杜姣姣 張明明 周有安

(重慶重交再生資源開(kāi)發(fā)股份有限公司 重慶市瀝青路面再生工程技術(shù)研究中心，重慶 401121)

0 引言

根據(jù)《國(guó)家環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》的精神，樹(shù)立科學(xué)發(fā)展觀，走可持續(xù)發(fā)展道路，建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型生態(tài)城市。國(guó)家出臺(tái)政策給予“海綿城市”建設(shè)的高度重視，而透水瀝青路面為“海綿城市”建設(shè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，透水路面是面層透水基層不透水的路面，這類路面能有效減小噪聲[1,2]，適應(yīng)城市交通荷載作用，對(duì)城市暴雨的管理和補(bǔ)充地下水資源起到重要作用。透水瀝青混合料是典型骨架空隙結(jié)構(gòu)的開(kāi)級(jí)配混合料[3],相較一般的瀝青路面，其主要的結(jié)構(gòu)特征是孔隙率較高(我國(guó)規(guī)范要求大于18%)，因而也被稱為多孔性路面。其中透水瀝青路面中最核心的技術(shù)為高黏改性劑改性制得的高黏改性瀝青。為此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)很多道路工作者都致力于高黏改性劑的研發(fā)[4-9]，已經(jīng)取得了一部分成果并且進(jìn)行了試驗(yàn)段的鋪設(shè)，但是存在的問(wèn)題依然不少。目前，國(guó)內(nèi)使用的高黏度改性瀝青大部分仍然依靠進(jìn)口，購(gòu)買價(jià)格比較昂貴。因此，研發(fā)出一種適用于國(guó)內(nèi)的且價(jià)格相對(duì)低廉的高黏改性劑具有重要意義。

1 原材料性質(zhì)

不同的改性劑改性機(jī)理與改性效果各不相同，各自針對(duì)的側(cè)重點(diǎn)也不一樣，常用的改性劑主要有SBS，SBR，EVA(乙烯醋酸乙蛹共聚物)和橡膠等[10]。本次選用這四種改性劑(SBS、橡膠粉、樹(shù)脂、油)作為原材料，加入到瀝青以后分別與瀝青的四組分發(fā)生反應(yīng)[11]，穩(wěn)定的分散在瀝青中而不出現(xiàn)離析的現(xiàn)象[12],從而產(chǎn)生一系列瀝青性能的改善，根據(jù)各自的側(cè)重點(diǎn)達(dá)到一個(gè)相輔相成的效果。

1.1 基質(zhì)瀝青

制備高黏改性瀝青的基質(zhì)瀝青選用70號(hào)基質(zhì)瀝青，根據(jù)JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[13]要求，按照J(rèn)TG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行性能試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果滿足規(guī)范要求，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2 SBS

本次選用目前道路上比較成熟的SBS改性劑作為高黏改性劑的主要成分，SBS易吸收瀝青中的飽和酚發(fā)生溶脹，溶脹后的SBS極性更接近膠質(zhì)，瀝青組分對(duì)聚合物粒子的充分溶脹和聚合物粒子對(duì)瀝青組分的良好吸附是對(duì)瀝青進(jìn)行聚合物改性，能夠提高瀝青的韌性、延展性、抗疲勞性和抗剝離能力等性能[14]。

1.3 橡膠粉

橡膠粉是橡膠粉末的簡(jiǎn)稱，一般用廢舊輪胎加工而成。常采用的加工方法有：常溫粉碎法、冷凍法、常溫化學(xué)法。不同生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的膠粉對(duì)瀝青的性能也不同。廢輪胎膠粉常用做瀝青的改性劑，這是因?yàn)閺U胎膠粉的主要化學(xué)成分有合成橡膠、可塑劑、炭黑及灰分等。天然橡膠、合成橡膠具有較強(qiáng)的彈性和韌性，分子結(jié)構(gòu)一般為線型、支鏈型或交鏈型。經(jīng)硫化后，橡膠分子形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，橡膠的彈性、韌性、強(qiáng)度及耐磨性都得到顯著提高，加入到瀝青里面可以顯著改善其低溫性能，可以說(shuō)是既環(huán)保又節(jié)約成本。

