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        高密度納米聚乙烯改性瀝青混合料車轍性能研究

        2021-11-11 00:43:56呂玉蓉袁盛杰
        交通科技 2021年5期

        呂玉蓉 袁盛杰 王 歡 宋 淵

        (湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司 武漢 430051)

        實際工程中,由于重復(fù)的車輛荷載與胎壓的作用,致使瀝青路面的抗永久變形能力降低,從而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)壽命的降低,其中集料的類型、尺寸和膠結(jié)料類型等是重要原因。因此,選擇合適的瀝青混合料進行鋪筑對延長路面壽命至關(guān)重要。Superpave規(guī)范中采用瀝青剪切模量(G*/sinδ)參數(shù)來評估瀝青路面的車轍性能,即提高剪切模量可增強路面的車轍性能[1]。研究發(fā)現(xiàn),聚合物改性劑能增強集料與瀝青的黏附力,可有效提高瀝青剪切模量,從而提高瀝青混合料的車轍性能[2]。然而,由于制備過程中聚合物改性瀝青容易發(fā)生氧化與分解反應(yīng),其相容性與穩(wěn)定性值得商榷。因此,目前研究試圖尋求一種新的聚合物來解決此問題,有研究發(fā)現(xiàn)[3]納米技術(shù)作為一種在分子結(jié)構(gòu)上構(gòu)建的新材料,其對材料的宏觀性能影響顯著。

        近年來,采用納米材料改性的瀝青及其混合料的性能得到了廣泛的研究。由于納米材料具有較大的表面積、高分散能力、強吸附性、高穩(wěn)定性且顆粒較小,其能提高瀝青與材料之間的相容性[4]。常用的納米改性材料有納米二氧化硅、二氧化鈦、納米氧化鋅與納米三氧碳酸鈣等[5]。此外,目前大多數(shù)聚合物改性瀝青的生產(chǎn)主要集中在單質(zhì)彈性體上,例如,SBS改性瀝青,這種聚合物價格昂貴,并且在生產(chǎn)過程中需要專用設(shè)備進行攪拌,工藝較為復(fù)雜,從而生產(chǎn)成本更高[6]。研究表明,納米高密度聚乙烯(NHDPE)顆粒的性價比高,原因在于其主要從廢塑料瓶與土工膜生產(chǎn)中加工得到,且也可從塑料管、耐腐蝕管道中回收[7]。

        基于此,本研究采用納米高密度聚乙烯顆粒對基質(zhì)瀝青進行改性,并采用基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青作為對比,研究改性瀝青的流變性能與瀝青混合料的車轍性能、水穩(wěn)定性能等,評估NHPDE瀝青混合料在高溫下的永久變形能力。

        1 原材料與試驗方法

        1.1 原材料與配合比

        選用70號基質(zhì)瀝青用于制備改性瀝青,其性能指標見表1。

        表1 70號基質(zhì)瀝青性能指標

        選用熱塑性高密度聚乙烯(HDPE)作為改性劑,主要原因在于與其他聚合物相比,其適用性強及性價比高,可較好地改善瀝青的流變特性。HDPE的密度大于0.94 g/cm3,粒徑小于100 nm,因此也被稱為納米高密度聚乙烯(NHDPE)。選用另一種聚合物改性瀝青用于比較,即苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)。試件成型采用AC-13型細粒式瀝青混合料,集料選用石灰?guī)r。其中,改性劑與填料的性能指標見表2,級配曲線圖見圖1,

        表2 NHDPE、SBS改性劑與石灰石填料性能指標

        圖1 瀝青混合料集料級配設(shè)計曲線

        1.2 試驗設(shè)計

        1.2.1制備NHDPE和SBS改性瀝青

        采用高速剪切儀制備NHDPE改性瀝青,首先稱取3 000 g的基質(zhì)瀝青裝于試驗杯中,然后稱取3%和5%摻量的NHDPE聚合物,在15 min內(nèi)緩慢加入至試驗杯中,以保證聚合物在基質(zhì)瀝青中的相容性、均質(zhì)性與穩(wěn)定性,剪切速率為2 220 r/min,溫度控制在(150±10) ℃,剪切時長為2 h。

