蠟基溫拌添加劑對橡膠粉改性瀝青性能影響研究

周 慧

(昆明公路局，云南 昆明 650200)

0 概 述

疲勞開裂和永久變形是瀝青路面的兩大病害，導(dǎo)致瀝青路面的養(yǎng)護(hù)成本增加，使用壽命降低。瀝青膠結(jié)料雖然只是瀝青混合料中的一小部分，但對其性能特征有相當(dāng)大的影響。研究表明，瀝青膠結(jié)料的流變性能直接影響瀝青混合料的抗疲勞和抗車轍性能。因此，已有大量研究關(guān)于在瀝青膠結(jié)料中使用各種添加劑來提高和改善瀝青混合料的抗疲勞和抗車轍性能。

如今，道路上車輛數(shù)量的增加已經(jīng)導(dǎo)致廢舊輪胎的產(chǎn)生速度大幅度提高。由于廢輪胎對環(huán)境存在不利影響，其回收與再利用確是一個(gè)應(yīng)當(dāng)關(guān)注的問題。將橡膠粉用于瀝青改性可以提高瀝青混合料的性能，從而延長瀝青路面的使用壽命，降低維護(hù)成本。此外，有研究表明，橡膠粉改性瀝青膠結(jié)料比純?yōu)r青膠結(jié)料具有更好的抗老化性能，提高了瀝青混合料的抗車轍和抗疲勞性能，降低了行車噪聲，并且具有更好的抗滑性能。

盡管具有上述優(yōu)點(diǎn)，與純?yōu)r青膠結(jié)料相比，CRMA膠結(jié)料的主要缺點(diǎn)是粘度高，和易性降低，因而需要更高的混合和壓實(shí)溫度。而更高的瀝青混合料生產(chǎn)溫度會增加燃料消耗和有毒氣體排放；另一方面，如果壓實(shí)溫度不夠，瀝青混合料的體積性能(空隙率和壓實(shí)度)就很難甚至無法實(shí)現(xiàn)，這將導(dǎo)致瀝青路面短期和長期性能較差。相應(yīng)地，這些因素也限制了橡膠瀝青混合料的充分推廣應(yīng)用。因此，我們考慮降低橡膠瀝青混合料混合和壓實(shí)溫度的需要。

研究表明，不同類型的WMA添加劑可以通過降低橡膠粘結(jié)劑的粘度和增加其和易性來顯著降低瀝青混合料的生產(chǎn)溫度。因此，溫拌橡膠瀝青混合料是一種既環(huán)保又能改善性能的可持續(xù)鋪裝技術(shù)。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青性質(zhì)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青性質(zhì)

1.2 橡膠粉改性劑(CRM)

本研究中采用40目CRM，最大尺寸為0.425 mm，添加量為15%。

1.3 WMA添加劑

松蠟是蠟和油的混合物，聚丙烯蠟是聚丙烯生產(chǎn)過程的副產(chǎn)品。

蠟基添加量為基質(zhì)瀝青的2%、4%、6%。

表2 蠟基添加劑理化性質(zhì)

1.4 粘結(jié)劑制備

先將基質(zhì)瀝青與15%CRM混合45 min，在180 ℃下，使用高速剪切攪拌機(jī)，轉(zhuǎn)速為3 600 rpm。然后將蠟基添加劑添加到CRMA粘結(jié)劑中，在160 ℃溫度下，攪拌10 min。制備得到8種不同的瀝青粘結(jié)劑，見表3。

表3 瀝青粘結(jié)劑

2 試驗(yàn)方法

2.1 旋轉(zhuǎn)粘度儀試驗(yàn)(RV)

為了保證瀝青膠結(jié)料的泵送性能以及瀝青混合料的和易性，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)粘度儀試驗(yàn)，允許最大粘度為3 Pa·s，試驗(yàn)溫度為135 ℃(標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度)、165 ℃、185 ℃。

2.2 動態(tài)剪切流變試驗(yàn)(DSR)