1.4 樹(shù)脂

石油樹(shù)脂具有較好的粘結(jié)性，橡膠中加入石油樹(shù)脂能起到增粘、補(bǔ)強(qiáng)、軟化的作用。高黏改性劑瀝青一個(gè)重要的指標(biāo)便是60 ℃的動(dòng)力粘度，增粘的作用便是增加高黏改性瀝青的動(dòng)力粘度，瀝青動(dòng)力粘度的提高，可以明顯增加粗集料顆粒之間的點(diǎn)粘結(jié)能力，對(duì)于瀝青混合料的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性都有良好的提升作用。但是僅加入熱塑性樹(shù)脂難以使瀝青膠結(jié)料的包裹性和黏附性滿足要求,需配合熱塑性彈性體類改性劑加以使用[15]。

1.5 油

環(huán)烷油來(lái)自天然石油，價(jià)格低廉、來(lái)源可靠，并且由于其特有的結(jié)構(gòu)，環(huán)烷油有著與某些樹(shù)脂及聚合物優(yōu)良的兼容性，并且與橡膠有著良好的增塑與互溶性。因此，選用環(huán)烷油來(lái)作為改性劑的增塑劑，促使橡膠塑化成型，增加熱塑性橡膠與瀝青的相容性。

2 高黏改性瀝青材料配方正交設(shè)計(jì)

2.1 因素與水平的選擇

試驗(yàn)所選取的4個(gè)因素分別為橡膠粉、SBS、油、樹(shù)脂各自的摻量。分別將其命名為A，B，C，D。其各因素水平根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)參考如表2所示。

表2 各因素水平表

表2中各水平代表該因素占瀝青質(zhì)量的百分比，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的水平和因素選取，本次研究正交實(shí)驗(yàn)組數(shù)確定為9組，分別測(cè)試每一組的三大指標(biāo)以及動(dòng)力黏度對(duì)各因素進(jìn)行初步的判斷，從正交表中選取L9(34)的正交表格實(shí)驗(yàn)安排，具體排列及測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，表4。

表3 正交試驗(yàn)表

表4 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.2 各因素水平極差分析

將正交試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行各因素水平極差分析，確定各因素的最優(yōu)組合，通過(guò)4組最優(yōu)組合確定高黏改性劑的配方。具體數(shù)據(jù)如表5～表8所示。

根據(jù)表5～表8的極差分析，通過(guò)k值確定各因素優(yōu)化水平組合：

針入度：A1B1C2D3，延度：A3B3C1D1。

軟化點(diǎn)：A3B3C3D1，黏度：A3B3C2D1。

表5 針入度極差分析表

表6 延度極差分析表

表7 軟化點(diǎn)極差分析表

表8 黏度極差分析表

由于黏度與延度是較難控制的兩個(gè)指標(biāo)，因此優(yōu)先從黏度與延度指標(biāo)中進(jìn)行選擇，從黏度與延度的優(yōu)組合A3B3C1D1以及A3B3C2D1可以看出，兩個(gè)優(yōu)選組合均出現(xiàn)了A3，B3，D1，所以可以確定的優(yōu)水平為A3，B3，D1，然后通過(guò)觀察因素C每個(gè)水平出現(xiàn)的頻率，C2出現(xiàn)次數(shù)最多，同時(shí)發(fā)現(xiàn)因素C在C2水平時(shí)各指標(biāo)數(shù)據(jù)都比較完美，因此確定C因素優(yōu)水平為C2，暫定最佳配方組合為A3B3C2D1。即橡膠粉5%，SBS 6%，油1%，樹(shù)脂1%。由于此比例為該因素占瀝青質(zhì)量的百分比，調(diào)整為高黏改性劑配方為：橡膠粉∶SBS∶油∶樹(shù)脂=38∶46∶8∶8。

3 高黏改性劑配方驗(yàn)證

得出正交實(shí)驗(yàn)確定高黏改性劑初步配比，需要進(jìn)一步進(jìn)行高黏改性瀝青性能的驗(yàn)證以確定配方的效果及穩(wěn)定程度，驗(yàn)證摻量為基質(zhì)瀝青的12%，使用剪切方法為JT/T 860.2—2013瀝青混合料改性添加劑 第2部分：高黏度添加劑[16]附錄B推薦方法：