        同樣地,在基質(zhì)瀝青中摻入質(zhì)量分數(shù)為3%和5%的SBS改性劑進行剪切,以獲得SBS改性瀝青,剪切速率為2 220 r/min,溫度控制在180 ℃左右,剪切時長為4 h,以確保SBS改性劑在基質(zhì)瀝青中完全分散與反應(yīng)。

        1.2.2確定拌和及壓實溫度

        根據(jù)JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T0625-2011試驗方法,測定2種溫度下基質(zhì)瀝青、NHDPE和SBS改性瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度,以確定混合料試驗的拌和與壓實溫度,試驗結(jié)果見圖2。由圖2可知,與基質(zhì)瀝青相比,NHDPE改性瀝青的拌和及壓實溫度略有提高,而SBS改性瀝青的拌和及壓實溫度最高??梢钥吹剑瑩搅抠|(zhì)量分數(shù)為3%和5%的NHDPE改性劑拌和溫度約為(163~168) ℃,SBS改性瀝青相比NHDPE改性瀝青的拌和溫度高出(15~25) ℃。

        圖2 不同瀝青膠結(jié)料的拌合與壓實溫度試驗結(jié)果

        由圖2還可以看出,SBS改性瀝青混合料的壓實溫度高于170 ℃,而NHDPE改性瀝青混合料的壓實溫度為150 ℃左右,與基質(zhì)瀝青壓實溫度差異不大。已有研究表明[8],提高瀝青混合料的拌和和壓實溫度,可能會由于更快的氧化作用而使瀝青膠結(jié)料老化,且溫度的升高導(dǎo)致更多的能量消耗并帶來更多的廢氣排放。由此可見,NHDPE改性瀝青拌和與壓實溫度相比于SBS改性瀝青較低,這為一明顯優(yōu)勢。

        1.2.3確定最佳瀝青用量

        根據(jù)試驗級配,初擬4個瀝青用量,分別為4.3%,4.8%,5.3%,5.8%,采用馬歇爾擊實法,正反面各擊實75次,最終成型的試件尺寸為直徑×高度=101.6 mm×63.5 mm。測試不同瀝青用量下瀝青混合料的空隙率、礦料間隙率、飽和度、穩(wěn)定度及流值,其中穩(wěn)定度試驗開始前,試件須放入規(guī)定溫度的恒溫水槽中保溫30~40 min,同時上下壓頭也必須保溫到規(guī)定的溫度,試驗時,加載速率為50 mm/min。最終綜合體積參數(shù)測試結(jié)果和穩(wěn)定度及流值得到混合料成型的最佳瀝青用量為4.9%。

        1.2.4車轍板的制備及測試

        根據(jù)規(guī)范要求,采用RCENLD-II氣動型振動壓實機成型尺寸為400 mm×300 mm×50 mm的車轍板試件,目標空隙率為8%。采用輪轍試驗機評定瀝青混合料的車轍性能,試驗溫度為40 ℃,胎壓為0.7 MPa。試驗過程中,試驗輪在試件表面中心的行駛距離為(23±1) cm,并保持(26.5±1)荷載循環(huán)/min的恒定頻率進行加載。加載方式為應(yīng)力控制,加載過程中當達到10 000次加載循環(huán)或直至試件車轍深度達到25 mm時(以先達到者為準),記錄試件表面的變形量,試驗結(jié)果取2次試驗的平均值。具體試驗過程見圖3。

        圖3 車轍板制作與制備

        2 結(jié)果與分析

        2.1 流變車轍因子G*/sin δ

        車轍因子G*/sinδ用于評估基質(zhì)和改性瀝青混合料抵抗永久變形能力的一個參數(shù)。本文采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)測試了一定溫度范圍內(nèi)的車轍因子,測試結(jié)果見表3,分別為經(jīng)旋轉(zhuǎn)薄膜(RTFO)老化前后的基質(zhì)瀝青和改性瀝青的G*/sinδ值。

