秦仁杰， 李永海， 劉　可， 孫　超

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙　410114；　2.廣西交通投資集團(tuán)有限公司， 廣西 南寧　530000)

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KZD-I改性劑摻量及瀝青混合料性能研究

秦仁杰1， 李永海1， 劉可2， 孫超1

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙410114；2.廣西交通投資集團(tuán)有限公司， 廣西 南寧530000)

摘要：在充分了解改性劑KZD-I性質(zhì)的基礎(chǔ)上，制備不同摻量的KZD-I改性瀝青，并對(duì)基質(zhì)瀝青及3種改性劑摻量的KZD-I改性瀝青進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)研究，同時(shí)制備油石比為4.2%的SBS和KZD-I改性AC-20瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性對(duì)比試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青經(jīng)KZD-I改性后，高溫穩(wěn)定性得到改善，混合料的水穩(wěn)定性優(yōu)良，高溫抗車轍能力顯著提高。

關(guān)鍵詞：KZD-I改性瀝青； 瀝青混合料； 改性劑摻量； 性能

1KZD-I改性劑簡(jiǎn)介

KZD-I是一種高分子復(fù)合材料，由塑料及其他高分子納米材料復(fù)合而成，固體、黑褐色、顆粒狀，無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)腐蝕性、不自燃、無(wú)揮發(fā)性有害物質(zhì)，比重0.86～1.20 g/cm3，熔點(diǎn)100～165 ℃，如圖1。

圖1　聚烯烴改性劑KZD-I

KZD產(chǎn)品(科中大瀝青混合料聚烯烴改性劑)是公路瀝青路面建設(shè)專用原材料，是一種公路建設(shè)節(jié)能環(huán)保型專業(yè)材料[1]。

KZD-I產(chǎn)品與行業(yè)產(chǎn)品相比，具有技術(shù)領(lǐng)先、使用簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是目前行業(yè)內(nèi)頂尖級(jí)產(chǎn)品，填補(bǔ)了我國(guó)“直投式生產(chǎn)瀝青混合料”技術(shù)空白，是一種“高性能瀝青混凝土生產(chǎn)技術(shù)及節(jié)能減排生產(chǎn)技術(shù)”，主要應(yīng)用于高速公路、高等級(jí)公路及特種瀝青公路建設(shè)，如：國(guó)道、省道、城市道路、機(jī)場(chǎng)路面、海港碼頭、軍事要道、橋面及隧道等。

2濕拌法KZD-I改性劑摻量試驗(yàn)研究

2.1原材料

2.1.1基質(zhì)瀝青

本次試驗(yàn)采用廈門華特集團(tuán)有限公司供應(yīng)的韓國(guó)SK 70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青，對(duì)該瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)、延度、密度試驗(yàn)[2，3]，結(jié)果如表1。

表1 70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青的技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果類別針入度(100g,5s,25℃)/(0.1mm)延度(5cm/min,15℃)/cm軟化點(diǎn)TR&B(環(huán)球法)/℃密度(15℃)/(g·cm-3)技術(shù)要求60～80≥100≥46實(shí)測(cè)記錄試驗(yàn)結(jié)果64>10049.01.038(T0604)(T0605)(T0606)(T0603) 注:括號(hào)內(nèi)為試驗(yàn)方法。

2.1.2聚烯烴改性劑KZD-I(直投式)

本次試驗(yàn)采用由深圳市科中大交通建材有限公司研發(fā)、生產(chǎn)的外摻改性劑——科中大瀝青混合料聚烯烴改性劑KZD-I，比重0.86～1.20 g/cm3，熔點(diǎn)100～165 ℃。

2.2改性瀝青制備方法[4，5]

1) 將基質(zhì)瀝青分成3份，放入175～185 ℃的烘箱中，并恒溫1 h；

2) 在溫度為170～180 ℃的條件下，向步驟1)所述的基質(zhì)瀝青中分別加入3%、6%、9%(外摻)的聚烯烴改性劑KZD-I，并用玻璃棒均勻攪拌10～15 min[6]；

3) 在170～180 ℃的溫度范圍內(nèi)，將混合物在高速剪切儀中高速剪切30～40 min，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，剪切完成后將混合物放入175～185 ℃的烘箱中發(fā)育20～30 min；

4) 在溫度為175～185 ℃的條件下，將步驟3)所述的發(fā)育完成的化合物在高速剪切儀中繼續(xù)高速剪切30～40 min，轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，剪切完成后將混合物放入170～180 ℃的烘箱繼續(xù)溶脹1 h，得到不同摻量的KZD-I改性瀝青。

2.3性能試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)所制取的改性瀝青進(jìn)行針入度、延度、軟化點(diǎn)等性能試驗(yàn)[7]，結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同KZD-I改性劑摻量對(duì)瀝青針入度、延度、軟化點(diǎn)的影響

