韋 達(dá),王 晨(蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 210017)
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粉膠比對橡膠瀝青膠漿高溫性能的影響研究
韋 達(dá),王 晨
(蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 210017)
填料是影響橡膠瀝青膠漿及混合料的重要影響因素,為了研究不同粉膠比對橡膠瀝青膠漿高溫性能的影響,文章選擇石灰?guī)r礦粉作為填料,粉膠比摻量為0.2、0.4、0.6、0.8,膠漿高溫性能的評價指標(biāo)選擇破壞溫度和零剪切黏度(ZSV),通過DSR試驗對不同膠漿進行研究。試驗結(jié)果表明:隨著粉膠比的增加,橡膠瀝青膠漿的破壞溫度和ZSV值均逐漸變大,而且增大幅度較大,橡膠瀝青膠漿的高溫性能得到明顯的改善;利用環(huán)境掃描電鏡對膠漿進行掃描,從微觀上分析了橡膠瀝青膠漿高溫性能的改善機理。
粉膠比;橡膠瀝青膠漿;高溫性能;動態(tài)剪切流變儀
瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不但取決于礦料骨架,而且取決于瀝青結(jié)合料阻礙瀝青混合料發(fā)生剪切變形的牽制作用。通常情況下,瀝青結(jié)合料對混合料的抗車轍能力貢獻達(dá)到40%[1],尤其對于密實型的密級配瀝青混凝土,粗集料呈懸浮結(jié)構(gòu)狀態(tài),相互嵌擠作用相當(dāng)有限,瀝青結(jié)合料的高溫勁度具有更為重要的作用。因此,礦物填料與瀝青組成的膠漿高溫流變性能就成為決定瀝青混合料高溫性能的重要因素。
國外使用經(jīng)驗表明,廢舊輪胎粉制成的橡膠瀝青混合料應(yīng)用于路面,可以有效改善路面的使用狀況,提高路面平整度,延長路面壽命,降低噪音,增加路面的美觀度。但橡膠瀝青在應(yīng)用過程中也逐漸出現(xiàn)了高溫性能改善不明顯、水損害等問題,有的路面甚至出現(xiàn)了車轍[2]。按照膠漿理論,瀝青膠漿是決定瀝青混合料各項路用性能的主要構(gòu)成因素[3],填料是影響橡膠瀝青膠漿及混合料的重要影響因素,本文將研究礦粉摻量對橡膠瀝青膠漿高溫性能的影響。
1.1道路石油瀝青
采用韓國雙龍70#道路石油瀝青,根據(jù)規(guī)范及SHRP試驗方法,對其進行性能檢測,試驗結(jié)果如表1所示。
表1 70#道路石油瀝青的性能檢測結(jié)果
1.2橡膠粉
采用的廢膠粉是江蘇常州生產(chǎn)的貨車輪胎膠粉(20目),以廢舊輪胎為原材料,在常溫下經(jīng)過粉碎、分離、除金屬、篩選等活化和脫硫等一系列工序處理制成的黑色粉末狀物質(zhì)[4]。
1.3填料
采用的礦粉為實際工程中使用的石灰?guī)r礦粉。按照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)相關(guān)試驗的要求進行試驗,其基本技術(shù)性能測定結(jié)果如表2所示。
表2 礦粉的基本技術(shù)性能測定結(jié)果
所用礦粉外觀無團粒結(jié)塊,制備膠漿的礦粉都是過0.075 mm篩以下的礦粉。
1.4橡膠瀝青膠漿的制備
選取外摻18%的橡膠粉作為改性劑,將20目的橡膠粉分3次緩慢加入到70#道路石油瀝青中制備橡膠瀝青,其中攪拌溫度控制在(175±5)℃,攪拌速率控制在1 000轉(zhuǎn)/min,拌制時間約為45 min[5]。在制備好的橡膠瀝青中人工加入礦粉,采用人工攪拌,不斷攪拌到橡膠瀝青膠漿混合料均勻即可[6]。由于不同礦粉摻量對橡膠瀝青膠漿高溫性能影響不同,本文分別選擇0.2、0.4、0.6、0.8礦粉粉膠比(礦粉質(zhì)量/橡膠瀝青質(zhì)量)的橡膠瀝青膠漿。
2.1破壞溫度
