直投高模量劑與熱集料干拌熔融分散性能研究

劉新海 李善強* 吳傳海 孟繁誠 許新權

(廣東華路交通科技有限公司1) 廣州 510420) (廣東交科技術研發有限公司2) 廣州 510550)

0 引 言

全球氣候變暖導致各地極端高溫天氣頻現,交通量逐年上漲及道路的重載環境,特別是交叉路口、匝道等渠化交通條件下的瀝青路面,對其高溫抗車轍性能提出了更高的要求.研究表明:通過在瀝青混合料(asphalt mixture,AM)中添加高模量劑生產高模量改性瀝青混合料(high modular asphalt mixture,HM),15 ℃、10 Hz條件下的動態模量E*增長到14 000 MPa以上,具有突出的高溫抗剪切變形特征[1-3].

HM按改性劑的添加方式分為使用成品改性瀝青和直投添加高模量劑兩種[4-5].直投式高模量改性瀝青技術是指先投入高模量劑與熱集料干拌,再與泵入的瀝青進行二次濕拌并對瀝青混合料改性的技術.直投式改性劑未經剪切與磨細,且未在高溫液態瀝青環境下充分熔脹,能否在短時間內拌和分散均勻受到了使用者的懷疑,是影響其大面積推廣應用的障礙之一[6-7].

目前直投式HM缺乏簡單且直觀的改性劑熔融分散均勻性評價方法.文中基于正交試驗原理,設計顆粒狀直投式高模量劑與熱集料的干拌試驗,探究影響高模量劑熔融分散均勻性的關鍵因素.

1 改性劑分散均勻性檢測方法

1.1 改性瀝青混合料中的改性劑均勻性檢測方法

改性瀝青混合料(modified asphalt mixture,MAM)按生產工藝可分為濕法生產工藝和干法生產工藝兩種.

濕法生產工藝是將工廠制得穩定的改性瀝青與集料拌和生產MAM.濕法MAM的改性劑分散均勻性關鍵在于改性劑在瀝青中的均勻性,只要改性瀝青不出現離析,濕拌過程中改性劑隨著瀝青對集料的裹覆均勻分布在瀝青混合料中.我國現行規范以軟化點差判斷改性劑是否發生離析,可以間接評價宏觀尺度下改性劑在瀝青中的分散均勻性.文獻[8-9]基于熒光顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡、紅外光譜儀、凝膠滲透色譜儀、熱裂解-氣相色譜質譜聯用儀等微觀測試技術,提出了微觀尺度下改性劑的分散均勻性評價方法.

干法生產工藝是將改性劑通過直接投送方式先添加到集料中干拌,再注入基質瀝青濕拌生產MAM.直投式改性劑在瀝青混合料中的分散均勻性是干法MAM質量監控的關鍵點也是難點.目前已有的檢測方法可以總結為三類,其檢測依據與不足之處匯總見表1.總體而言,直接評價干法MAM中的改性劑分散均勻性會受到較多干擾因素的影響,因此可實施性差.

表1 干法MAM中改性劑分散均勻性檢測方法匯總[10-11]

1.2 直投式改性劑與熱集料的熔融分散均勻性檢測方法

MAM在拌和樓的生產包括干拌和濕拌兩個拌和階段.如果能夠保證改性劑與集料在第一階段干拌熔融分散均勻,加入基質瀝青后,第二階段濕拌過程改性劑與基質瀝青在集料表面混合均勻形成改性瀝青,即可保證直投式改性劑在MAM中分散均勻.

文獻[11]通過對改性劑熔融狀態的研究,提出熔融等級指標用于評價改性劑干拌的分散均勻性.沿用熔融等級指標,將廢舊塑料改性劑CRP熔融狀態等級劃分為表2中的五個等級,并通過CRP干法改性的熔融試驗,研究了集料加熱溫度、CRP粒徑、拌和時間對CRP與集料熔融效果的影響,得出了各因素的最佳水平參數.按照表2對不同溫度集料與CRP干拌得出的熔融等級劃分結果見圖1[12-15].

圖1 不同加熱溫度集料與CRP拌和后的熔融狀態以及熔融等級

表2 CRP 熔融狀態等級劃分

1.3 高模量劑黏附比及集料附著比

針對熔融等級評價方法的不足,為更客觀地評價直投式高模量劑與熱集料干拌的熔融黏附效果以及分散均勻性,提出高模量劑黏附比及集料附著比兩個評價指標.高模量劑黏附比是指與集料黏附的高模量劑質量與摻加高模量劑總質量的百分比值,其值越大表示干拌過程高模量劑熔融效果越好,越容易分散均勻.集料附著比是指黏附有高模量劑的集料和改性劑的總質量與混合料總質量的百分比值,其值越大表示與高模量劑黏附的集料越多,代表高模量劑分散更為均勻.即

(1)

(2)

式中:η為高模量劑黏附比,%;m摻加為摻加的高模量劑總質量,g;m篩余為未與集料黏附的高模量劑質量,g;m粘附為與集料黏附的高模量劑質量,g;F為集料附著比,%;ma附為黏附有高模量劑的集料質量,g;ma總為集料的總質量,g.

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

1) 直投式高模量改性劑 由線性高分子量聚乙烯、極性接枝共聚物、抗老化劑、超分散劑等組成,通過特殊擠出工藝進行混合后造粒得到的一種顆粒狀物質,技術指標見表3,外觀見圖2.

圖2 直投式高模量劑顆粒

表3 高模量劑基本指標

2) 集料 純白色5～10 mm集料見圖3.改性劑顆粒與集料二者外觀形成鮮明的對比,可以通過肉眼觀測以示區分.

