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      SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青性能研究

      2022-04-27 22:22:55黃淑賓
      西部交通科技 2022年2期
      關(guān)鍵詞:道路工程經(jīng)濟(jì)效益

      黃淑賓

      摘要:為提升瀝青路面使用性能,探究SBS/膠粉復(fù)合改性對(duì)瀝青性能的提升效果,文章基于針入度、軟化點(diǎn)、延度、60 ℃動(dòng)力黏度試驗(yàn),對(duì)比不同SBS、橡膠粉摻量對(duì)SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青性能的影響,確定其最佳摻量,并基于工程實(shí)際應(yīng)用,對(duì)SBS/膠粉復(fù)合改性技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益進(jìn)行分析。結(jié)果表明:SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青改性劑最佳摻量為5%SBS+12%橡膠粉時(shí),可有效提升瀝青高溫性能,同時(shí)對(duì)其低溫性能影響較小;SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青綠色環(huán)保,具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

      關(guān)鍵詞:道路工程;SBS/膠粉復(fù)合改性;高溫性能;經(jīng)濟(jì)效益

      中國(guó)分類(lèi)號(hào):U416.03

      0引言

      隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,高速公路交通量逐年上升,由于各類(lèi)不利因素的影響,瀝青路面往往出現(xiàn)早期病害,由此對(duì)于高速公路主要路面形式——瀝青路面的性能要求也越來(lái)越高。為改善瀝青路面路用性能,減少瀝青路面病害的產(chǎn)生并提升瀝青路面使用年限,需要對(duì)道路建筑材料和施工工藝等方面加以改進(jìn),其中對(duì)基質(zhì)瀝青的改性處理,可明顯提升瀝青路面使用性能,因此得到了廣泛應(yīng)用。改性瀝青中苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青在我國(guó)運(yùn)用最為廣泛,其可顯著改善瀝青及瀝青混合料的高溫性能[1],但由于價(jià)格高昂,制約其進(jìn)一步大規(guī)模應(yīng)用。而廢橡膠粉可替代部分SBS生產(chǎn)SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青,既能有效處置廢棄輪胎而減少污染,降低SBS摻量而控制成本,也可高效結(jié)合兩種改性劑的優(yōu)點(diǎn),在相較于橡膠瀝青降低其黏度利于拌和施工的同時(shí),改善瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性[2]。

      因此可采用復(fù)合改性技術(shù),在有效改善瀝青性能的基礎(chǔ)上,降低改性瀝青的生產(chǎn)成本,充分利用廢膠粉資源從而緩解生態(tài)壓力。本文針對(duì)不同SBS改性劑、橡膠粉摻量對(duì)SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青性能的影響,找到基于瀝青性能的最優(yōu)瀝青改性方案,以期指導(dǎo)相關(guān)工程項(xiàng)目應(yīng)用。

      1原材料及試驗(yàn)方法

      1.1試驗(yàn)材料

      1.1.1基質(zhì)瀝青

      選取某90 #基質(zhì)瀝青,其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足要求,如下頁(yè)表1所示。

      1.1.2改性劑

      SBS改性劑選用河北某石化廠的SBS4303顆粒;橡膠粉選擇子午胎40目膠粉,其技術(shù)指標(biāo)符合《橡膠瀝青路面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJT 273-2019)的要求。

      1.2試驗(yàn)方法

      1.2.1三大指標(biāo)

      依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中T0604-2011、T0606-2011、T0605-2011、T0620-2000試驗(yàn)方法,分別檢測(cè)不同SBS改性劑與膠粉改性劑復(fù)摻用量瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、15 ℃延度。

      1.2.260 ℃動(dòng)力黏度

      依據(jù)規(guī)程中T0620-2000試驗(yàn)方法,分別檢測(cè)不同SBS改性劑與膠粉改性劑復(fù)摻用量瀝青的60 ℃動(dòng)力黏度。60 ℃動(dòng)力黏度表征夏季路面瀝青材料受剪切應(yīng)力而產(chǎn)生流動(dòng)變形的程度,可用其來(lái)評(píng)價(jià)瀝青路面高溫抗永久變形性能。

      因此,采用三大指標(biāo)及60 ℃動(dòng)力黏度對(duì)復(fù)合改性瀝青性能進(jìn)行評(píng)價(jià),確定SBS改性劑與膠粉改性劑復(fù)摻用量。

      2SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青性能研究

      對(duì)不同SBS、膠粉摻量下的SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)及60 ℃動(dòng)力黏度檢測(cè)。

