[橡胶粉与高模量复合改性沥青混合料性能的关联] 高模量改性沥青

时间:2020-01-13 07:18:17 来源:易达学习网 本文已影响 易达学习网

橡胶粉与高模量复合改性沥青混合料性能的关联

橡胶粉与高模量复合改性沥青混合料性能的关联 0 引 言 根据国内关于SMA沥青混合料的研究成果及工程应用的 实践情况,目前主要采用SBS改性沥青和纤维改性剂生产SMA 沥青混合料,SMA混合料的技术难点在于“三多一少”的骨 架嵌挤结构,这对沥青、集料和施工技术提出了更高的要求 [1]。研究表明,尽管SBS改性沥青所生产的SMA混合料具有 高强且良好的变形协调性、优良的高温稳定性与抗剪能力以 及耐疲劳等诸多良好的性能,但仍然存在不少问题。首先是 成本问题,其次SBS改性沥青老化后变得硬脆,缺乏柔韧性, 开裂以及疲劳裂缝等一些病害也屡见不鲜。大量研究表明, 使用橡胶粉改性沥青不仅可以解决废旧橡胶轮胎污染环境 的问题,也可有效改善沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳性 能,同时提高沥青路面的柔韧性,延缓路面反射裂缝,增强 路面除冰、降噪等功能[2-5];
另一方面,随着高模量沥青 混合料在国省干线交叉口车辙处治和山区高速公路长大纵 坡等一系列公路建设工程中的成功运用,其抗车辙和抗疲劳 性能得到了业内的一致认可[6-7]。然而,采用橡胶粉或高 模量剂生产的沥青混合料分别有其技术缺陷,目前鲜见采用 橡胶粉与高模量剂复合改性方案生产SMA混合料的研究报道。

本文将橡胶粉与高模量剂进行复配,充分利用这2种改性剂 对沥青混合料技术性能的改善优势,以期实现减少SMA混合料工程造价、提高路面综合使用性能的目的。经室内试验和 试验路验证,该方法具有较好的技术优越性,研究成果可为 今后同类工程提供理论借鉴和研究思路。

1 原材料及配比 试验选用SK70重交通道路石油沥青和壳牌SBSI-B(SBS 掺量为4.5%),经检测,沥青各项指标均满足现行《公路沥 青路面施工技术规范》(JTG F41—2004,以下简称《规范》) 的相关技术要求[8]。橡胶粉是一种优良的沥青改性剂,可 显著改善沥青混合料的低温抗裂性和抗疲劳耐久性。研究表 明:橡胶颗粒粒径过大,其与沥青及其他粒径集料的粘附性 差,容易造成橡胶颗粒松散和脱落,进而影响路面的耐久 性;
橡胶粉粒径越小,越容易均匀分散,在沥青中的硫化反 应越充分,但也会增加工程造价。综合考虑,本研究采用的 橡胶粉为实体工程中采用的泰华胶粉30目午轮胎胶粉,胶粉 的筛分试验结果见表1。经室内试验筛选,初选的橡胶粉掺 量(占沥青质量的百分比,下同)为18%、20%、22%、24%、 26%、28%。

高模量剂采用PRM添加剂,由法国路面材料实业公司研 发并生产,根据工程经验和厂家提供的添加比例,初选PRM 掺量(占混合料质量的百分比,下同)为0.4%、0.6%、0.8%。2 橡胶粉与高模量剂复合改性SMA混合料生产工艺 2.1 橡胶粉沥青制备 加热基质沥青到175 ℃后,加入预定质量的橡胶粉,为 避免一次性加入橡胶粉过多而导致沥青温度下降过快,试验 时控制橡胶粉的掺加速率为8 g·s-1,边加入橡胶粉边快速 搅拌,使加入的橡胶粉能在短时间内与基质沥青混合均匀, 并快速加热到所需的试验温度,待胶粉颗粒全部加入后,以 4 500~5 000 r·min-1的剪切速率剪切45 min,然后在175 ℃ 下发育30 min。制成改性沥青之后,进行粘度、锥入度、软 化点、弹性恢复率试验,结果如图1所示。