圖3 5～10 mm白色集料

2.2 正交試驗方案設計

篩選干拌溫度(A)、拌和時間(B)、高模量劑摻量(C)、高模量劑中心聚集程度(D)四個重要因素進行正交試驗研究對高模量劑熔融狀態以及分散均勻性的影響.試驗設計的因素水平見表4.

表4 因素與水平設置

4因素3水平正交試驗不考慮各因素間的交互作用,滿足條件的最小型方案L9(34)見表5,試驗結果以高模量劑黏附比及集料附著比作為評價指標.為估計試驗誤差,需進行最少2次重復試驗以提高其結果及統計分析的精確性和可靠性.

2.3 試驗步驟

高模量劑與集料的干拌試驗操作流程見圖4.以表5中2#方案為例,對試驗操作流程進行說明,其他方案參照執行.

圖4 試驗材料、設備及流程圖

步驟1提前將1 500 g集料(ma總)放置在165 ℃烘箱內加熱3 h以上.立式攪拌鍋清洗干凈后設置加熱溫度為165 ℃直至溫度恒定,再將集料倒入拌鍋內繼續控溫0.5 h.

步驟2稱取1 500×0.15%g高模量劑2份,合計質量記為m摻加.待集料在拌鍋中達到保溫時間后,將其中一份稱量好的高模量劑倒入拌鍋的中心位置,另一份倒入拌和鍋壁位置,再在一起拌和60 s.

步驟3待集料冷卻至室溫后,將拌和好的集料過4.75 mm的方孔篩,取篩下高模量劑進行稱重,質量記為m篩余.再挑揀出有高模量劑黏的集料并稱重,質量記為ma附.

步驟4按照式(1)～(2)分別計算高模量劑黏附比及集料附著比,記錄試驗結果.

3 試驗結果與分析

3.1 正交試驗結果分析方法

1) 極差分析法(R法) 包括計算和判斷兩個步驟,分析流程見圖5.

圖5 R法分析流程圖

式中:xijt為含第j列因素i水平所有組合的第t次試驗結果,i=1,2,3;j=1,2,3,4;t=1,2.

以因素水平復合編號與對應的極差分別作為橫、縱坐標,畫出因素水平與試驗指標之間的關系圖描繪指標隨水平的變化規律,優選最佳組合方案.

3.2 試驗影響因素的極差分析

3.2.1高模量劑黏附比

高模量劑黏附比試驗的極差分析結果見表6和圖6.

圖6 因數水平與高模量劑黏附比的關系圖

表6 高模量劑粘附比試驗結果與極差分析

干拌溫度的極差Rj值最大為32.39%,是其他影響因素Rj值的3～4倍.隨著干拌溫度的升高,高模量劑的熔融比例越高,分散狀態更好.當集料溫度達到180 ℃時,已經添加的改性劑中最多有42%的高模量劑能夠牢固地附著在集料表面,被附著的集料約占總集料質量的20%.拌和時間的影響其次,因高模量劑中添加有超分散劑,能夠在較短的時間內熔化并附著在集料表面,繼續延長拌和時間增加了集料之間的摩擦,會再次將黏附的高模量劑剝離出來.高模量劑中心聚集程度和高模量劑摻量的R值接近.高模量劑中心聚集程度為50%效果最好,說明高模量劑從中間位置和拌和合鍋邊部各加入50%更加有利于其分散均勻,表明改性劑初始分散越均勻,其最終與熱集料的熔融分散均勻性越好.隨高模量劑摻量的增加,試驗結果出現先增大后減小的趨勢,說明存在最佳摻量,當摻量大于0.3%時,高模量劑與集料粘結的效果開始減弱,因此最佳摻量為0.3%.

3.2.2集料附著比

集料附著比試驗的極差分析結果見表7和圖7.

圖7 因素水平與集料附著比的關系圖

表7 集料附著比試驗結果與極差分析

3.3 試驗影響因素的方差分析

高模量劑粘附比和集料附著比指標的方差分析結果見表8～9.

表8 各試驗因素的高模量劑粘附比方差分析

表9 各試驗因素的高模量劑粘附比方差分析

由表8～9可知:對于高模量劑黏附比和集料附著比兩個評價指標,F值的大小排序均為FA>FB>FD>FC.F值越大說明該因素對正交試驗的結果影響越顯著,當Fj>F0.01(2,9)=8.02時,該因素在0.01級別影響高度顯著;當Fj>F0.05(2,9)=4.26時,該因素在0.05級別影響顯著,反之說明該因素影響不顯著.所選的四個影響因素F值都大于F0.01(2,9),對高模量劑黏附比和集料附著比兩個評價指標的影響程度均為高度顯著,影響程度排序為干拌溫度>拌和時間>高模量劑中心聚集程度>高模量劑摻量,與極差分析評價結果一致.

4 結 論

1) 基于正交試驗原理,提出了一套評價顆粒型高模量劑干拌熔融分散均勻性的試驗方法,并提出了高模量劑黏附比和集料附著比兩個量化評價指標.該方法試驗操作過程簡單、試驗結果可量化比較.

2) 正交試驗分析結果表明,干拌溫度、拌和時間、高模量劑中心聚集程度、高模量劑摻量四個影響因素對高模量劑黏附比、集料附著比評價指標在0.01級別的影響程度均為高度顯著,影響程度排序為:干拌溫度>拌和時間>高模量劑中心聚集程度>高模量劑摻量,極差分析與方差分析結果具有一致性.

3) 室內試驗結果表明,高模量劑熔融分散效果最優的組合為180 ℃-60 s-0.3%-50%.該結果是基于選定的集料與高模量劑試驗分析得到的,工程應用應結合實際情況,進一步依托拌和樓開展試驗,對各生產參數水平進行優選,確定最佳水平值.