RCA對基質瀝青物理性能的影響規律研究

許夏熒,農彬藝,易 強,賀芳偉

(1.廣西河田高速公路有限公司,廣西 南寧 530022;2.廣西高速公路養護工程技術研究中心,廣西 南寧 530028;3.廣西交投科技有限公司,廣西 南寧 530028)

0 引言

目前應用最廣泛的瀝青改性劑是SBS聚合物改性劑。已有大量的試驗檢測結果及工程實踐經驗證明,SBS聚合物改性劑能有效提升基質瀝青的性能,使瀝青路面的使用壽命得到一定程度的延長,但通車后不久路面仍會出現車轍、坑槽等病害,且SBS聚合物改性瀝青性能不夠穩定,生產工藝也較為復雜[1]。基于巖瀝青研發的復配巖瀝青改性劑(RCA)與SBS改性劑相比,具有以下優點[2]:(1)改性的方式是采用“干法”與瀝青、集料等進行拌和,無須提前與基質瀝青預混,改性瀝青生產工藝簡單,避免了SBS改性瀝青儲存不穩定、易發生離析的短板;(2)與基質瀝青相容性好,改性后的瀝青性能更穩定;(3)添加的納米材料可大幅增強基質瀝青材料的粘聚力,提高基質瀝青的黏度,且RCA改性瀝青的高溫性能更優越。

基于RCA的以上優點,近年來不少學者對RCA改性瀝青的各項性能開展了研究,但這些研究在制備RCA改性瀝青的過程中均采用了高速剪切乳化攪拌機[3],且高速剪切攪拌的時間定為數十分鐘不等,這種制備工藝與實際公路工程中生產RCA瀝青混合料時在瀝青混凝土拌和站采用的“干法”制備工藝極不相符。因此,現有相關研究的結果并不能十分準確地反映實際工程中RCA改性瀝青的真實狀況。本文采用試驗室專用的瀝青混和料拌和機將基質瀝青添加到RCA中,以充分模擬實際公路工程情況,制備接近工程實際狀態的RCA改性瀝青,并探明實際公路工程中不同RCA摻量對基質瀝青物理性能的影響規律。

1 試驗

1.1 原材料

基質瀝青采用中遠海運國際貿易有限公司生產的70#A級道路石油瀝青。根據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)[4]的技術要求,采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)[5]的試驗方法對基質瀝青進行了各技術指標的試驗檢測,檢測結果均滿足規范要求,70#基質瀝青各項技術指標如表1所示。試驗選用廣西某高速公路項目上采用的廣西自貿區路資冠建筑材料有限公司生產的RCA,其常溫下呈粉末顆粒狀,主要由巖瀝青及納米TiO2等材料組成,采用廣西地方標準《RCA復配雙改性瀝青路面標準》(DBJ/T45-061-2018)[6]對RCA的技術指標提出了要求,本文對部分指標進行了檢測,其主要技術指標如表2所示。

表1 基質瀝青技術指標表

表2 RCA主要技術指標表

1.2 RCA改性瀝青的制備

為充分模擬RCA瀝青混合料的實際生產過程,本文采用的RCA改性瀝青制備工藝如下:(1)將70#道路石油瀝青裝入容器并置于烘箱中進行加熱,烘箱加熱溫度設定為165 ℃,加熱至基質瀝青完全處于熔融狀態;(2)將試驗室用瀝青混合料拌和機預熱,預熱溫度設定為175 ℃;(3)將稱量好的RCA粉末加入瀝青混合料拌和機中,開動攪拌機干拌1.5 min,使RCA粉末得以充分分散并提前預熱;(4)將一定數量熔融狀態下的基質瀝青加入瀝青混合料拌和機中攪拌1.5 min,得到RCA改性瀝青。

本文采用外摻(即摻量為RCA質量與基質瀝青質量之比)的方式,分別制備了RCA摻量為25%、40%及60%的RCA改性瀝青。

1.3 RCA改性瀝青技術指標試驗

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)中的相關試驗方法分別對基質瀝青及不同摻量的RCA改性瀝青進行針入度(試驗溫度為15 ℃、25 ℃及30 ℃)、軟化點及15 ℃延度等物理性能試驗。

