說明本項目碎石封層橡膠瀝青所用復(fù)合型溫拌劑在降低橡膠瀝青高溫黏度時，對橡膠瀝青的彈性幾乎沒有影響.圖2c)中四組橡膠瀝青樣本的彈性恢復(fù)率與工程中常用SBS改性瀝青相當(dāng)，說明該復(fù)合型溫拌劑不會對橡膠瀝青彈性產(chǎn)生負(fù)面影響.

2.2 溫拌劑對橡膠瀝青低溫延度及韌性的影響

測定不同溫拌橡膠瀝青在5、10 ℃的力-延度試驗曲線，低溫延度試驗結(jié)果見圖3.

圖3 摻加不同溫拌劑橡膠瀝青的低溫延度

由圖3可知：摻加DWMA-S型溫拌劑后橡膠瀝青低溫延度變化規(guī)律不明顯；數(shù)據(jù)表明嘉峪關(guān)樣本摻加溫拌劑后5 ℃延度增加13.1%，而天水樣本則降低15.8%，當(dāng)試驗溫度升高后，摻加溫拌劑嘉峪關(guān)樣本10 ℃延度增加6.9%，而天水樣本則降低23.0%，考慮到試驗樣品制備及溫度控制方面可能存在的誤差，嘉峪關(guān)樣本溫拌前后延度變化率不足15%，可以認(rèn)為溫拌劑對其延度影響不顯著；而天水樣本摻加溫拌劑前后延度降低率均大于15%，說明溫拌劑對其延度影響較顯著.文獻(xiàn)中表面活性劑類溫拌劑會在一定程度上降低橡膠瀝青高低溫性能，本項目所用復(fù)合型溫拌劑可能會對橡膠瀝青低溫塑性變形能力產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，且膠粉摻量越大，負(fù)面影響越顯著.原因可能在于，復(fù)合型溫拌劑中的表面活性劑成分降低了溶脹后膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青之間的黏附性能，從而導(dǎo)致低溫延度值降低.

摻加溫拌劑前后橡膠瀝青5，10 ℃的力-延度試驗曲線見圖4.依據(jù)彈性模量和斷裂伸長率的不同，高分子材料單軸拉伸條件下的力-變形曲線可劃分為五種類型：硬而脆型、硬而強(qiáng)型、硬而韌型、軟而韌型和軟而弱型，五種力-變形曲線各有不同的形狀.

圖4 摻加溫拌劑橡膠瀝青的低溫力-延度試驗曲線

由圖4可知：摻加溫拌劑橡膠瀝青的低溫力-延度曲線具有硬而韌的特點.該類型材料力-延度曲線在加載初期力與變形呈線性關(guān)系增長，且彈性模量很高，當(dāng)材料屈服后可以產(chǎn)生較大的變形，因而具有較大的斷裂伸長率，材料斷裂能高、韌性優(yōu)良.此外，溫度對橡膠瀝青力-延度曲線形狀影響較溫拌劑顯著，表現(xiàn)在試驗溫度為5 ℃時，試樣力-延度曲線經(jīng)過彈性區(qū)間后，出現(xiàn)了明顯的屈服現(xiàn)象，隨后力略有降低，延度持續(xù)增加，發(fā)生屈服軟化；而試驗溫度為10 ℃時，屈服現(xiàn)象和屈服軟化不明顯，試樣的屈服力和斷裂力均大幅下降，橡膠瀝青的韌性降低.

表3為摻加DWMA-S型溫拌劑后不同橡膠瀝青試樣的低溫韌性指標(biāo).數(shù)據(jù)表明溫度對橡膠瀝青的低溫韌性具有極其顯著的影響，試驗溫度越高，屈服力、斷裂力及斷裂能均大幅降低；不同溫度下橡膠瀝青的屈服延度變化不大，均在12 mm左右，斷裂延度也即延度試驗值差別較大，10 ℃延度大于5 ℃延度.此外，溫拌劑對橡膠瀝青的低溫韌性具有一定影響，表現(xiàn)在摻加DWMA-S型溫拌劑后，屈服力、斷裂力降低，斷裂能降低，與升高溫度對橡膠瀝青低溫韌性的影響一致.

