溫拌劑對橡膠改性瀝青路用性能的影響

張勁松

(黑龍江省交通規劃設計研究院集團有限公司,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前 言

我國于1984年開始橡膠改性瀝青的路用性能研究。自20世紀90年代起,利用廢舊輪胎生產橡膠粉(膠粉)的技術取得重大突破,實現了以常溫粉碎的方法工業化生產膠粉,顯著改善了膠粉的物理性質和路用性能,并大大降低了生產成本[1]。在2022年,我國廢舊輪胎的產量已超過1 600萬t,無害化利用率達到了75%左右,其中,利用膠粉生產橡膠改性瀝青是廢舊輪胎無害化利用的一個重要渠道。

膠粉摻入到瀝青中所形成的橡膠改性瀝青具有黏度高、粘接力強、低溫變形性能好、抗疲勞等優點。將廢舊輪胎用于公路建設不僅有助于解決廢舊橡膠處理難的問題,而且能夠有效提高瀝青路面的使用質量[1-2]。由于橡膠改性瀝青混合料的拌和溫度較普通瀝青混合料更高,因此設法降低其生產拌和溫度和攤鋪溫度,有利于降低有害氣體及煙塵的排放,實現低碳節能。降低橡膠改性瀝青混合料拌和、攤鋪溫度的技術措施之一是采用溫拌技術。

目前,溫拌瀝青混合料與橡膠改性瀝青混合料在國內的發展應用已經比較成熟,但兩項技術還未能進行良好的結合,兩者結合可以在路用性能、施工性能方面實現優勢互補,起到節能減排、促進綠色環保的效果。

1 橡膠改性瀝青的制備

1.1 膠粉

根據有關研究,在20～60目的粒徑范圍內,隨著膠粉目數的增大(即膠粉粒徑減小),橡膠改性瀝青的175 ℃黏度及軟化點有所下降,5 ℃延度和25 ℃針入度相應增大[2]。說明較細的膠粉在瀝青中更容易膨脹,制備的橡膠改性瀝青低溫性能更好?；诂F有研究成果,本次試驗采用60目廢舊輪胎膠粉制備改性瀝青,膠粉的主要技術指標如表1所示,篩分結果如表2所示。

表1 膠粉主要技術指標 單位:%

表2 膠粉篩分試驗結果

1.2 基質瀝青

根據瀝青供應情況和試驗需要,采用盤錦90#瀝青作為基質瀝青,其主要技術指標如表3所示。

表3 基質瀝青的主要技術指標

1.3 膠粉摻量對橡膠改性瀝青溫度敏感性的影響

一般而言,隨著膠粉摻量的增大,橡膠改性瀝青的黏度、軟化點增大,針入度減小,即高溫穩定性得到提升[3-4]。針入度指數能夠表征瀝青的溫度敏感性,故以膠粉摻量0%、10%、14%、18%、22%制備橡膠改性瀝青,測定針入度指數變化。結果如圖1所示。

圖1 針入度指數與膠粉摻量的關系

由圖1可知,隨著膠粉摻量的增加,針入度指數相應增大,即橡膠改性瀝青的溫度敏感性隨之降低。當膠粉摻量達到18%以上時,針入度指數的增長趨于平緩。因此,試驗以盤錦90#瀝青為基質瀝青,摻加18%的60目廢舊輪胎膠粉。

1.4 溫拌劑的選用

試驗選用的是國產表面活性劑類的LKW-Ⅱ型溫拌劑,具有降低黏度、抗剝離、降低拌和溫度等多重效果。其主要技術指標如表4所示。

表4 溫拌劑主要技術指標

2 溫拌劑對橡膠改性瀝青溫度敏感性的影響

溫拌劑的摻量取0.0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%五個檔次,分別進行對比試驗。

2.1 溫拌劑對橡膠改性瀝青軟化點的影響

軟化點是瀝青的基礎性技術指標,可直觀體現瀝青路面受高溫而軟化、變形的敏感程度,是瀝青常規試驗的重要指標之一,能夠表征瀝青的黏度、高溫穩定性及間接感溫性。軟化點試驗根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)的規定進行。在0.0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%五種溫拌劑摻量下,橡膠改性瀝青軟化點的試驗結果如圖2所示?？芍獪匕鑴┨岣吡讼鹉z改性瀝青的軟化點,當膠粉摻量達到0.3%以上時,軟化點的增長趨緩。

圖2 溫拌劑摻量對軟化點的影響

2.2 溫拌劑對橡膠改性瀝青延度的影響

延度指標是瀝青材料的三大基礎性指標之一,能夠反映瀝青的塑形變形性能,表征瀝青在固定溫度下擴展或延伸的能力。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)的規定進行橡膠改性瀝青的延度試驗。