從試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果可以看出：

1) 不同溫度下，改性瀝青針入度隨著改性劑摻量的增加而不斷減小，說(shuō)明改性劑的加入，瀝青的高溫穩(wěn)定性得到了改善。

2) 從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，不同溫度下，改性瀝青延度隨著改性劑摻量的增加而不斷降低，改性劑的加入對(duì)瀝青低溫延度沒有太大影響，這表明改性劑KZD-I對(duì)于瀝青結(jié)合料的低溫性能并沒有得到改善，甚至有所下降。但也有研究表明[2]，傳統(tǒng)的延度試驗(yàn)對(duì)聚烯烴類材料低溫性能的評(píng)價(jià)具有一定的局限性，由改性劑的加入使改性瀝青的延度大大降低來(lái)判斷瀝青的低溫性能變差是不合理的。

3) 軟化點(diǎn)隨改性劑摻量增加而增大，表明改性劑的加入提高了改性瀝青的高溫性能。

4) 從性能和混合機(jī)理出發(fā)，改性劑KZD-I摻量宜選在3%～6%。

3干拌法KZD-I改性瀝青混合料性能研究

制備KZD-I改性瀝青混合料AC-20，并同時(shí)制作SBS(I-D)改性瀝青混合料做對(duì)比試驗(yàn)[7]，分別進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)和高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)[8]，探討改性瀝青混合料在南方高溫多雨環(huán)境條件下的性能特點(diǎn)。

3.1AC-20混合料的級(jí)配構(gòu)成

瀝青混合料AC-20采用石灰?guī)r加工所得集料。粗集料分為3檔規(guī)格，分別為20～25 mm、10～20 mm、5～10 mm，細(xì)集料規(guī)格為0～3 mm；填料采用石灰?guī)r礦粉。瀝青混合料AC-20礦料組成設(shè)計(jì)如表2和圖3所示。

其中，瀝青混合料AC-20的礦料組成摻配比例為：1#粗集料∶2#粗集料∶3#粗集料∶4#粗集料∶礦粉=9∶39∶21∶30∶1，由馬歇爾試驗(yàn)確定的最佳油石比為4.2%。

3.2水穩(wěn)定性試驗(yàn)

對(duì)SBS(I-D)改性瀝青、70號(hào)道路石油瀝青和摻入聚烯烴改性劑KZD-I的瀝青(摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.3%)分別采用油石比4.2%制備瀝青混合料AC-20試件，測(cè)定在浸60 ℃水48 h后和浸60 ℃水30 min后的馬歇爾穩(wěn)定度，測(cè)定凍融循環(huán)后的劈裂強(qiáng)度，以浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性能[9]。其中，摻入聚烯烴改性劑KZD-I的瀝青混合料AC-20馬歇爾試件成型時(shí)，集料的烘料溫度為190 ℃，瀝青溫度155 ℃，瀝青混合料的拌合溫度為185 ℃，擊實(shí)溫度控制在170 ℃左右；攪拌時(shí)間為360 s，首先加入石料與KZD-I改性劑干拌120 s，再加入瀝青，拌合120 s，最后加入礦粉拌合120 s。試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表2 瀝青混合料AC-20的礦料組成設(shè)計(jì)篩孔尺寸/mm各材料的顆粒級(jí)配(通過(guò)率)/%各材料在設(shè)計(jì)混合料中的顆粒級(jí)配(通過(guò)率)/%1#料(100%)2#料(100%)3#料(100%)4#料(100%)礦粉(100%)1#料(9%)2#料(39%)3#料(21%)4#料(30%)礦粉(1%)合成級(jí)配/%規(guī)范上限/%規(guī)范下限/%規(guī)范中值/%0.0750.50.30.614.499.00.00.10.14.31.05.67350.150.50.30.617.81000.00.10.15.31.06.61348.50.30.50.30.621.91000.00.10.16.61.07.9175110.60.50.30.6321000.00.10.19.61.010.9248161.180.50.30.6561000.00.10.116.81.018.1331222.52.360.50.30.693.41000.00.10.128.01.029.34416304.750.50.31.61001000.00.10.330.01.031.55626419.50.52.095.31001000.00.820.030.01.051.872506113.21.0261001001000.110.121.030.01.062.2806271162.865.91001001000.325.721.030.01.078.09278851918.394.71001001001.636.921.030.01.090.6100909526.597.31001001001008.839.021.030.01.099.810010010031.51001001001001009.039.021.030.01.0100100100100 注:根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40—2004)的條文說(shuō)明5.3.2,工程設(shè)計(jì)級(jí)配范圍一般在規(guī)范規(guī)定的允許范圍內(nèi),但必要時(shí)允許超出?？紤]到26.5mm的分級(jí)篩余僅為0.2%,故允許本配合比設(shè)計(jì)的級(jí)配曲線中篩孔26.5mm所對(duì)應(yīng)的的通過(guò)率超出規(guī)范的范圍。