表3 溫拌橡膠瀝青的低溫韌性指標(biāo)

3 DWMA-S型溫拌劑對碎石封層橡膠瀝青表觀黏度的影響

橡膠瀝青用作封層膠結(jié)料時常在高溫條件下灑布，為了降低橡膠瀝青高溫灑布時的二氧化碳排放量，常摻加溫拌劑減低黏度，從而降低橡膠瀝青灑布溫度.為考察DWMA-S型溫拌劑對本研究碎石封層橡膠瀝青施工黏度的影響，采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度計測定了不同橡膠瀝青樣本的180℃表觀黏度，試驗結(jié)果見表4.

表4 摻加DWMA-S溫拌劑橡膠瀝青的表觀黏度試驗值

由表4可知：摻加DWMA-S型溫拌劑后橡膠瀝青180 ℃表觀黏度降低.其中，嘉峪關(guān)、天水兩種橡膠瀝青樣本摻加溫拌劑后黏度分別降低50.8%、40.0%，與文獻(xiàn)中有機(jī)降粘劑的降粘效果相當(dāng).說明摻加DWMA-S溫拌劑后橡膠瀝青的高溫表觀黏度大大降低.

4 溫拌橡膠瀝青碎石封層試驗段降溫效果分析

溫拌橡膠瀝青碎石封層主要施工工藝包括三部分：同步碎石封層車標(biāo)定(根據(jù)設(shè)計碎石撒布量和瀝青灑布量，確定碎石布料口以及瀝青噴嘴的開啟度)、下承層準(zhǔn)備、溫拌橡膠瀝青同步碎石封層施工.在封層施作前，從同步碎石封層車的瀝青儲存罐內(nèi)取樣進(jìn)行了橡膠瀝青的路用性能指標(biāo)試驗，文中2.1、2.2溫拌橡膠瀝青基本路用性能試驗結(jié)果即為取樣后測定值.

綜合室內(nèi)試驗及試驗段實測數(shù)據(jù)可知：摻加DWMA-S型溫拌劑后橡膠瀝青的灑布溫度在160～165 ℃，在滿足部頒標(biāo)準(zhǔn)路用廢胎膠粉橡膠瀝青技術(shù)要求(寒區(qū))的前提下，灑布溫度比未摻溫拌劑時降低30～35 ℃，降溫效果顯著.主要原因在于DWMA-S型溫拌劑幾乎不改變橡膠瀝青高溫路用性能，卻能大大降低其表觀黏度，降幅可達(dá)40%～50%，因此采用DWMA-S型溫拌橡膠瀝青作碎石封層膠結(jié)料，能顯著降低施工階段的二氧化碳排放量.值得注意的是，該型溫拌劑對橡膠瀝青低溫韌性有一定負(fù)面影響，在寒區(qū)公路工程中應(yīng)用時應(yīng)格外注意.

5 結(jié) 論

1) 摻加DWMA-S型溫拌劑后橡膠瀝青25 ℃針入度增大，軟化點略有降低，25 ℃彈性恢復(fù)率變化不顯著，該復(fù)合型溫拌劑對橡膠瀝青針入度和軟化點的影響規(guī)律與稀釋類溫拌劑類似.

2) 摻加DWMA-S型溫拌劑后，橡膠瀝青低溫延度降低，表明其可能會對橡膠瀝青低溫塑性變形能力產(chǎn)生較大負(fù)面影響，且膠粉摻量越大，影響越顯著.

3) 橡膠瀝青低溫力-延度曲線具有硬而韌的特點.且溫度升高，橡膠瀝青、溫拌橡膠瀝青的屈服力分別降低54.3%、57.5%，斷裂力降低46.5%、48.3%，斷裂能則降低25.56%、35.90%，說明溫度對溫拌橡膠瀝青低溫韌性具有極其顯著的影響.

4) 摻加DWMA-S型溫拌劑后，橡膠瀝青屈服力、斷裂力降低，斷裂能降低，與升高溫度對其低溫韌性的影響規(guī)律一致.

5) DWMA-S型溫拌劑可降低橡膠瀝青180 ℃表觀黏度40%～50%，故采用溫拌橡膠瀝青作碎石封層膠結(jié)料，能顯著降低灑布溫度，進(jìn)而降低施工階段的二氧化碳排放量.