溫拌劑對橡膠改性瀝青路用性能的影響

張勁松

(黑龍江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團有限公司,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前 言

我國于1984年開始橡膠改性瀝青的路用性能研究。自20世紀(jì)90年代起,利用廢舊輪胎生產(chǎn)橡膠粉(膠粉)的技術(shù)取得重大突破,實現(xiàn)了以常溫粉碎的方法工業(yè)化生產(chǎn)膠粉,顯著改善了膠粉的物理性質(zhì)和路用性能,并大大降低了生產(chǎn)成本[1]。在2022年,我國廢舊輪胎的產(chǎn)量已超過1 600萬t,無害化利用率達到了75%左右,其中,利用膠粉生產(chǎn)橡膠改性瀝青是廢舊輪胎無害化利用的一個重要渠道。

膠粉摻入到瀝青中所形成的橡膠改性瀝青具有黏度高、粘接力強、低溫變形性能好、抗疲勞等優(yōu)點。將廢舊輪胎用于公路建設(shè)不僅有助于解決廢舊橡膠處理難的問題,而且能夠有效提高瀝青路面的使用質(zhì)量[1-2]。由于橡膠改性瀝青混合料的拌和溫度較普通瀝青混合料更高,因此設(shè)法降低其生產(chǎn)拌和溫度和攤鋪溫度,有利于降低有害氣體及煙塵的排放,實現(xiàn)低碳節(jié)能。降低橡膠改性瀝青混合料拌和、攤鋪溫度的技術(shù)措施之一是采用溫拌技術(shù)。

目前,溫拌瀝青混合料與橡膠改性瀝青混合料在國內(nèi)的發(fā)展應(yīng)用已經(jīng)比較成熟,但兩項技術(shù)還未能進行良好的結(jié)合,兩者結(jié)合可以在路用性能、施工性能方面實現(xiàn)優(yōu)勢互補,起到節(jié)能減排、促進綠色環(huán)保的效果。

1 橡膠改性瀝青的制備

1.1 膠粉

根據(jù)有關(guān)研究,在20～60目的粒徑范圍內(nèi),隨著膠粉目數(shù)的增大(即膠粉粒徑減小),橡膠改性瀝青的175 ℃黏度及軟化點有所下降,5 ℃延度和25 ℃針入度相應(yīng)增大[2]。說明較細(xì)的膠粉在瀝青中更容易膨脹,制備的橡膠改性瀝青低溫性能更好。基于現(xiàn)有研究成果,本次試驗采用60目廢舊輪胎膠粉制備改性瀝青,膠粉的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示,篩分結(jié)果如表2所示。

表1 膠粉主要技術(shù)指標(biāo) 單位:%

表2 膠粉篩分試驗結(jié)果

1.2 基質(zhì)瀝青

根據(jù)瀝青供應(yīng)情況和試驗需要,采用盤錦90#瀝青作為基質(zhì)瀝青,其主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 基質(zhì)瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

1.3 膠粉摻量對橡膠改性瀝青溫度敏感性的影響

一般而言,隨著膠粉摻量的增大,橡膠改性瀝青的黏度、軟化點增大,針入度減小,即高溫穩(wěn)定性得到提升[3-4]。針入度指數(shù)能夠表征瀝青的溫度敏感性,故以膠粉摻量0%、10%、14%、18%、22%制備橡膠改性瀝青,測定針入度指數(shù)變化。結(jié)果如圖1所示。

圖1 針入度指數(shù)與膠粉摻量的關(guān)系

由圖1可知,隨著膠粉摻量的增加,針入度指數(shù)相應(yīng)增大,即橡膠改性瀝青的溫度敏感性隨之降低。當(dāng)膠粉摻量達到18%以上時,針入度指數(shù)的增長趨于平緩。因此,試驗以盤錦90#瀝青為基質(zhì)瀝青,摻加18%的60目廢舊輪胎膠粉。

1.4 溫拌劑的選用

試驗選用的是國產(chǎn)表面活性劑類的LKW-Ⅱ型溫拌劑,具有降低黏度、抗剝離、降低拌和溫度等多重效果。其主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 溫拌劑主要技術(shù)指標(biāo)

2 溫拌劑對橡膠改性瀝青溫度敏感性的影響

溫拌劑的摻量取0.0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%五個檔次,分別進行對比試驗。

2.1 溫拌劑對橡膠改性瀝青軟化點的影響

軟化點是瀝青的基礎(chǔ)性技術(shù)指標(biāo),可直觀體現(xiàn)瀝青路面受高溫而軟化、變形的敏感程度,是瀝青常規(guī)試驗的重要指標(biāo)之一,能夠表征瀝青的黏度、高溫穩(wěn)定性及間接感溫性。軟化點試驗根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)的規(guī)定進行。在0.0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%五種溫拌劑摻量下,橡膠改性瀝青軟化點的試驗結(jié)果如圖2所示?？芍獪匕鑴┨岣吡讼鹉z改性瀝青的軟化點,當(dāng)膠粉摻量達到0.3%以上時,軟化點的增長趨緩。