SHRP中提出采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)測定瀝青膠結(jié)料的復(fù)數(shù)模量(G*)和相位角(δ)來評價瀝青膠結(jié)料的粘彈特性。對于瀝青路面而言,希望瀝青路面在溫度較高時具有足夠的彈性,以便于路面恢復(fù)變形,因而G*越大、δ越小越好。因此,Superpave中規(guī)定原樣瀝青車轍因子至少為1.0 kPa[7]。而礦粉作為橡膠瀝青膠漿的組分之一,對膠漿的車轍因子有必然的影響。因此定義當(dāng)未老化的瀝青膠漿G*/ (sinδ)=1.0 kPa時的溫度為破壞溫度[8-9]。因為G*/ (sinδ)越大越好[10-12],所以破壞溫度越大越好。通過頻率掃描試驗得到10 rad/s時的車轍因子。
2.2零剪切黏度
零剪切黏度是指在某一溫度下直接測得或推算得到剪切速率達(dá)到或接近0時的黏度,用來表征材料黏度特性,是材料本身固有的屬性,所以又稱為絕對黏度。高溫下車轍變形是一個緩慢的過程,因此用零剪切黏度來評價橡膠瀝青膠漿的高溫性能比較合理。得到零剪切黏度的方法有很多[13],本文采用C.Desmazes[14]等人提出的蠕變恢復(fù)試驗法得到橡膠瀝青膠漿的零剪切黏度。張肖寧[15]等人研究發(fā)現(xiàn)只有剪應(yīng)力不超過牛頓流體范圍,膠結(jié)料才能達(dá)到穩(wěn)定的粘流狀態(tài)。C.Desmazes等人發(fā)現(xiàn)只有蠕變應(yīng)力不高于30 Pa時,瀝青才能獲得足夠低的剪切速率進入牛頓流體區(qū)域。因此,試驗采用25 Pa的應(yīng)力,60 ℃的溫度,蠕變1 000 s,恢復(fù)1 h。
2.3環(huán)境掃描試驗(ESEM)
ESEM是環(huán)境掃描電子顯微鏡(Environmental Scanning Electron Microscope)的英文縮寫。在它物鏡的下極靴處裝有一壓差光闌,使得在保證電子槍區(qū)高真空的同時,允許樣品室內(nèi)有氣體流動,最高達(dá)50 Torr。它能在高真空HV、低真空LV和環(huán)境這3種工作方式下工作,除具備傳統(tǒng)SEM的功能外,還可在很低真空(1~20 Torr)相當(dāng)于環(huán)境的方式下直接觀察新鮮的生物樣品。
目前對于評價瀝青高溫性能的方法已經(jīng)比較成熟,但是對于評價瀝青膠漿高溫性能的方法尚不明確。本文采用破壞溫度、零剪切粘度對摻加礦粉(粉膠比為0、0.2、0.4、0.6、0.8)的橡膠瀝青膠漿進行高溫流變性評價及分析。其中,兩種評價方法的試驗數(shù)據(jù)均是通過美國TA-AR1500EX型動態(tài)剪切流變儀DSR得到的,25 mm平行板間距均取3.5 mm。
3.1破壞溫度試驗結(jié)果與分析
通過對不同橡膠瀝青膠漿進行不同溫度下的頻率掃描試驗(40~80 ℃,步長為10 ℃),確定不同溫度下10 rad/s時的車轍因子。然后建立車轍因子對數(shù)log(G*/(sinδ))與溫度T的半對數(shù)關(guān)系曲線圖,對得到的曲線進行回歸分析,如圖1所示。
根據(jù)擬合的回歸直線,得到不同橡膠瀝青膠漿在G*/(sinδ)=1.0 kPa時的破壞溫度(如表3所示)。據(jù)破壞溫度評價不同橡膠瀝青膠漿的高溫性能。
表3 不同礦粉橡膠瀝青膠漿的破壞溫度 ℃
從表3可以看出,不同橡膠瀝青膠漿的車轍因子與溫度的半對數(shù)曲線相關(guān)性很高,均大于0.99,添加礦粉制備的橡膠瀝青膠漿隨著粉膠比的增加,破壞溫度逐漸增大,表明橡膠瀝青膠漿的高溫性能逐漸得到改善。尤其是粉膠比為0.8時的破壞溫度比橡膠瀝青的破壞溫度增加了20.1%。
3.2零剪切黏度試驗結(jié)果與分析
通過對不同橡膠瀝青膠漿進行蠕變及蠕變恢復(fù)試驗,其中,柔量與時間的關(guān)系如圖2所示。
圖2 不同礦粉粉膠比下橡膠瀝青膠漿的蠕變及蠕變恢復(fù)試驗結(jié)果
表4 不同礦粉橡膠瀝青膠漿在蠕變恢復(fù)階段的ZSV Pa·s
從圖2和表4可以看出,隨著粉膠比的增加,橡膠瀝青膠漿在蠕變恢復(fù)階段的ZSV逐漸變大。當(dāng)粉膠比為0.8時的ZSV值約是粉膠比為0.25時的10倍,說明隨著粉膠比的增加,橡膠瀝青膠漿的高溫性能明顯提高。
3.3環(huán)境掃描試驗(ESEM)試驗結(jié)果與分析
對不同橡膠瀝青膠漿進行環(huán)境掃描試驗(ESEM),掃描照片如圖3所示。