      2.1針入度(圖1)

      (1)SBS、橡膠粉的摻入可有效改善瀝青常溫抗變形能力,使得瀝青針入度大幅降低,在最少摻量下(3%SBS+8%橡膠粉),與原基質(zhì)瀝青相比,針入度降幅達(dá)29.9%。

      (2)隨外摻劑摻量的增加,瀝青常溫抗變形能力提升效果逐漸變好。由圖1可知,隨著SBS、橡膠粉摻量的增多,SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青的針入度逐漸減小,在3%SBS摻量下橡膠粉摻量從8%增加至16%,瀝青針入度從5.93 mm降至5.42 mm。

      (3)SBS摻量應(yīng)適中,當(dāng)SBS摻量達(dá)到5%時(shí),復(fù)合改性瀝青針入度降幅明顯,摻量超過(guò)5%時(shí),針入度降幅減小,常溫抗變形性能提升較小。在8%橡膠粉摻量下,SBS摻量由3%增至5%時(shí),瀝青針入度從5.93 mm降至5.53 mm,而SBS摻量增至7%時(shí),瀝青針入度為5.39 mm。這是由于隨著SBS摻量的增多,SBS與基質(zhì)瀝青之間形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸增多,小分子組分逐漸減少,瀝青硬化從而抗變形能力增強(qiáng)。

      2.2軟化點(diǎn)(圖2)

      (1)SBS、橡膠粉可有效改善瀝青的高溫性能,且改善效果隨摻量的增加而變好。與基質(zhì)瀝青相比,在3%SBS摻量下,8%、12%、16%橡膠粉摻量的復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)分別提升44.4%、55.9%、68.2%。

      (2)膠粉的摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)影響更為顯著。當(dāng)SBS摻量從5%提升至7%時(shí),復(fù)合改性瀝青軟化點(diǎn)增幅較小,而當(dāng)膠粉摻量從12%到16%時(shí),軟化點(diǎn)增幅明顯。這是由于膠粉顆粒的增加,增大了瀝青的稠度,提升了瀝青的高溫穩(wěn)定性[3]。

      2.3延度(圖3)

      (1)膠粉的摻入對(duì)復(fù)合改性瀝青低溫性能不利。隨著膠粉摻量的增加,SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青的延度值逐漸降低。這主要是由于膠粉對(duì)瀝青中輕質(zhì)組分的吸收能力較強(qiáng),使得瀝青塑性降低,在低溫環(huán)境下易開(kāi)裂,因此SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青中膠粉的摻量不宜過(guò)大。

      (2)適量的SBS可提升改性瀝青低溫性能,但摻量過(guò)大則對(duì)其有不利影響。由圖3可知,SBS摻量從3%升至5%時(shí),瀝青延度小幅增大,但摻量超過(guò)5%時(shí),其5 ℃延度降幅明顯。這是由于適量SBS可在瀝青中較好地相容膨脹,SBS摻量過(guò)高則會(huì)在瀝青中形成薄弱的結(jié)團(tuán)點(diǎn),從而降低其低溫抗裂性能。

      2.460 ℃動(dòng)力黏度(圖4)

      (1)SBS、橡膠粉的摻入可顯著改善瀝青的高溫抗永久變形性能,隨改性劑摻量的增多,復(fù)合改性瀝青性能也逐漸增強(qiáng)。在5%SBS摻量下,隨橡膠粉摻量從8%增至16%,復(fù)合改性瀝青60 ℃動(dòng)力黏度從12 259 Pa·s增至31 925 Pa·s,增幅達(dá)160%。

      (2)SBS摻量過(guò)小對(duì)瀝青高溫性能改善不明顯,3%SBS摻量下SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青60 ℃動(dòng)力黏度均<16 000 Pa·s,高溫性能仍然較差。因此對(duì)于SBS的摻量選擇不宜過(guò)小。

      綜合考慮復(fù)合改性瀝青的高低溫性能,SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青改性劑最佳摻量為5%SBS+12%橡膠粉。

      3.1經(jīng)濟(jì)效益

      SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青的應(yīng)用,可以大幅降低高速公路的前期建設(shè)成本,也可節(jié)約后期運(yùn)營(yíng)及養(yǎng)護(hù)維修成本,因此具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

      3.1.1生產(chǎn)成本

      以5%SBS+12%橡膠粉改性劑摻量計(jì)算SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青生產(chǎn)成本,并與成品SBS改性瀝青進(jìn)行價(jià)格對(duì)比,如表2所示。

