膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青抗車轍性能研究

汪潔文

(山東高速東營孤島收費(fèi)站,山東 東營 257000)

近年來,我國瀝青路面的車轍現(xiàn)象越來越普遍,尤其是在交通量大的高等級(jí)公路上。車轍的出現(xiàn)不僅會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞瀝青路面的平整度,還會(huì)影響高速公路的運(yùn)營安全。通常而言,面層瀝青混合料在剪應(yīng)力作用下的塑性變形被認(rèn)為是瀝青路面車轍病害的主要來源。因此,提高瀝青材料的抗車轍性能成為了瀝青路面工程領(lǐng)域的一大迫切要求[1-5]。

基于上述背景,為提高基質(zhì)瀝青的高溫抗車轍性能,目前道路工程領(lǐng)域普遍選用高性能聚合物改性瀝青,主要包括苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(Styrene-Butadiene-Styrene Copolymer,SBS)改性瀝青、多聚磷酸(Polyphosphoric Acid,PPA)改性瀝青和膠粉(Crumb Rubber,CR)改性瀝青等[6-8]。其中,膠粉改性瀝青(又稱橡膠瀝青)是指將研磨粉碎而成的廢舊輪胎橡膠粉加入到已加熱至流動(dòng)態(tài)的基質(zhì)瀝青當(dāng)中,摻入相容劑和抗老化劑等特定添加劑,并經(jīng)過系列復(fù)雜加工工藝(如濕法工藝)制備得到的改性瀝青。膠粉改性瀝青具有降低路面噪音、提高重交通承載能力、延緩路面反射裂縫和抵抗惡劣氣候等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。膠粉改性瀝青的材料成本相比SBS改性瀝青低近20%,且鋪筑路面薄、維護(hù)費(fèi)用低、服役壽命長,并可促進(jìn)廢舊輪胎的增值回收再利用?？偠灾?膠粉改性瀝青憑借優(yōu)越的低溫抗裂性能、抗反射裂縫性能、路面降噪功能以及潛在的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益,正在國內(nèi)逐步得到推廣。

同時(shí),基于傳統(tǒng)膠粉改性瀝青的復(fù)合改性瀝青也得到了廣泛研究,尤其是膠粉SBS復(fù)合改性瀝青,因?yàn)槠溆型诳刂撇牧铣杀镜耐瑫r(shí)進(jìn)一步提高改性瀝青的路用性能[9-12]。具體而言,膠粉SBS復(fù)合改性瀝青不但可以大量消耗廢舊輪胎橡膠,而且能夠獲得優(yōu)異的復(fù)合改性效果,同時(shí)還能解決膠粉改性瀝青目前存在的一些問題(如存儲(chǔ)穩(wěn)定性差)。在復(fù)合改性瀝青中,膠粉的摻入可使SBS改性劑的摻量降低,從而可以降低改性瀝青的生產(chǎn)成本。相較于膠粉單獨(dú)改性,膠粉含量也可同時(shí)降低。盡管膠粉和SBS摻量均較低,但二者復(fù)合改性仍可彌補(bǔ)改性劑的低摻量對(duì)最終改性效果的影響,從而基質(zhì)瀝青最終的改性效果不會(huì)受到影響。另一方面,由于膠粉含量降低,改性瀝青體系的黏度減小,這使得改性瀝青利用剪切設(shè)備攪拌的加工難度大大降低,高速剪切機(jī)加工工藝和膠體磨濕法加工分散等工藝就可用于膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的生產(chǎn)。

然而,目前鮮有文獻(xiàn)涉及膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青研究,尤其在其具有潛在優(yōu)勢(shì)的抗車轍性能方面。因此,依據(jù)我國規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE20—2011)和美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)規(guī)范,研究制備不同摻量的膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青,采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀,測(cè)試膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青在高溫條件下的剪切流變特性和蠕變恢復(fù)特性,并獲取相關(guān)性能參數(shù)指標(biāo),以評(píng)價(jià)其高溫抗車轍性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

選用京博70號(hào)基質(zhì)瀝青,其基本性能見表1。選用常溫破碎的40目廢舊輪胎膠粉(CR),同時(shí)選用石油化工蒸汽裂解裝置產(chǎn)生的C9芳烴分餾的副產(chǎn)品C9石油樹脂(PR)作為復(fù)合改性劑。

