USP 復合改性橡膠瀝青混合料路用性能研究

羅鼎元 陸 亞 呂 剛

(1、重慶工程學院 建筑工程學院,重慶 400056 2、中油路之星新材料有限公司,河南 鄭州 450000)

傳統熱拌瀝青混合料雖然在拌和、鋪裝方面簡單易行,但是施工過程中需要消耗大量的熱量,排放出大量有害氣體,對施工人員和環境帶來極大危害[1-3]。這種問題隨著道路建設的進行是全世界各國道路學者索要面臨的問題,為此歐洲、日本、美國先后通過研究溫拌技術來解決道路建設中熱拌瀝青混合料帶來的資源消耗與環境污染問題[4-6]。同時我國公路建設規模仍在進一步擴大,這些問題仍會進一步凸顯。因此為了響應國家“綠色發展”理念,實現2030 年碳達峰、2060 年碳中和的目標,達到保護環境、節能減排的目的,開發出“低能耗環保型”瀝青混合料代替傳統熱拌瀝青混合料才能符合可持續發展理念[7]。

因此基于上述需求,研發一種介于溫拌與冷拌技術之間的低溫改性技術。相較于傳統的熱拌瀝青混合料,低溫改性瀝青混合料的施工拌和溫度能降低30-50℃,同時攤鋪、碾壓的施工溫度也同比降低,在滿足路用性能的前提下大大降低了燃料能源的消耗。而且這種低溫改性技術還能夠拓寬施工環境的工作溫度范圍,延長了瀝青材料建設施工期。在-20℃施工環境下可施工,大大增加了可施工的季節,因此一年四季均可進行施工,對寒冷地區的施工提供了可靠的路面鋪筑材料。低溫改性技術主要為低溫改性劑在其中發揮主要作用,主要由廢舊橡膠高聚物、廢舊塑料裂解物、高分子助劑、溶劑等組成。這種高分子材料能很好降低瀝青在拌和時的粘度,并且其中的高分子鏈段能與瀝青分子鏈進行連接從而增強與瀝青的連接作用。制得的低溫改性劑與瀝青具有很好的交聯作用,易攪拌,不離析,常溫下具有一定的流動性。將適量的改性劑與瀝青按混合攪拌均勻后,其黏度下降,可以滿足低溫施工的目的。

前述研究中發現,自主研發制得的USP 低溫環保節能型改性劑具有低溫改性效果。而橡膠瀝青作為改性瀝青雖然具有較好的路用性能但是所需施工溫度較高,攤鋪難度大,因此可以利用USP 低溫環保節能型改性劑對橡膠瀝青進行復合改性從而達到降低橡膠瀝青施工溫度的效果。為了研究USP 復合改性橡膠瀝青路用性能,本文首先研究了USP 低溫環保節能型改性劑對橡膠瀝青物理性能的改性效果,接著利用馬歇爾設計方法進行了配合比設計,確定了復合改性瀝青混合料的最佳油石比,最后對復合改性瀝青混合料的路用性能進行了分析。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 USP 低溫環保節能型改性劑

本研究中使用的USP 低溫環保節能型改性劑為自主研發,將廢胎膠粉、廢塑料、高分子助劑按照適當比例配伍合成制得,制得改性劑形態穩定,常溫下呈黑褐色膏狀。改性劑性能見表1。

表1 USP 低溫環保節能型改性劑性能

1.2 瀝青

本研究所用基質瀝青為橡膠瀝青(AR),選取橡膠瀝青質量分數的0%、5.5%、6.5%比例分別摻入制得的USP 低溫環保節能型改性劑,先手動攪拌均勻在利用乳化剪切機剪切分散10 分鐘,靜置發育制得USP 復合橡膠改性瀝青(USAR),其中制備過程中控制剪切溫度為140°C 左右,控制轉速為800 rpm。按照上述工藝制得改性瀝青,得到各組瀝青的基本性能指標見表2。

表2 AR 基質瀝青和兩組瀝青性能指標試驗結果

從表2 中的數據可以看出,USP 低溫環保節能型改性劑的摻入使得橡膠瀝青的針入度和延度顯著增大,軟化點及彈性恢復性能逐漸減小,并且摻入量越大這種降低幅度越大,說明USP 低溫環保節能型改性劑中的輕質組分發揮了降低粘度的作用,隨著USP 低溫環保節能型改性劑的摻入使得橡膠瀝青質地更軟。同時橡膠瀝青的布氏旋轉粘度隨著改性劑的摻入降低明顯,橡膠瀝青的施工溫度和施工和易性得到了顯著改善。按照規范要求,選取USP 低溫環保節能型改性劑摻量為6.5%時改性瀝青混合料,對其路用性能做進一步研究。