DSR試驗(yàn)通過測量瀝青膠結(jié)料的復(fù)剪切模量G*和相位角δ來描述其彈性和粘性行為，剪切頻率為10 rad/s。G*/sinδ用來評價(jià)瀝青膠結(jié)料的抗車轍性能，G*/sinδ值越大，表明瀝青粘結(jié)劑的抗車轍能力越強(qiáng)，未老化粘結(jié)劑的G*/sinδ值應(yīng)大于1 kPa，RTFO老化粘結(jié)劑的G*/sinδ值應(yīng)大于2.2 kPa。G*·sinδ用于評價(jià)瀝青膠結(jié)料在中間溫度的疲勞性能。通過將壓力老化粘結(jié)劑的G*·sinδ值限制在5 000 kPa以下可以控制疲勞開裂。

2.3 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)

對RTFO老化粘結(jié)劑在64 ℃條件下進(jìn)行MSCR試驗(yàn)。計(jì)算不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr和恢復(fù)率R%兩個(gè)主要參數(shù)，Jnr用于評價(jià)反復(fù)荷載作用下瀝青粘結(jié)劑車轍行為，R表示每個(gè)循環(huán)中可恢復(fù)應(yīng)變與總應(yīng)變的比值；Jnr-diff表示兩種應(yīng)力水平下Jnr的差值，用于評價(jià)瀝青粘結(jié)劑的應(yīng)力水平敏感性。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 RV試驗(yàn)

圖1、圖2顯示了蠟基添加劑對CRMA粘結(jié)劑旋轉(zhuǎn)粘度的影響。在135 ℃時(shí)，橡膠改性粘結(jié)劑的粘度約為基質(zhì)粘結(jié)劑的3倍。橡膠改性粘結(jié)劑粘度的明顯升高可以解釋為在攪拌過程中芳香油的吸收和CRM顆粒的膨脹導(dǎo)致。可以看出，兩種蠟基添加劑都降低了CRMA粘結(jié)劑的粘度，聚丙烯蠟對CRMA粘結(jié)劑粘度的降低程度更大。在135 ℃下，添加6%的聚丙烯蠟可使橡膠改性粘結(jié)劑的旋轉(zhuǎn)粘度降低約50%。

圖1 松蠟對瀝青粘結(jié)劑旋轉(zhuǎn)粘度的影響

圖2 聚丙烯蠟對瀝青粘結(jié)劑旋轉(zhuǎn)粘度的影響

3.2 DSR試驗(yàn)

圖3、圖4為未老化和RTFO老化瀝青粘結(jié)劑高溫下G*/sinδ值。值得注意的是，所有改性粘結(jié)劑G*/sinδ變化率均比基質(zhì)粘結(jié)劑低，表明高溫抗車轍能力得到了提高。并且，添加聚丙烯蠟的橡膠改性粘結(jié)劑的車轍參數(shù)最大值均與CR15P2有關(guān)，但隨著聚丙烯蠟摻量的增加，抗車轍性降低。松蠟對橡膠改性粘結(jié)劑的抗車轍性能無顯著影響。

圖3 未老化瀝青粘結(jié)劑G*/sinδ值

圖4 RTFO老化瀝青粘結(jié)劑G*/sinδ值

瀝青粘結(jié)劑的高溫性能如表4。在基質(zhì)瀝青中添加15%的CRM，高溫性能可提高一個(gè)等級。2%的聚丙烯蠟提高了橡膠改性粘結(jié)劑的高溫性能，而松蠟的加入降低了其高溫性能。

表4 瀝青粘結(jié)劑的高溫性能

表5為25 ℃下不同瀝青粘結(jié)劑的Superpave疲勞參數(shù)的詳細(xì)計(jì)算結(jié)果，所有瀝青膠結(jié)料G*·sinδ值均不超過5 000 kPa，滿足要求。