表1 基質(zhì)瀝青的基本性能

在制備膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青過程中,首先將基質(zhì)瀝青加熱至165 ℃,使其完全流動(dòng)。同時(shí),將設(shè)計(jì)摻量(0%、5%、10%、15%)的膠粉改性劑緩慢添加至基質(zhì)瀝青中,采用機(jī)械攪拌方式以1 000 rpm的攪拌速度在175 ℃下持續(xù)攪拌30 min。再將設(shè)計(jì)摻量(0%、5%)的石油樹脂改性劑緩慢添加到制備好的膠粉改性瀝青中,采用機(jī)械攪拌方式以3 000 rpm的攪拌速度在175 ℃下持續(xù)攪拌30 min。最后,制備得到8種不同摻量的膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青。

1.2 試驗(yàn)方法

采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(RTFO)制備短期老化改性瀝青樣品。旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)用于模擬瀝青在施工過程中的短期老化,具體操作為在標(biāo)準(zhǔn)玻璃盛樣皿(高140 mm,直徑64 mm)中倒入35 g瀝青,在163 ℃和4 000 mL/min空氣通氣量下,以15 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),進(jìn)行85 min的老化。

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)評(píng)價(jià)未老化和短期老化狀態(tài)下改性瀝青的高溫流變性能。在瀝青高溫性能分級(jí)(PG)試驗(yàn)中,瀝青試樣被放置在兩個(gè)平行的圓形板中,采用25 mm的轉(zhuǎn)子進(jìn)行,控制工作間隔為1 mm。所選擇的振蕩頻率為10 rad/s,應(yīng)變值分別設(shè)為10%(未老化瀝青)和12%(短期老化瀝青),起始測(cè)試溫度設(shè)為76 ℃。測(cè)試結(jié)果包括復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和相位角(δ),進(jìn)而得到可用于評(píng)價(jià)高溫車轍性能的車轍因子(G*/sinδ)。

采用DSR對(duì)短期老化后的改性瀝青進(jìn)行多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn),進(jìn)一步研究改性瀝青在高溫狀態(tài)下的蠕變和恢復(fù)特性。試驗(yàn)過程中,應(yīng)力加載1 s,隨后卸載9 s,記錄此過程中瀝青的剪切變形,進(jìn)而計(jì)算不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢腿渥兓貜?fù)率。選用的測(cè)試應(yīng)力水平為3.2 kPa,測(cè)試溫度為76 ℃。重復(fù)加載應(yīng)力次數(shù)為10次,取其各周期平均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 剪切流變特性參數(shù)

對(duì)未老化和短期老化的膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青的剪切流變特性分別進(jìn)行測(cè)試,車轍因子的測(cè)試結(jié)果分別如圖1和圖2所示。一般而言,車轍因子值越高,表明改性瀝青在高溫下的抗車轍性能或抗永久變形能力越強(qiáng)。結(jié)果表明,膠粉的摻入顯著增強(qiáng)了瀝青對(duì)塑性變形的抵抗能力,也就是提高了彈性恢復(fù)能力。同時(shí),膠粉對(duì)抗車轍性能的改善效果隨著其摻量的增加而不斷增加,可發(fā)現(xiàn)添加15%膠粉的改性瀝青表現(xiàn)出了車轍因子的最大值,而且這種效果與改性瀝青的老化狀態(tài)無關(guān)。其次,石油樹脂復(fù)合改性劑也給改性瀝青的抗車轍性能帶來了積極影響。在老化前后,摻入5%石油樹脂的復(fù)合改性瀝青的車轍因子值均高于未添加石油樹脂的改性瀝青。

圖1 膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青的車轍因子(未老化狀態(tài))

圖2 膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青的車轍因子(短期老化狀態(tài))

進(jìn)行復(fù)合改性瀝青的車轍因子值隨膠粉和石油樹脂摻量的增加而變化的方差統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表2和表3所示。結(jié)果表明膠粉摻量對(duì)兩種老化狀態(tài)下的復(fù)合改性瀝青的車轍因子值均有顯著影響。其次,在未老化狀態(tài)下,添加石油樹脂對(duì)改性瀝青抗車轍性能的積極影響也具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。然而,在短期老化后,統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明添加5%石油樹脂對(duì)改性瀝青的車轍因子無顯著影響,當(dāng)膠粉摻量為15%時(shí)除外。