圖2 溫拌劑摻量對軟化點的影響

2.2 溫拌劑對橡膠改性瀝青延度的影響

延度指標(biāo)是瀝青材料的三大基礎(chǔ)性指標(biāo)之一,能夠反映瀝青的塑形變形性能,表征瀝青在固定溫度下擴展或延伸的能力。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)的規(guī)定進行橡膠改性瀝青的延度試驗。

為評估不同溫拌劑摻量下橡膠改性瀝青的低溫塑性變形能力,采用5 ℃延度。在0.0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%五種溫拌劑摻量下,橡膠改性瀝青的延度試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同溫拌劑摻量下橡膠改性瀝青5 ℃延度

由圖3可知,溫拌劑的加入可以增大橡膠改性瀝青的低溫延度,即有助于改善橡膠改性瀝青的低溫流變性能。當(dāng)膠粉摻量達到0.3%以上時,延度的增長趨向平緩。

2.3 溫拌劑對橡膠改性瀝青彎曲蠕變勁度的影響

黑龍江省屬于高緯度低海拔寒冷地區(qū),對路用瀝青材料的低溫性能有較高的要求。目前,用于評價瀝青低溫性能的試驗方法較多,但基于彎曲梁流變儀的彎曲蠕變勁度試驗相對更加準(zhǔn)確、可靠[2-4]。該試驗方法也是美國在20世紀(jì)80年代開展的SHRP(Strategic Highway Research Program)計劃最早采用的,是通過測定彎曲蠕變勁度和蠕變速率(即m值)來評估瀝青材料的低溫性能。

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)的規(guī)定試驗方法,在四種溫拌劑摻量(0.0%、0.1%、0.3%、0.5%)、三種負(fù)溫(-18 ℃、-24 ℃、-30 ℃)條件下,基于彎曲梁流變儀的橡膠改性瀝青彎曲蠕變勁度試驗結(jié)果如圖4所示。不摻溫拌劑時,蠕變速率(m值)在0.364～0.447之間;摻溫拌劑時,對應(yīng)的蠕變速率(m值)在0.345～0.410之間。依據(jù)瀝青PG性能分級,本次試驗配制的橡膠改性瀝青、摻溫拌劑橡膠改性瀝青m值均大于0.3,符合瀝青低溫性能等級要求。

圖4 “溫度-溫拌劑摻量-彎曲蠕變勁度”的關(guān)系

2.4 溫拌劑對橡膠改性瀝青黏溫敏感性的影響

有關(guān)瀝青溫度敏感性的評價指標(biāo)較多,如針入度指數(shù)、黏溫指數(shù)、黏度指數(shù)、復(fù)數(shù)模量指數(shù)等,但針對橡膠改性瀝青的溫度敏感性評價指標(biāo)相對較少。由于瀝青材料所具有的黏彈塑性等特點,當(dāng)溫度升高時,瀝青的黏度會降低;反之,當(dāng)溫度下降時,瀝青的黏度隨之增大。反映在瀝青路面上,其宏觀表現(xiàn)就是冬天變硬、夏天變軟。綜合國內(nèi)現(xiàn)有的常用評價方法和技術(shù)指標(biāo),本次試驗選擇黏溫指數(shù)(VTS)進行溫拌橡膠改性瀝青的黏溫敏感性評價。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)的規(guī)定,設(shè)定試驗溫度分別為100、120、135、160、180 ℃,對不同溫拌劑摻量(0.0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%)的橡膠改性瀝青進行瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(布洛克菲爾德黏度計法)。黏度試驗結(jié)果如表5所示。

表5 不同溫拌劑摻量時橡膠改性瀝青黏度值試驗結(jié)果

以美國材料與試驗協(xié)會(US—ASTM)發(fā)布的《瀝青粘結(jié)劑黏度—溫度圖表準(zhǔn)實施規(guī)程》(Standard Practice for Viscosity-Temperature Chart for Asphalt Binders,ASTM D2493/D2493 m—16)推薦使用的Saal公式對黏度數(shù)據(jù)進行回歸。其中,用Saal公式回歸的黏溫曲線斜率值(絕對值)即為黏溫指數(shù)(VTS),結(jié)果如表6所示。

表6 摻溫拌劑橡膠改性瀝青的黏溫指數(shù)試驗結(jié)果

從表6中的回歸結(jié)果可知,黏度數(shù)據(jù)回歸的相關(guān)性很好。摻溫拌劑后,黏溫指數(shù)(VTS)明顯下降,即橡膠改性瀝青的黏溫敏感性得以改善。當(dāng)溫拌劑的摻量達到0.3%以上時,改善效果不再明顯。

3 溫拌劑對橡膠改性瀝青耐久性的影響

瀝青路面長期承受自然環(huán)境和行車荷載的綜合作用,會發(fā)生一系列物理化學(xué)變化而逐漸老化,導(dǎo)致瀝青、瀝青混合料的各項路用性能指標(biāo)下降。評估瀝青老化程度對分析其使用耐久性具有重要意義。路用瀝青的短期老化性能評估一般采用瀝青薄膜加熱試驗(薄膜烘箱試驗,TFOT)或瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗,RTFOT)。相對而言,瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗的老化速度更快,控制精度較高。因此,本次評估采用旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗,以分析溫拌劑對橡膠改性瀝青耐久性的影響。

