膠粉石油樹脂復合改性瀝青抗車轍性能研究

2024-05-15 03:40:54汪潔文

黑龍江交通科技 2024年4期

汪潔文

(山東高速東營孤島收費站,山東東營 257000)

近年來,我國瀝青路面的車轍現象越來越普遍,尤其是在交通量大的高等級公路上。車轍的出現不僅會嚴重損壞瀝青路面的平整度,還會影響高速公路的運營安全。通常而言,面層瀝青混合料在剪應力作用下的塑性變形被認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域的一大迫切要求[1-5]。

基于上述背景,為提高基質瀝青的高溫抗車轍性能,目前道路工程領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態的基質瀝青當中,摻入相容劑和抗老化劑等特定添加劑,并經過系列復雜加工工藝(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優勢。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、維護費用低、服役壽命長,并可促進廢舊輪胎的增值回收再利用?？偠灾?膠粉改性瀝青憑借優越的低溫抗裂性能、抗反射裂縫性能、路面降噪功能以及潛在的環境經濟效益,正在國內逐步得到推廣。

同時,基于傳統膠粉改性瀝青的復合改性瀝青也得到了廣泛研究,尤其是膠粉SBS復合改性瀝青,因為其有望在控制材料成本的同時進一步提高改性瀝青的路用性能[9-12]。具體而言,膠粉SBS復合改性瀝青不但可以大量消耗廢舊輪胎橡膠,而且能夠獲得優異的復合改性效果,同時還能解決膠粉改性瀝青目前存在的一些問題(如存儲穩定性差)。在復合改性瀝青中,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成本。相較于膠粉單獨改性,膠粉含量也可同時降低。盡管膠粉和SBS摻量均較低,但二者復合改性仍可彌補改性劑的低摻量對最終改性效果的影響,從而基質瀝青最終的改性效果不會受到影響。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備攪拌的加工難度大大降低,高速剪切機加工工藝和膠體磨濕法加工分散等工藝就可用于膠粉/SBS復合改性瀝青的生產。

然而,目前鮮有文獻涉及膠粉石油樹脂復合改性瀝青研究,尤其在其具有潛在優勢的抗車轍性能方面。因此,依據我國規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTGE20—2011)和美國材料與試驗協會(ASTM)規范,研究制備不同摻量的膠粉石油樹脂復合改性瀝青,采用動態剪切流變儀,測試膠粉石油樹脂復合改性瀝青在高溫條件下的剪切流變特性和蠕變恢復特性,并獲取相關性能參數指標,以評價其高溫抗車轍性能。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

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

表1 基質瀝青的基本性能

在制備膠粉石油樹脂復合改性瀝青過程中,首先將基質瀝青加熱至165 ℃,使其完全流動。同時,將設計摻量(0%、5%、10%、15%)的膠粉改性劑緩慢添加至基質瀝青中,采用機械攪拌方式以1 000 rpm的攪拌速度在175 ℃下持續攪拌30 min。再將設計摻量(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,采用機械攪拌方式以3 000 rpm的攪拌速度在175 ℃下持續攪拌30 min。最后,制備得到8種不同摻量的膠粉石油樹脂復合改性瀝青。

1.2 試驗方法

采用旋轉薄膜烘箱試驗(RTFO)制備短期老化改性瀝青樣品。旋轉薄膜烘箱試驗用于模擬瀝青在施工過程中的短期老化,具體操作為在標準玻璃盛樣皿(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的轉速旋轉,進行85 min的老化。

采用動態剪切流變儀(DSR)評價未老化和短期老化狀態下改性瀝青的高溫流變性能。在瀝青高溫性能分級(PG)試驗中,瀝青試樣被放置在兩個平行的圓形板中,采用25 mm的轉子進行,控制工作間隔為1 mm。所選擇的振蕩頻率為10 rad/s,應變值分別設為10%(未老化瀝青)和12%(短期老化瀝青),起始測試溫度設為76 ℃。測試結果包括復數剪切模量(G*)和相位角(δ),進而得到可用于評價高溫車轍性能的車轍因子(G*/sinδ)。

采用DSR對短期老化后的改性瀝青進行多重應力蠕變恢復(MSCR)試驗,進一步研究改性瀝青在高溫狀態下的蠕變和恢復特性。試驗過程中,應力加載1 s,隨后卸載9 s,記錄此過程中瀝青的剪切變形,進而計算不可恢復蠕變柔量和蠕變回復率。選用的測試應力水平為3.2 kPa,測試溫度為76 ℃。重復加載應力次數為10次,取其各周期平均值作為評價指標。

2 結果與討論

2.1 剪切流變特性參數

對未老化和短期老化的膠粉石油樹脂復合改性瀝青的剪切流變特性分別進行測試,車轍因子的測試結果分別如圖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。結果表明,膠粉的摻入顯著增強了瀝青對塑性變形的抵抗能力,也就是提高了彈性恢復能力。同時,膠粉對抗車轍性能的改善效果隨著其摻量的增加而不斷增加,可發現添加15%膠粉的改性瀝青表現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無關。其次,石油樹脂復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 膠粉石油樹脂復合改性瀝青的車轍因子(未老化狀態)

圖2 膠粉石油樹脂復合改性瀝青的車轍因子(短期老化狀態)

進行復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計分析,結果如表2和表3所示。結果表明膠粉摻量對兩種老化狀態下的復合改性瀝青的車轍因子值均有顯著影響。其次,在未老化狀態下,添加石油樹脂對改性瀝青抗車轍性能的積極影響也具有統計學意義。然而,在短期老化后,統計分析結果表明添加5%石油樹脂對改性瀝青的車轍因子無顯著影響,當膠粉摻量為15%時除外。

表2 膠粉石油樹脂復合改性瀝青的車轍因子(未老化狀態)方差分析

表3 三種改造方法路面結構承載能力對比單位:MPa

表3 膠粉石油樹脂復合改性瀝青的車轍因子(短期老化狀態)方差分析

2.2 蠕變恢復特性參數

進一步采用MSCR試驗從更深層次評估膠粉石油樹脂復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特性來評估瀝青膠結料的抗車轍性能,且被測試的瀝青樣品需經過短期老化。該測試可得到兩個參數,即不可恢復蠕變柔量和蠕變恢復率。一般而言,不可恢復蠕變柔量越大意味著改性瀝青對高溫車轍越敏感,而蠕變恢復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蠕變柔量和蠕變恢復率的測試結果分別如圖3和圖4所示。

圖3 膠粉石油樹脂復合改性瀝青的不可恢復蠕變柔量

圖4 膠粉石油樹脂復合改性瀝青的蠕變恢復率

顯而易見,與基質瀝青相比,添加膠粉改性劑可有效降低其不可恢復蠕變柔量。同時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,膠粉石油樹脂復合改性瀝青的抗塑性變形能力均得到顯著改善,表現出更低的不可恢復蠕變柔量值。另一方面,根據蠕變恢復率測試結果,添加石油樹脂對改性瀝青的效果并不明顯,這有可能是該指標的測試標準偏差較大的緣故。總的來說,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。

進一步研究了膠粉石油樹脂復合改性瀝青的不可恢復蠕變柔量和蠕變恢復率隨膠粉和石油樹脂摻量的增加而變化的方差統計分析,結果如表4和表5所示。根據不可蠕變恢復柔量的分析結果,無論是何種石油樹脂摻量,膠粉改性劑的添加均能對其產生顯著影響。然而,石油樹脂的摻入對改性瀝青不可蠕變恢復柔量的影響卻并不顯著。另一方面,從蠕變恢復率的分析結果來看,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并不存在統計學差異。