表5 25 ℃下G*·sinδ計(jì)算結(jié)果

3.3 MSCR試驗(yàn)

圖5、圖6為0.1 kPa和3.2 kPa兩種應(yīng)力水平下瀝青膠結(jié)料MSCR試驗(yàn)結(jié)果，較低的Jnr值表明更好的抗永久變形能力和抗車轍性能。R%越大，表明粘結(jié)劑的應(yīng)變恢復(fù)能力越強(qiáng)。與基質(zhì)粘結(jié)劑相比，CRMA粘結(jié)劑的Jnr值較低，R%值較高，表明其抗永久變形能力較強(qiáng)。在制備階段，由于CRM顆粒與基質(zhì)粘結(jié)劑的相互作用，使得分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的剛度增大，改性瀝青粘結(jié)劑的復(fù)模量G*增大，剛度增大。因此，CRMA粘結(jié)劑對永久變形的抗力增加。在3.2 kPa應(yīng)力水平下，松蠟不僅提高了Jnr值，而且降低了恢復(fù)率；而在0.1 kPa應(yīng)力水平下，松蠟的添加使得恢復(fù)率略有增加。隨著添加量的增加，恢復(fù)率逐漸降低。因此，添加松蠟的CRMA粘結(jié)劑抗永久變形能力降低。此外，在0.1 kPa應(yīng)力水平下，聚丙烯蠟降低了Jnr值，提高了恢復(fù)率；而在3.2 kPa應(yīng)力水平下，恢復(fù)率并沒有明顯改變。一般來說，聚丙烯蠟提高了CRMA粘結(jié)劑的抗車轍性。在所有瀝青粘結(jié)劑試樣中，CR15P2在兩種應(yīng)力水平下的抗車轍能力均最高。蠟基添加劑對CRMA膠凝劑的車轍性能有不同的影響。一般而言，WMA添加劑的摻加，特別是蠟基添加劑的加入，可以促進(jìn)CRM與基質(zhì)粘結(jié)劑的相互作用。

圖5 瀝青膠結(jié)料不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr

圖6 瀝青膠結(jié)料恢復(fù)率R%

圖7為瀝青粘結(jié)劑Jnr-diff參數(shù)變化情況?？梢钥闯?，CRM的使用增加了基質(zhì)粘結(jié)劑對應(yīng)力水平變化的敏感性。隨著松蠟的加入，這一趨勢仍在繼續(xù)，其結(jié)果在可接受范圍內(nèi)(小于15%)。在所有瀝青粘結(jié)劑中，CR15S6的Jnr-diff值最高，CR15P2的Jnr-diff值最低。結(jié)果表明，聚丙烯蠟的加入可以降低CRMA粘結(jié)劑對應(yīng)力水平變化的敏感性。

圖7 瀝青膠結(jié)料Jnr-diff值

4 總 結(jié)

研究了兩種蠟基溫拌添加劑對CRMA粘結(jié)劑流變性能的影響，對粘結(jié)劑樣品進(jìn)行了RV、DSR、MSCR等一系列試驗(yàn)，主要結(jié)論如下。

(1)松蠟和聚丙烯蠟降低橡膠改性粘結(jié)劑的粘度。添加劑摻量的增加導(dǎo)致CRMA粘結(jié)劑粘度的降低。然而，摻聚丙烯蠟粘度降低程度更大，在135 ℃下，6%摻量降低CRMA粘結(jié)劑旋轉(zhuǎn)粘度50%。

(2)聚丙烯蠟提高了CRMA粘結(jié)劑的高溫性能。加入2%聚丙烯蠟后，CRMA粘結(jié)劑的PG高溫由70 ℃提高到76 ℃。另一方面，松蠟降低了CRMA粘結(jié)劑的高溫性能，CR15S6的PG高溫與基質(zhì)粘結(jié)劑差不多。

(3)MSCR試驗(yàn)結(jié)果表明，聚丙烯蠟對改善CRMA粘結(jié)劑的車轍參數(shù)有積極作用，隨著其摻量的增加，積極影響逐漸下降。其中，含2%聚丙烯蠟的橡膠改性粘結(jié)劑抗車轍性能最好，相較CRMA粘結(jié)劑，Jnr值降低49%，R%提高46%。另一方面，松蠟的摻加降低了CRMA粘結(jié)劑的抗車轍性，但與基質(zhì)粘結(jié)劑相比，摻松蠟的CRMA粘結(jié)劑仍表現(xiàn)出較好的抗車轍性能。

(4)從總體上看，摻CRM和溫拌添加劑可提高基質(zhì)粘結(jié)劑的應(yīng)力敏感性。然而，2%的聚丙烯蠟會降低CRMA粘結(jié)劑在高溫下對增加的應(yīng)力水平的脆弱性。