2 試驗結果分析

基質瀝青及不同RCA摻量改性瀝青的物理性能試驗檢測結果如表3所示,針入度導出指標結果如表4所示。

表3 基質瀝青及不同RCA摻量改性瀝青物理性能檢測結果表

表4 針入度導出指標結果表

2.1 針入度

瀝青的高溫性能與瀝青材料的稠度息息相關,而針入度是用來評價瀝青材料稠度大小的主要技術指標,針入度值越小,瀝青材料的稠度越大,高溫性能通常也越好。不同RCA摻量在不同溫度下對基質瀝青針入度的影響曲線如圖1～3所示。由圖1～3可以看出:(1)隨著RCA摻量的不斷增加,15 ℃、25 ℃、30 ℃下RCA改性瀝青的針入度均呈現出遞減的變化趨勢,說明RCA的摻入可改善基質瀝青的高溫性能;(2)15 ℃、25 ℃、30 ℃下不同RCA摻量對改性瀝青針入度的影響曲線變化趨勢相似,當RCA摻量從0增加到25%時,摻量每提高10%,各不同溫度下針入度平均下降的幅度分別為15.4%、17.6%、18.1%;當RCA摻量從25%增加到60%時,摻量每提高10%,各不同溫度下針入度平均下降的幅度分別為7.5%、10.1%、9.3%。這說明各不同溫度下RCA摻量在0～25%時對改性瀝青的針入度影響程度均為最大,針入度下降速度較快,而RCA摻量在25%～60%時針入度的下降趨勢相對平緩。

圖1 不同RCA摻量對瀝青15 ℃針入度的影響曲線圖

圖2 不同RCA摻量對瀝青25 ℃針入度的影響曲線圖

圖3 不同RCA摻量對瀝青30 ℃針入度的影響曲線圖

2.2 軟化點

瀝青的軟化點通常作為評價瀝青高溫性能的指標,也是瀝青黏度的一種量度,軟化點越高說明瀝青材料的抵抗高溫流淌的能力越強,高溫性能越好。圖4為不同RCA摻量對瀝青軟化點影響的曲線圖,從圖4可以看出,隨著RCA摻量的逐漸增大,改性瀝青的軟化點不斷攀升,表明RCA改性瀝青的高溫性能不斷增強。

圖4 不同RCA摻量對瀝青軟化點的影響曲線圖

2.3 延度

延度表征瀝青材料在受力發生拉伸變形時不被破壞的能力,其大小通常作為瀝青材料低溫抗裂性能的評判依據,延度越大,說明瀝青材料的低溫抗裂性能越好。不同RCA摻量對瀝青延度的影響如圖5所示。從圖5可以看出,瀝青材料的15 ℃延度隨著RCA摻量的增加而逐漸減小,表明RCA的摻入降低了瀝青材料在低溫受外力被拉伸時所能承受的塑性變形的總能力,即降低了瀝青材料的低溫抗裂性能。

圖5 不同RCA摻量對瀝青延度的影響曲線圖

2.4 針入度導出指標

2.4.1 針入度指數

針入度指數PI通常用來評價瀝青材料的溫度敏感性能,PI值越大,說明瀝青材料的感溫性越差。RCA摻量對瀝青針入度指數PI的影響如圖6所示。從圖6可以看出,隨著RCA摻量的不斷增加,RCA改性瀝青的針入度指數呈現逐步遞增的趨勢,從基質瀝青的-1.12增加到60%RCA摻量時的-0.16,針入度指數增幅達85.4%,說明RCA的添加有助于降低瀝青材料的溫度敏感性。RCA摻量在0～60%時,瀝青的針入度指數均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中的相關要求。