1)用電子天平稱量500 g基質(zhì)瀝青試樣放于盛樣器中，在烘箱中加熱180 ℃。

2)按照比例稱取一定質(zhì)量的高黏度添加劑，加入到瀝青中并用玻璃棒攪拌均勻。

3)使用剪切機(jī)按照4 000 r/min～5 000 r/min速率對(duì)瀝青剪切30 min，剪切過(guò)程中溫度維持在(180±10)℃。

4)關(guān)閉剪切機(jī)，將制備好的高黏添加劑改性瀝青放入(180±5)℃烘箱中發(fā)育30 min，完成后立即澆模進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

配方驗(yàn)證相關(guān)數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 高黏改性瀝青實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表9可以看出，高黏改性劑配方橡膠粉∶SBS∶油∶樹(shù)脂=38∶46∶8∶8，通過(guò)交通部規(guī)范要求剪切方法進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，各指標(biāo)均符合JT/T 860.2—2013瀝青混合料改性添加劑 第2部分：高黏度添加劑要求，且效果良好，對(duì)瀝青有著很好的改性效果。因此可以確定高黏改性劑配方：橡膠粉∶SBS∶油∶樹(shù)脂=38∶46∶8∶8可以作為一種新型的高黏改性劑來(lái)對(duì)瀝青進(jìn)行改性，但同時(shí)也需要進(jìn)一步驗(yàn)證混合料的性能是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 OGFC瀝青混合料性能驗(yàn)證

JT/T 860.2—2013瀝青混合料改性添加劑 第2部分：高黏度添加劑規(guī)定高黏度添加劑可用于各種熱拌瀝青混合料。但是目前道路行業(yè)中普遍用于排水瀝青路面中。因此將其用于OGFC-13排水瀝青混合料中進(jìn)行路用性能的驗(yàn)證。由于此高黏改性劑還處于室內(nèi)驗(yàn)證階段，沒(méi)有到工廠制作改性劑顆粒小樣這一階段，故此次采用濕法拌和混合料，直接使用高黏改性瀝青進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

室內(nèi)試驗(yàn)用高黏度添加劑改性瀝青混合料拌和、成型溫度控制參數(shù)如表10所示。

表10 瀝青混合料溫度控制表

根據(jù)規(guī)范要求溫度控制，進(jìn)行混合料的攪拌與性能驗(yàn)證，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表11所示。

表11 高黏改性瀝青混合料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表11中數(shù)據(jù)可以看出，此次高黏改性瀝青混合料的試驗(yàn)基本能滿足規(guī)范要求，其中尤其重要的飛散試驗(yàn)指標(biāo)也是效果突出。飛散試驗(yàn)主要就是測(cè)試混合料集料之間的點(diǎn)粘結(jié)能力，粘結(jié)能力越好，混合料的表面集料越不容易脫落和散失，說(shuō)明瀝青在常溫的條件下黏度越高，高黏改性劑給瀝青帶來(lái)的性能提升就越好。其他指標(biāo)比如高溫穩(wěn)定性、殘留穩(wěn)定度等等，也都優(yōu)于一般的混合料，進(jìn)一步證明了該配方高黏改性劑的優(yōu)異性，可開(kāi)始試用。

5 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析，從各因素的最優(yōu)組合確定高黏改性劑配方為橡膠粉∶SBS∶油∶樹(shù)脂=38∶46∶8∶8。2)基于高黏改性劑配方剪切得到高黏改性瀝青進(jìn)行性能驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)均符合JT/T 860.2—2013瀝青混合料改性添加劑 第2部分：高黏度添加劑規(guī)范要求，表現(xiàn)出良好的混合料路用性能。3)采用濕法進(jìn)行高黏改性瀝青混合料(OGFC-13)的性能驗(yàn)證，飛散效果尤為突出，其他性能也均是符合要求。確定該配方作為一種新型的高黏改性劑能夠?qū)r青進(jìn)行改性并帶來(lái)優(yōu)異的瀝青及混合料性能提升的效果。4)此次研究只是建立在實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，還沒(méi)有到工廠化小樣生產(chǎn)的階段，下一階段將進(jìn)行小樣的小試、中試。且此次混合料實(shí)驗(yàn)也是采用的濕法進(jìn)行，干法能否達(dá)到同樣的效果也是需要繼續(xù)驗(yàn)證。5)缺少與其他同類高黏改性劑的對(duì)比以及不同摻量帶來(lái)的改性效果驗(yàn)證。6)對(duì)高黏改性機(jī)理的分析比較淺顯，后期還需要查閱相關(guān)的文獻(xiàn)以及大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)支撐自己的理論知識(shí)。