从图1可以看出:随着橡胶粉掺量增大,橡胶沥青的粘 度呈二次函数关系减小,锥入度呈二次函数关系增大,橡胶 粉掺量由18%增大到28%,橡胶粉改性沥青的粘度增大了2.5 倍,锥入度减小了61%,可见增大橡胶粉掺量会导致施工难 度增大,但可改善橡胶沥青的高温稳定性;
随着橡胶粉掺量 的增大,橡胶粉改性沥青的弹性恢复率呈先增大后减小的趋 势,25%胶粉掺量时弹性恢复率出现峰值,软化点随橡胶粉 掺量的增大而升高,橡胶粉掺量超过24%后软化点随橡胶粉 掺量的升高幅度不明显。分析其原因,橡胶粉与基质沥青发 生溶胀和硫化作用时吸收了沥青中的轻质组分,橡胶粉对基质沥青的网络填充和化学共混作用改变了沥青的胶体结构, 起到了加筋和填充作用。

2.2 混合料级配 按照《规范》推荐的SMA沥青混合料的工程级配范围, 并参考实体工程中选用的SMA-13试验级配,为减小橡胶粉颗 粒对混合料级配的干涉作用,实体工程中减少了混合料中矿 粉的比例,试验级配如表2所示。

2.3 橡胶粉与高模量剂复合改性SMA混合料配合比设计 按照《规范》中马歇尔法试验流程确定橡胶粉高模量剂 复合改性沥青混合料的最佳油石比。试验时高模量剂的掺加 方式采用“干法”工艺,PRM高模量剂对沥青混合料的增粘、 改性作用主要在混合料拌和过程中发生,集料的加热温度、 混合料拌和温度以及混合料拌和时间对高模量剂改性效果 的发挥起着决定性作用[9]。通过方差分析研究混合料拌和 温度和搅拌时间对高模量沥青混合料高温性能的影响,最终 确定:集料加热温度为190 ℃~195 ℃,高模量剂与集料的 干拌时间为90 s。混合料拌和时,先将预定质量的PMR改性 剂和集料一起干拌90 s,使其在矿料中充分融化、分散均匀;

然后再加入橡胶粉改性沥青,拌和60 s;
最后加入矿粉,拌 和60 s,总拌和时间为3.5 min。不同橡胶粉和PRM高模量剂掺量下复合改性SMA混合料马歇尔试验结果见表3。

表3中的试验结果表明:相同高模量剂掺量下,随着橡 胶粉掺量的增加,复合改性沥青混合料的最佳沥青用量增大, 马歇尔稳定度随橡胶粉掺量的增大而增大,试件内部处于拉 压结合状态,由于SMA混合料有接近70%单一粒径粗集料,混 合料抵抗破坏主要依靠沥青玛蹄脂结合料产生抗拉性能,可 见增大橡胶粉掺量可提高复合改性沥青混合料在拉压复合 应力作用下的抗破坏能力;
相同橡胶粉掺量下,随着PMR高 模量剂掺量的增大,复合改性沥青混合料的马歇尔稳定度显 著增大,而混合料油石比随PMR的增大变化并不明显;
橡胶 粉与高模量剂复合改性沥青混合料的各项体积指标和力学 指标均满足《规范》要求,采用马歇尔试验方法进行复合改 性沥青混合料的配合比设计是合理可行的,这也说明本文确 定的集料加热温度是合理的。

3 橡胶粉与高模量剂复合改性SMA混合料的路用性能 3.1 高温稳定性及温度敏感性 现行规范选取60 ℃车辙试验检测混合料高温性能,为 了研究复合改性沥青混合料高温稳定性对试验温度的敏感 性,本文车辙试验采用40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃四个试验温度。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求 进行车辙试验,试验结果见表4。