1.3 USP 改性橡膠混合料級配設計

研究中所采用的礦料主要由粗集料、細集料、礦粉組成,所有集料均采用石灰巖。其中粗集料按規格可分為5～10(mm)、5～10(mm)、10～15(mm),粗、細集料的各項指標均滿足規范要求。本文參照AC-13C 型級配,級配設計結果見表3。

表3 USP 復合改性橡膠瀝青混合料目標設計級配

按照馬歇爾設計法確定USP 復合改性橡膠瀝青的最佳油石比,選取五組油石比,并對成型試件性能指標進行檢測,試驗結果見表4,得到USP 改性橡膠瀝青混合料的最佳油石比為6.3%。

表4 馬歇爾試驗結果

2 USP 改性橡膠瀝青混合料路用性能

2.1 高溫穩定性能

對成型的AR-13 及USAR-13 混合料的高溫抗變形性能進行測試,測試結果如圖1,USAR-13 混合料的動穩定度數值相較于AR-13 混合料動穩定度要高出17%,說明USP 低溫環保節能型改性劑的摻入對橡膠瀝青混合料成型后的高溫抗變形能力具有改善的效果,這與摻入改性劑后瀝青的變化有所不同。產生這一變化的原因為瀝青混合料在拌合過程發生的短期老化及后期的光照、氧氣等使得有降粘作用的小分子油分揮發掉一部分后,助劑與瀝青交聯作用增強,膠結料黏度增長,USP 改性橡膠瀝青混合料的抗變形能力有所提升。

圖1 高溫車轍試驗結果

2.2 低溫抗裂性能

由圖2,同時可以發現USAR-13 混合料的最大彎拉應變要略低于AR-13,而USAR-13 混合料的彎曲勁度模量則要高于AR-13,可見USP 低溫環保節能型改性劑對橡膠瀝青的低溫性能具有一定的積極作用,這也與前述改性瀝青較好的低溫延展性能想驗正,可見瀝青分子與高分子補償劑中物質發生結鏈反應也改善了膠結料的低溫性能。

圖2 低溫抗裂試驗結果

2.3 水穩定性能

水穩定性試驗主要采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗進行驗證。試驗方法按照《公路工程瀝青及瀝青溷合料試驗規程》(JTG E20-2011)進行制樣和檢測,試驗結果見表5。

表5 馬歇爾試驗結果

由表5,USAR 混合料的浸水殘留穩定度MS0明顯高于85%,凍融劈裂強度比也高于規范要求的80%,整體來看USAR-13 混合料水穩定性能滿足規范對改性瀝青水穩定性的要求。

2.4 耐久性

通車6 個月后,進行USP 復合改性橡膠瀝青路面試驗路段檢測,按照《公路路基路面現場測試規程》(JTG E60-2008),現場檢測了瀝青路面的壓實度、彎沉值、馬歇爾穩定度三項指標,檢測結果見表6 所示。

表6 試驗路瀝青路面現場檢測結果

表6 中的數據說明,USP 復合改性橡膠瀝青鋪筑得到路面具有較好的耐久性,在道路使用半年后仍具有較好的工作性能。

3 結論

對比USP 低溫環保節能型改性劑摻入前后橡膠瀝青及橡膠瀝青混合料性能變化,得到結論如下:

3.1 USP 低溫環保節能型改性劑的摻量為橡膠瀝青質量的6.5%,加入后可使得橡膠瀝青針入度、延度增大,軟化點及彈性恢復性能減小,說明瀝青物理性能發生改變；同時橡膠瀝青的旋轉粘度也呈下降趨勢,說明USP 改性劑也改善了橡膠瀝青的施工溫度40℃左右,仍可以保證施工和易性。

3.2 通過馬歇爾設計方法確定了USAR-13 的最佳油石比為6.3%。相較于AR-13,USAR-13 具有更好的高溫抗變形性能及抗低溫開裂性能,同時USAR-13 瀝青混合料的水穩定性能也能滿足規范要求。綜上,USP 低溫環保節能型改性劑能夠有效降低橡膠瀝青施工溫度并具有較好的路用性能,可用于道路施工。