      由表2可知,成品SBS改性瀝青單價(jià)為7 200元/t,SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青單價(jià)為4 500+900+180+400=5 890元/t,與成品SBS改性瀝青相比,SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青價(jià)格降低約16.9%,從而大大降低了改性瀝青的生產(chǎn)成本。

      3.1.2養(yǎng)護(hù)維修成本

      SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青的應(yīng)用可有效提升瀝青路面的路用性能,而路面性能的提升使其到達(dá)養(yǎng)護(hù)維修的時(shí)間推遲。有資料表明,使用SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青后可將路面維修周期推遲至少5年以上[4]。即便瀝青路面進(jìn)入維修期,SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青路面病害出現(xiàn)概率及嚴(yán)重程度,也遠(yuǎn)低于其他瀝青路面,因此可大大減少維修養(yǎng)護(hù)工作量,從而節(jié)省大量的養(yǎng)護(hù)維修成本。

      3.1.3運(yùn)營(yíng)成本

      基于SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青良好的路用性能,其出現(xiàn)車(chē)轍、坑槽等病害的概率及嚴(yán)重程度遠(yuǎn)小于其他瀝青路面,能夠保證良好的車(chē)況及路面服務(wù)質(zhì)量。在高速公路運(yùn)營(yíng)期間,可減少交通事故的發(fā)生,并降低車(chē)輛行駛時(shí)因躲避坑槽等出現(xiàn)的行車(chē)額外消耗,從而有效降低行車(chē)運(yùn)輸成本。

      3.2社會(huì)效益

      (1)能對(duì)廢棄輪胎進(jìn)行有效處置。目前我國(guó)每年產(chǎn)生廢舊輪胎多達(dá)5 000多萬(wàn)只,但僅有14.2%的輪[KG(0.09mm]胎得到了處置,且只是被當(dāng)作燃料燃燒,其產(chǎn)生的大量煙塵將嚴(yán)重影響環(huán)境空氣質(zhì)量,而其燃燒產(chǎn)生的大量灰燼廢物的處置也成為新的問(wèn)題。同時(shí),大量廢舊輪胎或被隨意丟棄,嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境;或直接露天堆放,居高不下的運(yùn)輸、堆放等成本增大了處置成本。將廢輪胎加工成橡膠粉,再應(yīng)用到SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青中,就能對(duì)廢棄輪胎進(jìn)行低碳、綠色、環(huán)保的有效處置,變廢為寶;(2)有效提高路面的服務(wù)性能。SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青的應(yīng)用可有效降低瀝青路面的噪音,同時(shí)可使路面病害出現(xiàn)頻率大幅下降,降低路面行駛時(shí)的顛簸感,從而有效提升路面的服務(wù)性能,讓駕駛員獲得更好的駕駛體驗(yàn);(3)SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青路面路用性能優(yōu)良,耐久性好,與其他瀝青路面相比能有效提高其使用年限,降低后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用及全壽命周期費(fèi)用,從而降低成本、節(jié)約資源。

      4結(jié)語(yǔ)

      (1)SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青改性劑最佳摻量為5%SBS+12%橡膠粉;(2)SBS、橡膠粉可顯著改善瀝青的高溫性能,橡膠粉的摻入對(duì)瀝青低溫性能不利,過(guò)量SBS的摻入也會(huì)減弱其低溫性能,因此對(duì)于SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青改性劑摻量的選擇,應(yīng)當(dāng)關(guān)注改性劑對(duì)于瀝青低溫性能的影響,防止所制得的改性瀝青低溫性能無(wú)法滿足要求;(3)SBS/膠粉復(fù)合改性技術(shù)可大幅降低改性瀝青的生產(chǎn)成本,具有顯著的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

      參考文獻(xiàn):

      [1]于秀麗.SBS改性瀝青路用性能分析[J].交通世界, 2021(17):14-16.

      [2]賈曉凡.膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青及混合料性能研究[D].蘭州:蘭州交通大學(xué), 2020.

      [3]周志剛,陳功鴻, 張紅波, 等.橡膠粉/SBS與高黏劑復(fù)合改性瀝青的制備及性能研究[J].材料導(dǎo)報(bào), 2021,35(6):6 093-6 099.

      [4]王小龍.廢膠粉/SBS雙復(fù)合改性瀝青及路用性能研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué), 2016.

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