劉 平, 劉國濤
(云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司,云南 昆明 650501)
工業(yè)磷酸鹽礦物在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量副產(chǎn)品磷酸鹽廢棄物不僅占用了土地,而且造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)[1]。磷酸鹽廢棄物經(jīng)過改性形成的有機(jī)改性活性礦物(activated mineral binder stabilizer,簡稱為AMBS)可應(yīng)用于公路工程中,不僅能提高道路材料結(jié)構(gòu)性能,而且能減少資源浪費(fèi),符合綠色低碳和環(huán)境保護(hù)的政策,具有顯著的社會效益[2]。
反應(yīng)型活性橡膠是在有機(jī)改性活性礦物的基礎(chǔ)上,按照一定的比例,選擇AMBS和橡膠粉摻入70#基質(zhì)瀝青中,經(jīng)過熱拌合活化形成的一種合成橡膠添加劑[3]。以色列研究開發(fā)的反應(yīng)型活性橡膠的組成為:62%橡膠顆粒、22%軟瀝青及16%AMBS。在所有材料被加入拌和設(shè)備反應(yīng)后,再添加10%AMBS,以防止產(chǎn)品再次凝結(jié)。研究[4-5]表明:反應(yīng)型活性橡膠比傳統(tǒng)單純膠粉具有優(yōu)勢,它可以有效提高瀝青混合料的疲勞性能和高溫穩(wěn)定性,兼顧了活性礦物和橡膠瀝青的良好路用性能。其中,橡膠顆粒包含著大量的無機(jī)材料(填充物、硫化物及不同的穩(wěn)定劑)。在高溫時(shí),橡膠顆粒與瀝青反應(yīng),有效提高了瀝青膠結(jié)料的性能。此外,AMBS有機(jī)硅含有有機(jī)疏水長鏈,其與橡膠顆粒連接并分散在瀝青內(nèi)部,形成網(wǎng)絡(luò)互連結(jié)構(gòu),改善了瀝青混合料的高溫性能。同時(shí),從混合料的微觀結(jié)構(gòu)上看,可為提高瀝青混合料的性能做出一定的貢獻(xiàn)[6]。
1) 反應(yīng)型活性橡膠瀝青的常規(guī)性能
采用70#石油瀝青作為瀝青膠漿的基質(zhì)瀝青,摻入10%,20%和30%活性橡膠,分別研究反應(yīng)型活性橡膠瀝青的針入度、延度及軟化點(diǎn)等常規(guī)性能,分析不同摻量活性橡膠對70#基質(zhì)瀝青性能影響的變化規(guī)律,其試驗(yàn)結(jié)果見表1。
表1 反應(yīng)型活性橡膠瀝青常規(guī)性能試驗(yàn)Table 1 Routine performance test of activated rubber asphalt
2)反應(yīng)型活性橡膠瀝青的高溫性能
采用動態(tài)剪切流變(dynamic shear rheometer,簡稱為DSR)試驗(yàn)和多應(yīng)力重復(fù)蠕變(muti-stress creep and recovery,簡稱為MSCR)試驗(yàn),對活性橡膠瀝青高溫性能進(jìn)行研究。
DSR試驗(yàn):采用動態(tài)剪切流變儀,得到抗車轍因子G*/sinδ。MSCR試驗(yàn):采用“加載和卸載”的間歇加載模式,模擬行車荷載應(yīng)變累積過程,研究瀝青在重復(fù)單向荷載下的累計(jì)變形情況[7]。
在蠕變應(yīng)力100 Pa和3 200 Pa條件下,應(yīng)變恢復(fù)率相對差異Rdiff和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃肯鄬Σ町怞nr-diff的計(jì)算公式分別為:
(1)
(2)
式中:R100和R3200分別為100 kPa和3 200 Pa蠕變應(yīng)力下的平均應(yīng)變恢復(fù)率;Jnr100和Jnr3200分別為100 kPa和3 200 Pa蠕變應(yīng)力下的平均不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃俊?/p>
3) 反應(yīng)型活性橡膠瀝青的低溫性能
采用彎曲梁蠕變儀(bending-beam rheometer,簡稱為BBR),測定瀝青混合料的低溫性能。根據(jù)美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(strategic highway research program,簡稱為SHRP),采用蠕變勁度模量S和變形速率m,反映瀝青路面在經(jīng)過5~10 a后的低溫性能[8]。其中:蠕變勁度模量表示瀝青抵抗荷載的能力;變形速率反映瀝青的應(yīng)力松弛特性。
反應(yīng)型活性橡膠添加劑的方法為:采用150 ℃烘箱對基質(zhì)瀝青進(jìn)行高溫加熱,保證其具有良好的流動性。將基質(zhì)瀝青保持在140~160 ℃,使用高速剪切機(jī),將已稱量的活性橡膠緩慢倒入加熱瀝青中,連續(xù)攪拌30 min,以確?;钚韵鹉z在瀝青中分布均勻。得到制備好的活性橡膠與70#基質(zhì)瀝青的復(fù)合反應(yīng)型活性橡膠瀝青。