圖3 不同礦粉粉膠比下橡膠瀝青膠漿的ESEM圖(左為0.4,右為0.8)
從圖3可以看出,添加礦粉的橡膠瀝青膠漿光滑、細(xì)膩,礦粉被橡膠瀝青裹覆均勻,這正是因為礦粉與瀝青會發(fā)生體積增強作用和物化反應(yīng)。而隨著粉膠比的增加,瀝青與礦粉生成的“結(jié)構(gòu)瀝青”數(shù)量增多,形成的相體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,粘附作用更強,從而使橡膠瀝青膠漿的高溫性能更好。
通過破壞溫度和零剪切黏度2個指標(biāo)對不同橡膠瀝青膠漿的高溫性能進行評價,得到以下結(jié)論:
(1)隨著礦粉粉膠比的增加,橡膠瀝青膠漿的破壞溫度和蠕變恢復(fù)階段的零剪切黏度均逐漸變大,而且增加的幅度比較大,橡膠瀝青膠漿的高溫性能得到明顯的改善。
(2)由ESEM圖可以看出,添加礦粉的橡膠瀝青膠漿光滑、細(xì)膩,礦粉被橡膠瀝青裹覆均勻,這正是因為礦粉與瀝青會發(fā)生體積增強作用和物化反應(yīng)。而隨著粉膠比的增加,瀝青與礦粉生成的“結(jié)構(gòu)瀝青”數(shù)量增多,形成的相體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,粘附作用更強,從而使橡膠瀝青膠漿的高溫性能更好。
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Study on Influence of Filler-asphalt Ratio on High Temperature Performance of Crumb Rubber Modified Asphalt Mortars
Wei Da, Wang Chen
(JSTI Group, Nanjing 210017, China)
Filler was an important factor which influenced the crumb rubber modified asphalt mortar and its mixture. In order to study different filler-asphalt ratios' effect on high temperature performances of mortar, this paper chose limestone as the filler,and filler-asphalt ratio was 0.2,0.4,0.6,and 0.8. Fail temperature and ZSV were selected as mortar high temperature performance evaluation index through DSR test. The test results showed that with the increase of filler-asphalt ratio, fail temperature and ZSV value of the mortar increased gradually, and the amplitude was larger. High temperature performance of the mortar were improved obviously. It analyzed the improvement of mortar from the microcosmic mechanism, by using environmental scanning electron microscopy to scan those mortars.
filler-asphalt ratio; crumb rubber modified asphalt mortar; high temperature performance; dynamic shear rheometer
U414
A
1672-9889(2016)02-0015-04
韋達(dá)(1978-),男,江蘇江都人,工程師,主要從事項目前期和規(guī)劃工作。
(2015-09-28)