為評估不同溫拌劑摻量下橡膠改性瀝青的低溫塑性變形能力,采用5 ℃延度。在0.0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%五種溫拌劑摻量下,橡膠改性瀝青的延度試驗結果如圖3所示。

圖3 不同溫拌劑摻量下橡膠改性瀝青5 ℃延度

由圖3可知,溫拌劑的加入可以增大橡膠改性瀝青的低溫延度,即有助于改善橡膠改性瀝青的低溫流變性能。當膠粉摻量達到0.3%以上時,延度的增長趨向平緩。

2.3 溫拌劑對橡膠改性瀝青彎曲蠕變勁度的影響

黑龍江省屬于高緯度低海拔寒冷地區,對路用瀝青材料的低溫性能有較高的要求。目前,用于評價瀝青低溫性能的試驗方法較多,但基于彎曲梁流變儀的彎曲蠕變勁度試驗相對更加準確、可靠[2-4]。該試驗方法也是美國在20世紀80年代開展的SHRP(Strategic Highway Research Program)計劃最早采用的,是通過測定彎曲蠕變勁度和蠕變速率(即m值)來評估瀝青材料的低溫性能。

依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)的規定試驗方法,在四種溫拌劑摻量(0.0%、0.1%、0.3%、0.5%)、三種負溫(-18 ℃、-24 ℃、-30 ℃)條件下,基于彎曲梁流變儀的橡膠改性瀝青彎曲蠕變勁度試驗結果如圖4所示。不摻溫拌劑時,蠕變速率(m值)在0.364～0.447之間;摻溫拌劑時,對應的蠕變速率(m值)在0.345～0.410之間。依據瀝青PG性能分級,本次試驗配制的橡膠改性瀝青、摻溫拌劑橡膠改性瀝青m值均大于0.3,符合瀝青低溫性能等級要求。

圖4 “溫度-溫拌劑摻量-彎曲蠕變勁度”的關系

2.4 溫拌劑對橡膠改性瀝青黏溫敏感性的影響

有關瀝青溫度敏感性的評價指標較多,如針入度指數、黏溫指數、黏度指數、復數模量指數等,但針對橡膠改性瀝青的溫度敏感性評價指標相對較少。由于瀝青材料所具有的黏彈塑性等特點,當溫度升高時,瀝青的黏度會降低;反之,當溫度下降時,瀝青的黏度隨之增大。反映在瀝青路面上,其宏觀表現就是冬天變硬、夏天變軟。綜合國內現有的常用評價方法和技術指標,本次試驗選擇黏溫指數(VTS)進行溫拌橡膠改性瀝青的黏溫敏感性評價。

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)的規定,設定試驗溫度分別為100、120、135、160、180 ℃,對不同溫拌劑摻量(0.0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%)的橡膠改性瀝青進行瀝青旋轉黏度試驗(布洛克菲爾德黏度計法)。黏度試驗結果如表5所示。

表5 不同溫拌劑摻量時橡膠改性瀝青黏度值試驗結果

以美國材料與試驗協會(US—ASTM)發布的《瀝青粘結劑黏度—溫度圖表準實施規程》(Standard Practice for Viscosity-Temperature Chart for Asphalt Binders,ASTM D2493/D2493 m—16)推薦使用的Saal公式對黏度數據進行回歸。其中,用Saal公式回歸的黏溫曲線斜率值(絕對值)即為黏溫指數(VTS),結果如表6所示。

表6 摻溫拌劑橡膠改性瀝青的黏溫指數試驗結果

從表6中的回歸結果可知,黏度數據回歸的相關性很好。摻溫拌劑后,黏溫指數(VTS)明顯下降,即橡膠改性瀝青的黏溫敏感性得以改善。當溫拌劑的摻量達到0.3%以上時,改善效果不再明顯。

3 溫拌劑對橡膠改性瀝青耐久性的影響

瀝青路面長期承受自然環境和行車荷載的綜合作用,會發生一系列物理化學變化而逐漸老化,導致瀝青、瀝青混合料的各項路用性能指標下降。評估瀝青老化程度對分析其使用耐久性具有重要意義。路用瀝青的短期老化性能評估一般采用瀝青薄膜加熱試驗(薄膜烘箱試驗,TFOT)或瀝青旋轉薄膜加熱試驗(旋轉薄膜烘箱試驗,RTFOT)。相對而言,瀝青旋轉薄膜加熱試驗的老化速度更快,控制精度較高。因此,本次評估采用旋轉薄膜加熱試驗,以分析溫拌劑對橡膠改性瀝青耐久性的影響。