由表4可知:相同高模量剂掺量下,随着橡胶粉掺量的 增大,复合改性沥青混合料的车辙试验动稳定度略有增加。

方差分析结果表明,橡胶粉掺量对车辙试验动稳定度的影响 P值小于005,可见橡胶粉作为改性剂掺加并没有显著改善复 合改性沥青混合料的高温稳定性。其原因可能是:虽然橡胶 粉在溶胀、硫化反应后形成了稳定的沥青-橡胶粉稳定体系, 但随着橡胶粉掺量的增大,复合改性沥青混合料的最佳油石 比增大,后者对温度的敏感性抵消了前者有利因素;
随着高 模量剂掺量的增大,复合改性沥青混合料高温稳定性显著提 高,同时车辙试验动稳定度对温度的敏感程度降低。方差分 析结果表明,高模量剂掺量对车辙试验动稳定度的影响要比 橡胶粉掺量显著。分析高模量剂对橡胶粉改性沥青混合料高 温稳定性的改善机理:高模量剂高分子链在橡胶沥青中形成 了的空间网络结构,限制沥青分子运动,高模量沥青中的弹 性成分在较高温度时具有使沥青混凝土的变形部分恢复弹 性的功能,相当于在沥青混合料内部多了一个应力缓冲层, 起到了卸荷作用,因而降低了沥青混合料的车辙变形;
此外, 高模量剂的加入使沥青混合料的弹性模量增大,减少了不可 恢复的残余变形,从而延缓了车辙的产生。相比SBS改性沥 青混合料,0.6%、0.8%高模量剂掺量下复合改性沥青混合料的车辙试验动稳定度均远大于SBS改性沥青混合料,可见采 用橡胶粉与高模量剂复合改性方案具有较好的技术优越性。

3.2 低温抗裂性 按照现行施工规范要求,采用低温小梁弯曲试验评价改 性沥青混合料的低温抗裂性,试验方法参照现行《公路工程 沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[10] (简称《规程》)。试件尺寸为30 mm×35 mm×250 mm, 试验温度为-10 ℃,加载速率为50 mm·min-1,试验时采用 单点加载方式,支点间距200 mm,试验结果见表5。

表5的低温弯曲试验结果表明:相同高模量剂掺量条件 下,随着橡胶粉掺量的增大,复合改性沥青混合料的抗弯拉 强度和弯拉应变均增大,橡胶粉掺量对复合改性沥青混合料 低温性能有显著影响。分析 主要原因有几点。一方面,橡胶粉的加入使沥青的粘度 增大,温度敏感性降低,弹性变形能力提高,沥青胶浆劲度 的改善对提高沥青混合料的低温抗裂性有重要影响,从而使 橡胶沥青混合料的低温变形能力得到提高。另一方面,橡胶 沥青混合料的橡胶沥青膜要比普通高模量沥青膜厚,而且橡胶沥青的松弛性能较好,使得橡胶沥青混合料具有很好的柔 韧性;
此外,橡胶粉与沥青间产生的吸附、扩散与键合作用, 在粗集料的骨架之间起到了牢固粘结的作用, 结构沥青比 重增大,使得复合改性沥青与集料之间的界面效应增强,沥 青混合料中的各相材料通过各相间的界面结合成为整体,混 合料整体性提高,从而使高模量沥青混合料的低温变形能力 提高。橡胶粉掺量相同时,随着高模量剂掺量的增大,复合 改性沥青混合料抗弯拉强度和弯曲劲度模量增大,而弯拉应 变呈先增大后减小的变化趋势,适宜的高模量剂掺量为0.6%。

分析其原因:适量的高模量剂掺入时,由于高模量剂的高分 子链在沥青胶浆中形成网络结构,对橡胶沥青起到了加劲作 用[14],增强了混合料的劲度模量,同时提高了沥青胶浆与 集料之间的粘附性,混合料整体性提高;
随着高模量剂掺量 进一步增大,复合改性沥青混合料的柔韧性变差,复合改性 沥青胶浆的轻度模量较大,施工和易性差,反而不利于SMA 混合料骨架的形成,因此低温抗裂性降低。

3.3 水稳定性 按照现行施工规范要求,采用浸水马歇尔试验和冻融 劈裂试验评价复合改性沥青混合料的水稳定性,试验方法参 照现行《规程》执行,试验结果如图2、3所示。

图2、3的试验结果表明,随着橡胶粉掺量和高模量剂掺 量的增大,复合改性沥青混合料的冻融劈裂强度比、马歇尔残留稳定度均呈先增大后减小的趋势,峰值劈裂强度对应的 最佳橡胶粉和高模量剂掺量分别为22%、0.6%。

3.4 抗疲劳性能 疲劳试验采用中点加载简支梁弯曲试验法,加载采用应 力控制方式,按照现行施工《规程》中的要求成型车辙板, 切割成尺寸为40 mm×40 mm×250 mm小梁试件,在MTS材料 试验机上进行加载,试验选用0.2、03、04、05四个应力比, 支点间距为200 mm,试验温度为15 ℃,加载频率为10 Hz, 加载波形为连续式正弦波,这种加载方式下的疲劳寿命计算 如式(1)所示,疲劳试验拟合结果如图4所示。