        表3 老化前后基質(zhì)與改性瀝青膠結(jié)料在不同溫度下的G*/sin δ值

        老化前后基質(zhì)與改性瀝青膠結(jié)料在不同溫度下的G*/sinδ值對比圖分別見圖4和圖5。

        圖4 老化前基質(zhì)與改性瀝青膠結(jié)料在不同

        圖5 老化后基質(zhì)與改性瀝青膠結(jié)料在不同

        由圖4和圖5可知,G*/sinδ值隨溫度變化較大,并隨聚合物(SBS和NHDPE)摻量的增加而增加,不同溫度下,SBS相比于NHDPE的G*/sinδ值更高,表明其更能有效地改善高溫性能。例如,在64 ℃試驗溫度下,相比于基質(zhì)瀝青的G*/sinδ值,未老化前,3%和5%摻量的SBS改性瀝青G*/sinδ值分別提高了2.7倍與4.6倍,而NHDPE改性瀝青G*/sinδ值則僅提高了1.9倍與2.4倍;老化后,3%和5%摻量的SBS改性瀝青G*/sinδ值分別提高了的3.2倍與5.6倍,而NHDPE改性瀝青G*/sinδ值則僅提高了1.9倍與2.6倍。

        2.2 低溫蠕變勁度參數(shù)與M值

        采用彎曲梁流變儀(BBR)設(shè)備測試低溫條件下改性瀝青的蠕變勁度和應(yīng)力松弛性能。瀝青膠結(jié)料的低溫蠕變勁度參數(shù)測試結(jié)果見圖6。

        圖6 不同瀝青膠結(jié)料的低溫蠕變勁度參數(shù)測試結(jié)果

        由圖6可知,2種改性劑均提高了基質(zhì)瀝青的蠕變勁度,但NHDPE改性瀝青的蠕變勁度優(yōu)于SBS改性瀝青。例如,摻量為5%的SBS改性瀝青蠕變勁度比基質(zhì)瀝青提高了18%,而摻量為5%的NHDPE改性瀝青的蠕變勁度則比基質(zhì)瀝青提高了32%。

        不同瀝青M值試驗結(jié)果圖見圖7。

        圖7 不同瀝青膠結(jié)料的M值測試結(jié)果

        由圖7可見,與基質(zhì)瀝青相比,2種改性瀝青的M值均有所減小,且3%和5%摻量的SBS改性瀝青M值減小程度均低于NHDPE改性瀝青。改性劑的摻入雖然降低了M值,但其大小并未低于規(guī)范要求的極限值0.3(溫度為-6 ℃時)。因此,改性劑對膠結(jié)料的低溫性能有負面影響,但對于非極端寒冷的氣候,這種影響可忽略不計。

        2.3 車轍深度

        不同類型瀝青混合料的車轍深度測試結(jié)果圖見圖8。由圖8可知,基質(zhì)瀝青混合料的車轍深度為17 mm,改性瀝青混合料的車轍深度相對更低。摻量為3%和5%的SBS改性瀝青混合料車轍深度相對于基質(zhì)瀝青混合料分別降低了29%和53%,而摻量為3%和5%的NHDPE改性瀝青混合料車轍深度的降低分別為41%和71%。該現(xiàn)象與G*/sinδ測試結(jié)果變化趨勢相反。因此,可以認為,當使用不同的聚合物進行改性時,顯然不能通過簡單的測量線性黏彈性指標(例如,G*/sinδ)來預(yù)測聚合物對瀝青混合料車轍性能的真實影響。

        圖8 不同瀝青混合料車轍深度測試結(jié)果

        此外,與NHDPE和基質(zhì)瀝青混合料相比,由于瀝青的黏度較高,SBS改性瀝青混合料拌和與壓實時需消耗更多能量。因此,從上述試驗結(jié)果可以得到,與SBS改性瀝青混合料相比,NHDPE改性瀝青混合料具有更低的車轍深度和黏度,表明使用NHDPE可以顯著改善瀝青混合料車轍性能,且能降低原材料成本,具有顯著的經(jīng)濟效應(yīng)。