圖6 不同RCA摻量對瀝青針入度指數PI的影響曲線圖

2.4.2 當量軟化點

當量軟化點T800是表征瀝青材料高溫性能的重要參考指標,其定義為瀝青材料針入度值達到800(0.1 mm)時相應的溫度。RCA摻量對瀝青當量軟化點T800的影響如圖7所示。由圖7可知,摻入RCA后瀝青的當量軟化點T800不斷上升,說明RCA提升了瀝青材料的高溫性能。當RCA摻量在0～25%時,摻量每提高10%,當量軟化點平均升高3 ℃,提升速率較快;當RCA摻量在25%～60%時,摻量每提高10%,當量軟化點平均升高1.8 ℃,提升速率相對減緩,RCA對瀝青材料高溫性能的提升效果相對減弱。

圖7 不同RCA摻量對瀝青當量軟化點T800的影響曲線圖

將RCA改性瀝青的實測軟化點與當量軟化點進行對比分析如圖8所示。從圖8可知,RCA摻量為25%時實測軟化點與當量軟化點基本一致,其余摻量下實測軟化點均略高于當量軟化點。由于RCA改性瀝青的實測軟化點和當量軟化點的變化規律是一致的,由此可見,采用實測軟化點和當量軟化點對RCA改性瀝青的評價具有一致性。

圖8 實測軟化點與當量軟化點對比曲線圖

2.4.3 當量脆點

當量脆點T1.2是評價瀝青材料低溫抗裂性的重要參考指標,其定義為瀝青針入度值降為1.2時的相應溫度。RCA摻量對瀝青當量脆點的影響如圖9所示。從圖9可以看出:RCA改性瀝青的當量脆點T1.2隨著RCA摻量的增加而逐步升高,當摻量為0～25%時,RCA摻量每增加10%,當量脆點平均增加1.1 ℃;當摻量為25%～60%時,當量脆點平均增加0.5 ℃,其上升幅度逐漸趨于穩定。由此可見,RCA的添加使瀝青變脆,導致瀝青的低溫抗裂性能下降。

圖9 不同RCA摻量對瀝青當量脆點T1.2的影響曲線圖

2.4.4 塑性溫度范圍ΔT

塑性溫度范圍ΔT為當量軟化點T800與當量脆點T1.2之差,其與瀝青的溫度敏感性相關,通常用來描述瀝青的可使用溫度范圍大小。不同RCA摻量對瀝青塑性溫度范圍ΔT的影響曲線如圖10所示。從圖10可以看出,在RCA摻量為0～60%,塑性溫度范圍ΔT隨著RCA摻量的增加不斷增大,RCA摻量每增加10%,ΔT平均升高1.6 ℃,說明RCA的加入可拓寬瀝青材料的可使用溫度范圍,相比于RCA對瀝青低溫性能的不利影響,RCA在改善瀝青材料高溫性能方面的有利影響更為突出。

圖10 不同RCA摻量對瀝青塑性溫度范圍ΔT的影響曲線圖

3 結語

(1)隨著RCA摻量的增加,瀝青針入度逐漸減小,軟化點逐漸增大,說明RCA的摻入可改善基質瀝青的高溫性能。

(2)隨著RCA摻量的增加,瀝青延度逐漸減小,說明RCA的摻入降低了瀝青材料在低溫受外力被拉伸時所能承受的塑性變形的總能力,即降低了瀝青材料的低溫抗裂性能。

(3)隨著RCA摻量的增加,瀝青的針入度指數PI呈現出逐步遞增的趨勢,從基質瀝青的-1.12增加到60%RCA摻量時的-0.16,針入度指數PI增幅達85.4%,說明RCA的添加有助于改善瀝青材料的感溫性。

(4)隨著RCA摻量的增加,當量軟化點T800與當量脆點T1.2均不斷增大,說明RCA在改善瀝青高溫性能的同時,對瀝青材料的低溫性能表現出不利影響。然而,隨著RCA摻量的增加,塑性溫度范圍ΔT呈現出遞增的趨勢,表明相比于RCA對瀝青低溫性能的不利影響,RCA在改善瀝青材料高溫性能方面的有利影響更為突出。