圖3　瀝青混合料AC-20的礦質(zhì)混合料　　　配合比設(shè)計(jì)圖

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，SBS改性和KZD-I改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到了顯著改善，浸水殘留穩(wěn)定度比和凍融抗拉強(qiáng)度比都超過(guò)了90%，KZD-I改性瀝青混合料兩項(xiàng)指標(biāo)都接近100%，改性效果非常明顯。

3.3高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)

對(duì)SBS(I-D)改性瀝青、70號(hào)道路石油瀝青分別采用油石比4.2%制備瀝青混合料AC-20車轍試件，對(duì)摻入聚烯烴改性劑KZD-I瀝青混合料AC-20采用油石比4.2%制備車轍試件，分別進(jìn)行車轍試驗(yàn)[10]。其中，摻入聚烯烴改性劑KZD-I的瀝青混合料AC-20車轍試件成型時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)的瀝青混合料AC-20采用70號(hào)道路石油瀝青，摻入瀝青改性劑KZD-I，其摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.3%，按油石比4.2%制備試件，試件成型時(shí)集料的烘料溫度為190 ℃，瀝青溫度155 ℃，瀝青混合料的拌合溫度為185 ℃，成型溫度控制在170 ℃左右，攪拌時(shí)間為450 s，首先加入石料與KDZ-I改性劑干拌150 s；再加入瀝青，拌合150 s；最后加入礦粉拌合150 s，車轍試件室溫條件下放置48 h后進(jìn)行60 ℃、70 ℃車轍試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4、表5。

表3 SBS改性瀝青、70號(hào)道路石油瀝青、KZD-I改性瀝青混合料AC-20的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果瀝青混合料項(xiàng)目油石比/%浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比馬歇爾穩(wěn)定度SM/kN浸水馬歇爾穩(wěn)定度SM1/kN浸水殘留穩(wěn)定度SM0/%未經(jīng)凍融循環(huán)RT1/MPa凍融循環(huán)RT2/MPa凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比/%SBS改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)技術(shù)要求4.217.2418.25105.80.6170.57492.9——≥85——≥8070號(hào)道路石油瀝青試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)技術(shù)要求4.214.9313.1888.30.4480.38485.7——≥80——≥75KZD-I改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)技術(shù)要求4.217.4517.1598.31.1981.18298.7——≥85——≥80

表4 SBS改性瀝青、70號(hào)道路石油瀝青混合料AC-20的高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果瀝青混合料油石比/%試件編號(hào)變形量/mm45min60minDS/(次·mm-1)DS平均/(次·mm-1)SCv/%SBS改性瀝青4.211.2451.320840020.9151.013642931.0581.125940341.1101.208642976651485.3019.4—(≥3000)—(≤20)70號(hào)道路石油瀝青4.212.2432.550205222.5052.828195032.3102.625200042.4382.7831826195796.744.9 注:括號(hào)內(nèi)為設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

表5 4.2%油石比70號(hào)道路石油瀝青+KZD-I混合料AC-20的高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)室溫/℃油石比/%試件編號(hào)變形量/mm45min60minDS/(次·mm-1)DS平均/(次·mm-1)SCv/%604.211.0731.1331050020.9531.028840030.9301.005840040.8701.0433642(舍)91001212.4413.3704.211.5281.687396221.8541.976516431.7561.87752074778706.4314.8

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，60 ℃SBS改性和KZD-I改性瀝青AC-20混合料動(dòng)穩(wěn)定度都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的3 000次/mm，70 ℃KZD-I改性AC-20混合料的動(dòng)穩(wěn)定度也符合規(guī)范要求，說(shuō)明2種改性瀝青的高溫穩(wěn)定性都大大的提高了，并且KZD-I改性的瀝青混合料要更突出。

4主要結(jié)論

1) KZD-I改性瀝青隨著摻量的不斷提高，軟化點(diǎn)增大，針入度減小，高溫穩(wěn)定性改善，延度降低；由常規(guī)指標(biāo)延度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能有一定局限性，有待更合理的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究其低溫性能。

2) SBS和KZD-I這2種改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青都有較好的改性作用，從水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，KZD-I改性瀝青混合料性能更優(yōu)。

3) SBS改性劑要比KZD-I改性劑價(jià)格更昂貴，從經(jīng)濟(jì)性和改性效果分析，KZD-I改性劑有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

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文章編號(hào)：1008-844X(2016)02-0076-05

收稿日期:2015-12-07

作者簡(jiǎn)介:秦仁杰( 1969-) ，男，碩士，在職博士，教授，主要從事路基路面工程、道路環(huán)境工程、道路養(yǎng)護(hù)管理等方面的科研工作。

中圖分類號(hào)：U 414

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A