由于瀝青屬于流變性材料,因此其老化過程中的主要表現(xiàn)之一是黏度的改變。據(jù)有關(guān)研究[3-5],瀝青的老化時間和黏度有近似線性的相關(guān)關(guān)系,加上黏度試驗的準(zhǔn)確度較高,故此次的評估指標(biāo)采用瀝青老化后、老化前的布氏黏度之比。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進行老化前后黏度對比試驗。試驗結(jié)果如表7所示。

表7 摻溫拌劑的橡膠改性瀝青老化黏度比試驗結(jié)果

根據(jù)表7中的試驗結(jié)果,摻加溫拌劑后,橡膠改性瀝青布氏黏度比的數(shù)值有所上升。雖然提升比率只有2.0%～3.9%,但間接表明摻加溫拌劑有提高橡膠改性瀝青使用耐久性的效果,且溫拌劑摻量在0.2%～0.3%為好。

4 溫拌橡膠改性瀝青混合料的車轍試驗

以盤錦90#瀝青為基質(zhì)瀝青,摻加18%的60目廢舊輪胎膠粉制備橡膠改性瀝青,溫拌劑采用國產(chǎn)LKW-Ⅱ型溫拌劑,摻量為0.3%。所制備的溫拌橡膠改性瀝青符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的有關(guān)技術(shù)要求。

瀝青混合料的粗、細(xì)集料均選用玄武巖,礦粉選用石灰?guī)r礦粉。采用馬歇爾試驗確定的最佳油石比為6.5%。以此為基礎(chǔ),采用濕法斷級配制備AR-AC16橡膠改性瀝青混合料及溫拌橡膠改性瀝青混合料。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進行車轍試驗?？刂茰囟葹?0 ℃,輪壓為0.7 MPa,往返碾壓速度為42(次/min)±1(次/min)。試驗結(jié)果如表8所示。

表8 瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

由車轍試驗結(jié)果可知,相對未摻溫拌劑的橡膠改性瀝青混合料,摻加0.3%溫拌劑的橡膠改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度顯著提高,增長幅度高達74.9%。

5 溫拌橡膠改性瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中“瀝青混合料彎曲試驗(T0715—2011)”規(guī)定的方法進行低溫小梁彎曲試驗,試驗溫度控制在-10 ℃±0.5 ℃。對應(yīng)的試驗結(jié)果如表9所示。

表9 低溫小梁彎曲試驗結(jié)果

根據(jù)低溫小梁彎曲試驗結(jié)果,摻加0.3%的溫拌劑后,破壞時的最大彎拉應(yīng)變顯著增大,提升幅度達20.9%,表明摻加溫拌劑能夠改善橡膠改性瀝青混合料的低溫抗裂性。

6 溫拌橡膠改性瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中“瀝青混合料凍融劈裂試驗(T0729—2011)”規(guī)定的方法,采用凍融劈裂試驗評估溫拌橡膠改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。試驗結(jié)果如表10所示。

表10 瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果

由表10中的試驗結(jié)果可知,溫拌劑能夠提升橡膠改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性,但效果不夠明顯。

7 結(jié) 論

綜合上述試驗研究成果,將溫拌橡膠改性瀝青技術(shù)應(yīng)用于國道丹阿公路省界(琿春)至東寧段改擴建工程虎豹公園段K70+000～K70+550處,修筑溫拌橡膠改性瀝青混合料路面試驗段550 m。經(jīng)過連續(xù)3年的跟蹤調(diào)查,溫拌橡膠改性瀝青混合料路面平整度的標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)下降幅度小于0.3%(相鄰普通瀝青路面平整度標(biāo)準(zhǔn)差下降幅度為0.36%～0.77%),裂縫率與相鄰普通瀝青路面相比降低67.2%,無車轍、松散、推移、泛油等病害。綜合依托工程調(diào)查結(jié)果,可以得出以下結(jié)論。

(1)溫拌劑能夠提高橡膠改性瀝青的軟化點,降低橡膠改性瀝青的溫度敏感性。

(2)溫拌劑能夠增大橡膠改性瀝青的低溫延度,有助于改善橡膠改性瀝青的低溫流變性能。本次試驗中對應(yīng)的膠粉優(yōu)化摻量為0.3%。

(3)摻加溫拌劑后,橡膠改性瀝青的黏溫指數(shù)(VTS)下降,即橡膠改性瀝青的黏溫敏感性得以改善。當(dāng)溫拌劑的摻量達到0.3%以上時,改善效果增加緩慢。

(4)溫拌劑有提高橡膠改性瀝青使用耐久性的效果。本次試驗中對應(yīng)的溫拌劑適宜摻量在0.3%左右。

(5)溫拌劑能夠有效提升橡膠改性瀝青混合料的高低溫穩(wěn)定性,且不影響橡膠改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性。