1) 針入度
針入度反映瀝青的相對粘度。反應(yīng)型活性橡膠瀝青針入度試驗(yàn)的結(jié)果如圖1所示。
圖1 反應(yīng)型活性橡膠瀝青針入度試驗(yàn)Fig.1 The penetration test of activated rubber asphalt
從圖1中可以看出,摻入10%活性橡膠后,復(fù)合活性橡膠瀝青的針入度從72(0.1 mm)下降到55(0.1 mm),針入度明顯降低。其原因是:橡膠顆粒與AMBS組成網(wǎng)狀互聯(lián)結(jié)構(gòu);同時(shí),在活性橡膠摻量增加至30%后,因網(wǎng)狀互聯(lián)結(jié)構(gòu)的存在,瀝青針入度維持在某一水平,不再降低。
2) 延度
瀝青延度是評定瀝青塑性的重要指標(biāo),反應(yīng)型活性橡膠瀝青延度試驗(yàn)的結(jié)果如圖2所示。
圖2 反應(yīng)型活性橡膠瀝青延度試驗(yàn)Fig.2 The ductility test of activated rubber asphalt
從圖2中可以看出,摻入10%活性橡膠后,70#基質(zhì)瀝青的延度(10 ℃,5 cm/min)從68 cm下降到10 cm,且瀝青延度(15 ℃)也呈現(xiàn)相同的規(guī)律,表明:活性橡膠對瀝青延度的影響較大。當(dāng)活性橡膠摻量增加至30%時(shí),延度不再降低。這與針入度指標(biāo)呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。其原因?yàn)椋孩倩钚韵鹉z中活性礦物、橡膠顆粒能夠與瀝青發(fā)生反應(yīng),形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);② 活性礦物的成分為二氧化硅,具有一定的剛性,從而使瀝青的延度降低。
3) 軟化點(diǎn)
瀝青軟化點(diǎn)用來評價(jià)瀝青的粘度、高溫穩(wěn)定性及感溫性,反應(yīng)型活性橡膠瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)的結(jié)果如圖3所示。
從圖3可以看出,摻入活性橡膠后,70#基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)得到明顯提高。隨著活性橡膠摻量的增加,軟化點(diǎn)呈現(xiàn)線性增加趨勢。表明:活性橡膠的摻入能夠很大程度地改善瀝青的軟化點(diǎn)。
圖3 反應(yīng)型活性橡膠瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)Fig.3 Softening point test of activated rubber asphalt
4) 60 ℃動力粘度
60 ℃動力粘度表示瀝青抗車轍能力,反應(yīng)型活性橡膠瀝青60 ℃動力粘度試驗(yàn)的結(jié)果如圖4所示。
圖4 反應(yīng)型活性橡膠瀝青60 ℃動力粘度試驗(yàn)Fig.4 The viscosity of rubber asphalt at 60 ℃
加入活性橡膠后,瀝青60 ℃動力粘度明顯提高。隨著活性橡膠摻量的增加,瀝青60 ℃動力粘度呈指數(shù)增長趨勢,且增幅相當(dāng)明顯。其原因是:活性橡膠與基質(zhì)瀝青形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增加了瀝青的粘度,同時(shí),活性橡膠以顆粒固體的形式存在。隨著活性橡膠摻量的增加,瀝青60 ℃動力粘度會不斷增加。
2.2.1 動態(tài)剪切流變試驗(yàn)
車轍因子G*/sinδ是瀝青高溫性能的重要指標(biāo),反映瀝青永久變形性能。其值越大,則抗車轍性能越高。DSR試驗(yàn)的結(jié)果見表2。
從表2中可以看出,無論是在老化前或老化后,隨著活性橡膠的摻入,70#基質(zhì)瀝青的車轍因子逐漸增加。且活性橡膠的摻量越大,基質(zhì)瀝青的車轍因子越大,基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性越好。表明:活性橡膠的摻入能夠很好地提高基質(zhì)瀝青的高溫性能。參考Superpave 規(guī)范[9],按原樣瀝青的車轍因子G*/sinδ≥1.0 kPa、RTFOT老化后瀝青的車轍因子G*/sinδ>2.2 kPa來劃分瀝青高溫等級(peformance grade,簡稱為PG)的標(biāo)準(zhǔn)。對于70#基質(zhì)瀝青+活性橡膠,摻量20%和30%的活性橡膠瀝青的高溫等級由64 ℃分別升高至70 ℃和82 ℃,有效地改善了基質(zhì)瀝青的高溫性能[5]。