        2.4 劈裂抗拉強度(ITS)

        為了評估瀝青混合料的抗裂性能和水穩(wěn)定性,根據(jù)規(guī)范測試了干燥和凍融條件下試件的劈裂抗拉強度,并計算凍融劈裂強度比(TSR)。為了準確測試干燥條件下試件的強度,通過在混合料中摻入2種填料(石灰和水泥),以降低空氣中水分對干燥抗拉強度測試結(jié)果帶來的影響。

        使用石灰填料的瀝青混合料的劈裂抗拉強度見圖9,瀝青混合料的TSR圖見圖10。由圖9a)可知,在干燥條件下,相比于基質(zhì)瀝青混合料的劈裂抗拉強度,摻量為3%的SBS改性瀝青混合料及NHDPE改性瀝青混合料劈裂抗拉強度分別提高了16%,35%。表明NHDPE改性瀝青混合料相比SBS改性瀝青混合料具有更好的抗裂性能。圖10結(jié)果表明,相對于基質(zhì)瀝青的TSR,SBS與NHDPE改性瀝青混合料的TSR分別增加了5%和9%,表明聚合物改性劑混合料的水穩(wěn)定性能得到提升。

        圖9 不同瀝青混合料在干燥與凍融條件下的劈裂抗拉強度

        圖10 不同瀝青混合料TSR值

        使用水泥填料的瀝青混合料的劈裂抗拉強度結(jié)果圖見圖9b),由圖9b)、圖10中數(shù)值可知,2種改性瀝青混合料劈裂抗拉強度和TSR更高,其大小關(guān)系與使用石灰填料時的試驗結(jié)果一致。且與基質(zhì)瀝青相比,NHDPE改性瀝青的抗拉強度提高了30%以上,TSR值的提高約為10%,進一步表明NHDPE改性瀝青相比SBS改性瀝青對提高混合料的抗裂性能及水穩(wěn)定性更顯著。

        3 結(jié)論

        本研究制備了摻量為3%和5%的2種聚合物(SBS和納米高密度聚乙烯(NHDPE))改性瀝青,通過測試瀝青的流變性能與低溫性能,以及瀝青混合料的車轍性能、抗裂性能與水穩(wěn)定性,對比了2種改性瀝青與基質(zhì)瀝青及其混合料之間的性能測試結(jié)果,得到以下結(jié)論。

        1) SBS改性瀝青黏度高于NHDPE改性瀝青與基質(zhì)瀝青,尤其摻量為5%時更為明顯。SBS改性瀝青具有更高的拌和與壓實溫度,導(dǎo)致耗能更大,經(jīng)濟效益更差。

        2) 流變性能測試結(jié)果表明同摻量的SBS改性瀝青G*/sinδ值高于NHDPE改性瀝青,前者對改善高溫性能更好。SBS與NHDPE對改善瀝青低溫性能均有負面影響,但其影響程度可忽略不計。

        3) 車轍深度結(jié)果表明摻量為3%與5%的NHDPE改性瀝青混合料相比于同摻量的SBS改性瀝青混合料的抗車轍性能更好。因此,僅簡單的測量線性黏彈性指標(G*/sinδ)不能充分評估對比不同改性瀝青混合料的抗車轍性能,實際工程中需要引起重視。

        4) NHDPE改性瀝青混合料相比于SBS改性瀝青混合料的抗裂性能與水穩(wěn)定性更好。其中,凍融循環(huán)前后NHDPE的劈裂抗拉強度相比基質(zhì)瀝青混合料更大,TSR值變化幅度約在10%內(nèi)。

        5) 對于高溫、重載車輛多的地區(qū)新建瀝青路面鋪設(shè)及現(xiàn)有瀝青路面的維修養(yǎng)護,可采用NHDPE改性瀝青,其環(huán)保與經(jīng)濟效益顯著。

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