由图4可知:相同高模量剂掺量下,随着橡胶粉掺量的 增大,疲劳试验拟合系数K值呈先增大后减小的趋势,n值呈 先减小后增大的趋势,胶粉掺量为22%时K值出现峰值,n值 出现最小值,K值越大,疲劳性能越好,n值越小,复合改性 沥青混合料对应力水平的变化越不敏感,可见橡胶粉掺量对 复合改性沥青混合料的抗疲劳性能有显著影响。分析其影响 机理:一方面,增大橡胶粉掺量,复合改性沥青混合料的最 佳油石比增大,混合料内部沥青膜厚度增大,柔韧性增强;

当受到外界重复荷载时,橡胶颗粒在与沥青胶浆形成的共混 体中通过银纹作用提高了混合料的整体柔性,橡胶粉改性沥 青的柔性相当于在集料与沥青胶浆之间存在着一个应力吸 收缓冲层,沥青胶浆产生较大的弹性变形,在混合料内部起 到了卸荷作用。在一定范围内,随着橡胶粉掺量的增加,抗疲劳性能会有所提高,但是当橡胶粉掺量超过22%后,抗疲 劳性能有所下降,这主要与橡胶粉分散的均匀程度有关,橡 胶粉掺量越大,没有充分硫化的橡胶粉和集料得不到良好的 粘附,在混合料内部聚集,形成软弱界面,诱发裂纹剪切带 产生,界面粘结薄弱环节内部的微裂缝也相应地会多一些, 宏观表现为疲劳试验双对数拟合曲线K值减小、n值先减小后 增大的变化趋势。橡胶粉掺量相同,0.6%高模量剂掺量下的 复合改性沥青混合料的疲劳试验双对数拟合曲线K值最大, 同时n值最小,表明此时混合料抗疲劳性能最好。分析其原 因,高模量剂的高分子链在复合改性沥青胶浆中所形成的网 络结构加强了沥青胶浆与集料之间的粘附性,同时混合料整 体模量的增大提高了复合改性沥青混合料的整体强度,但过 多的高模量剂导致复合改性沥青混合料的柔韧性下降,混合 料对应力水平的变化更加敏感,反而对其抗疲劳性能产生不 利影响。

4 试验路铺筑 本课题依托甘肃省某高速公路沥青路面工程四合同段, 在起点桩号为K12+750、终点桩号为K20+250的路段,采用22% 橡胶粉与06%PRM高模量剂对沥青混凝土进行复合改性,铺筑 4 cm厚复合改性沥青混凝土SMA-13上面层。工程实践证明, 采用橡胶粉与高模量剂复配方案,不仅节约了施工成本,而 且压实度、平整度等各项指标均符合设计要求。长达3年的 试验路检测证明,该方法有效地减少了沥青路面的早期破坏,目前没有明显的车辙和开裂病害,路面使用状况良好,可见 采用橡胶粉与高模量剂复合改性沥青混凝土延长了道路的 使用寿命,经济、社会效益显著。

5 结 语 (1)系统研究了橡胶粉和高模量剂掺量对SMA混合料综 合路用性能的影响,并将其与SBS改性SMA混合料进行了对比。

结果表明,基于橡胶粉与高模量剂复配方案所生产的SMA混 合料,其综合路用性能可达到甚至超过SBS改性SMA混合料, 推荐适宜的橡胶粉与PRM高模量改性剂掺配比例为22%橡胶 粉(内掺)加0.6%高模量剂(采用“干法”工艺)。

(2)生产橡胶粉与PRM高模量复合改性沥青混合料时, 控制集料加热温度为190 ℃~195 ℃,采用马歇尔法进行复 合改性沥青混合料配合比设计,其各项体积指标和力学指标 均满足规范要求。

(3)橡胶粉作为复合改性沥青混合料的改性剂并没有 显著提高混合料的高温性能,而是显著改善了复合改性沥青 混合料的低温抗裂性和抗疲劳性能。

(4)随着PRM高模量剂掺量的增大,复合改性沥青混合 料的高温稳定性提高,抗车辙能力对温度的敏感性降低, 0.6%高模量剂掺量下,复合改性沥青混合料的低温抗裂性和 抗疲劳性能最优。

参考文献:
[1] 刘 涛.SMA混合料体积参数及配合比设计方法研究[D].西安:长安大学,2007. [2] 王 文.温拌橡胶沥青宽路用温度域流变特性[J].交 通运输工程学报,2015,15(1):1-9.

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