表2 反應(yīng)型活性橡膠瀝青的DSR試驗(yàn)Table 2 DSR test of activated rubber asphalt
2.2.2 多應(yīng)力重復(fù)蠕變試驗(yàn)
MSCR試驗(yàn)研究的是車輛反復(fù)荷載對瀝青累積變形的影響,反映了道路在行車荷載的實(shí)際作用情況,MSCR試驗(yàn)的結(jié)果見表3。
表3 反應(yīng)型活性橡膠瀝青的MSCR試驗(yàn)Table 3 MSCR test of activated rubber asphalt
從表3中可以看出:① 車轍是不可恢復(fù)應(yīng)變積累形成的。不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃渴窃u價(jià)瀝青高溫抗變形能力的重要指標(biāo),即不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭叫?,瀝青的抗變形能力越好。摻入30%活性橡膠后,復(fù)合活性橡膠瀝青的Jnr100從6.780 0 減小至0.055 7,Jnr3200從7.239 0減小至0.507 4。且隨著活性橡膠摻量的增加,不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐饾u減小,即可恢復(fù)變形逐漸增加。表明:活性橡膠的摻入使瀝青的抗變形能力有較大程度的提高,達(dá)到改性瀝青的效果。② 平均應(yīng)變恢復(fù)率R表示可恢復(fù)彈性比例。平均應(yīng)變恢復(fù)率隨著活性橡膠摻量的增加而逐漸增加,即發(fā)生車轍的可能性逐漸降低。當(dāng)摻入30%活性橡膠時(shí),R100從0.33增加至89.26,達(dá)到普通改性瀝青的效果。其原因是:活性橡膠與瀝青發(fā)生反應(yīng),顯著提高了瀝青的粘度,同時(shí),橡膠顆粒的彈性部分使得變形恢復(fù)充分。表明:活性橡膠能夠提高瀝青混合料的抗車轍性能和高溫穩(wěn)定性。③Jnr-diff表示不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康膽?yīng)力敏感性,Rdiff反映平均應(yīng)變恢復(fù)率對應(yīng)力的敏感程度。隨著活性橡膠的增加,Jnr-diff呈指數(shù)增加趨勢,而平均應(yīng)變恢復(fù)率R對應(yīng)力敏感性(Rdiff)呈線性減小趨勢;由于活性橡膠在瀝青內(nèi)部形成網(wǎng)狀互聯(lián)結(jié)構(gòu),因此瀝青混合料更穩(wěn)定。
瀝青的低溫性能采用彎曲梁蠕變儀,測得蠕變勁度模量S和變形速率m。變形速率越大,則瀝青的應(yīng)力松弛性能越好。當(dāng)溫度下降而路面出現(xiàn)收縮時(shí),瀝青結(jié)合料的抗裂性能也就越好,反應(yīng)型活性橡膠瀝青彎曲梁蠕變試驗(yàn)結(jié)果見表4。
從表4中可以看出,蠕變勁度模量S隨著活性橡膠的增加而逐漸減小,變形速率m則隨著活性橡膠的增加而逐漸增加。按照S≤300 MPa、m≥0.300的技術(shù)要求,70#基質(zhì)瀝青摻入30%活性橡膠后,瀝青膠結(jié)料的低溫等級由-12 ℃升高至-18 ℃,提高了一個(gè)等級。表明:活性橡膠的摻入降低了瀝青的勁度,改善了基質(zhì)瀝青的低溫抗裂性能。
表4 反應(yīng)型活性橡膠瀝青BBR試驗(yàn)Table 4 BBP test of activated rubber asphalt
1) 常規(guī)性能試驗(yàn)表明:隨著活性橡膠摻量的增加,70#基質(zhì)瀝青的針入度和延度明顯降低。當(dāng)活性橡膠的摻量增加到30%時(shí),基質(zhì)瀝青的針入度和延度維持在一定的水平,不再降低;而基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)呈線性增長趨勢,基質(zhì)瀝青的60 ℃動力粘度呈指數(shù)增長趨勢?;钚韵鹉z的摻入能夠顯著提高瀝青膠結(jié)料的高溫性能。
2) DSR試驗(yàn)表明:活性橡膠的摻入對基質(zhì)瀝青的高溫性能有較大程度的提高。當(dāng)活性橡膠的摻量為20%和30%時(shí),瀝青PG高溫等級由64 ℃分別升高至70 ℃和82 ℃,有效地改善了基質(zhì)瀝青的高溫性能。
3) MSCR試驗(yàn)表明:隨著活性橡膠摻量的增加,Jnr-diff呈指數(shù)增加趨勢,而平均應(yīng)變恢復(fù)率對應(yīng)力敏感性(Rdiff)呈線性減小趨勢;活性橡膠在瀝青內(nèi)部形成網(wǎng)狀互聯(lián)結(jié)構(gòu),使瀝青高溫抗變形能力有較大程度的提高,達(dá)到改性瀝青的效果,使得瀝青混合料更加穩(wěn)定。
4) 低溫性能試驗(yàn)表明:活性橡膠的摻入降低了瀝青的勁度,改善了瀝青的低溫抗裂性能。在摻入30%活性橡膠后,其溫度由-12 ℃升高至-18 ℃,提升了一個(gè)等級。