由于瀝青屬于流變性材料,因此其老化過程中的主要表現之一是黏度的改變。據有關研究[3-5],瀝青的老化時間和黏度有近似線性的相關關系,加上黏度試驗的準確度較高,故此次的評估指標采用瀝青老化后、老化前的布氏黏度之比。

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)進行老化前后黏度對比試驗。試驗結果如表7所示。

表7 摻溫拌劑的橡膠改性瀝青老化黏度比試驗結果

根據表7中的試驗結果,摻加溫拌劑后,橡膠改性瀝青布氏黏度比的數值有所上升。雖然提升比率只有2.0%～3.9%,但間接表明摻加溫拌劑有提高橡膠改性瀝青使用耐久性的效果,且溫拌劑摻量在0.2%～0.3%為好。

4 溫拌橡膠改性瀝青混合料的車轍試驗

以盤錦90#瀝青為基質瀝青,摻加18%的60目廢舊輪胎膠粉制備橡膠改性瀝青,溫拌劑采用國產LKW-Ⅱ型溫拌劑,摻量為0.3%。所制備的溫拌橡膠改性瀝青符合《公路瀝青路面施工技術規范》中的有關技術要求。

瀝青混合料的粗、細集料均選用玄武巖,礦粉選用石灰巖礦粉。采用馬歇爾試驗確定的最佳油石比為6.5%。以此為基礎,采用濕法斷級配制備AR-AC16橡膠改性瀝青混合料及溫拌橡膠改性瀝青混合料。

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)進行車轍試驗?？刂茰囟葹?0 ℃,輪壓為0.7 MPa,往返碾壓速度為42(次/min)±1(次/min)。試驗結果如表8所示。

表8 瀝青混合料車轍試驗結果

由車轍試驗結果可知,相對未摻溫拌劑的橡膠改性瀝青混合料,摻加0.3%溫拌劑的橡膠改性瀝青混合料的動穩定度顯著提高,增長幅度高達74.9%。

5 溫拌橡膠改性瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗

依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中“瀝青混合料彎曲試驗(T0715—2011)”規定的方法進行低溫小梁彎曲試驗,試驗溫度控制在-10 ℃±0.5 ℃。對應的試驗結果如表9所示。

表9 低溫小梁彎曲試驗結果

根據低溫小梁彎曲試驗結果,摻加0.3%的溫拌劑后,破壞時的最大彎拉應變顯著增大,提升幅度達20.9%,表明摻加溫拌劑能夠改善橡膠改性瀝青混合料的低溫抗裂性。

6 溫拌橡膠改性瀝青混合料水穩定性試驗

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中“瀝青混合料凍融劈裂試驗(T0729—2011)”規定的方法,采用凍融劈裂試驗評估溫拌橡膠改性瀝青混合料的水穩定性。試驗結果如表10所示。

表10 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

由表10中的試驗結果可知,溫拌劑能夠提升橡膠改性瀝青混合料的水穩定性,但效果不夠明顯。

7 結 論

綜合上述試驗研究成果,將溫拌橡膠改性瀝青技術應用于國道丹阿公路省界(琿春)至東寧段改擴建工程虎豹公園段K70+000～K70+550處,修筑溫拌橡膠改性瀝青混合料路面試驗段550 m。經過連續3年的跟蹤調查,溫拌橡膠改性瀝青混合料路面平整度的標準差指標下降幅度小于0.3%(相鄰普通瀝青路面平整度標準差下降幅度為0.36%～0.77%),裂縫率與相鄰普通瀝青路面相比降低67.2%,無車轍、松散、推移、泛油等病害。綜合依托工程調查結果,可以得出以下結論。

(1)溫拌劑能夠提高橡膠改性瀝青的軟化點,降低橡膠改性瀝青的溫度敏感性。

(2)溫拌劑能夠增大橡膠改性瀝青的低溫延度,有助于改善橡膠改性瀝青的低溫流變性能。本次試驗中對應的膠粉優化摻量為0.3%。

(3)摻加溫拌劑后,橡膠改性瀝青的黏溫指數(VTS)下降,即橡膠改性瀝青的黏溫敏感性得以改善。當溫拌劑的摻量達到0.3%以上時,改善效果增加緩慢。

(4)溫拌劑有提高橡膠改性瀝青使用耐久性的效果。本次試驗中對應的溫拌劑適宜摻量在0.3%左右。

(5)溫拌劑能夠有效提升橡膠改性瀝青混合料的高低溫穩定性,且不影響橡膠改性瀝青混合料的水穩定性。