表2 膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青的車轍因子(未老化狀態(tài))方差分析

表3 三種改造方法路面結(jié)構(gòu)承載能力對(duì)比 單位:MPa

表3 膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青的車轍因子(短期老化狀態(tài))方差分析

2.2 蠕變恢復(fù)特性參數(shù)

進(jìn)一步采用MSCR試驗(yàn)從更深層次評(píng)估膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青的抗車轍性能。在該方法中,主要以改性瀝青的蠕變和恢復(fù)特性來評(píng)估瀝青膠結(jié)料的抗車轍性能,且被測(cè)試的瀝青樣品需經(jīng)過短期老化。該測(cè)試可得到兩個(gè)參數(shù),即不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢腿渥兓謴?fù)率。一般而言,不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭酱笠馕吨男詾r青對(duì)高溫車轍越敏感,而蠕變恢復(fù)率越大則意味著改性瀝青具有更大的彈性成分。膠粉石油樹脂改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢腿渥兓謴?fù)率的測(cè)試結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?/p>

圖4 膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青的蠕變恢復(fù)率

顯而易見,與基質(zhì)瀝青相比,添加膠粉改性劑可有效降低其不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?。同時(shí)膠粉摻量越大效果越明顯,這表明膠粉的添加可有效降低瀝青在蠕變過程中的不可恢復(fù)變形比例。其次,與不含石油樹脂的改性瀝青相比,膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青的抗塑性變形能力均得到顯著改善,表現(xiàn)出更低的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐?。另一方?根據(jù)蠕變恢復(fù)率測(cè)試結(jié)果,添加石油樹脂對(duì)改性瀝青的效果并不明顯,這有可能是該指標(biāo)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)偏差較大的緣故?？偟膩碚f,從瀝青彈性性能的角度分析,膠粉和石油樹脂的摻入均能給瀝青的抗車轍性能帶來積極影響。

進(jìn)一步研究了膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢腿渥兓謴?fù)率隨膠粉和石油樹脂摻量的增加而變化的方差統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表4和表5所示。根據(jù)不可蠕變恢復(fù)柔量的分析結(jié)果,無論是何種石油樹脂摻量,膠粉改性劑的添加均能對(duì)其產(chǎn)生顯著影響。然而,石油樹脂的摻入對(duì)改性瀝青不可蠕變恢復(fù)柔量的影響卻并不顯著。另一方面,從蠕變恢復(fù)率的分析結(jié)果來看,膠粉改性劑的添加總體上具有顯著影響,但添加石油樹脂前后的該指標(biāo)并不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

表4 膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃糠讲罘治?/p>

表5 膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青的蠕變恢復(fù)率方差分析

3 結(jié) 論

以不同膠粉和石油樹脂改性劑摻量,制備了8種膠粉石油樹脂復(fù)合改性瀝青,并考慮了未老化和短期老化兩種瀝青老化狀態(tài),分別測(cè)試了復(fù)合改性瀝青的剪切流變特性和蠕變恢復(fù)特性,以評(píng)價(jià)其高溫抗車轍性能。主要結(jié)論如下:

(1)根據(jù)車轍因子測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)隨著膠粉含量的增加和石油樹脂的摻入,復(fù)合改性瀝青的抗車轍性能持續(xù)得到改善,同時(shí)方差分析結(jié)果也證明了其改善效果。因此采用這兩種改性劑生產(chǎn)的瀝青材料可保證路面在高溫下不易發(fā)生車轍。

(2)根據(jù)MSCR試驗(yàn)結(jié)果,較高的膠粉摻量在彈性性能方面具有更好的抗車轍性。進(jìn)一步添加石油樹脂也會(huì)顯著降低不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐?。雖然石油樹脂摻入對(duì)改性瀝青的蠕變恢復(fù)率并沒有明顯的積極影響,但考慮到一些潛在的試驗(yàn)誤差,總體上可認(rèn)為石油樹脂在改善瀝青彈性性能方面是有效的。