羅鼎元 陸 亞 呂 剛

(1、重慶工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院,重慶 400056 2、中油路之星新材料有限公司,河南 鄭州 450000)

傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料雖然在拌和、鋪裝方面簡(jiǎn)單易行,但是施工過程中需要消耗大量的熱量,排放出大量有害氣體,對(duì)施工人員和環(huán)境帶來極大危害[1-3]。這種問題隨著道路建設(shè)的進(jìn)行是全世界各國(guó)道路學(xué)者索要面臨的問題,為此歐洲、日本、美國(guó)先后通過研究溫拌技術(shù)來解決道路建設(shè)中熱拌瀝青混合料帶來的資源消耗與環(huán)境污染問題[4-6]。同時(shí)我國(guó)公路建設(shè)規(guī)模仍在進(jìn)一步擴(kuò)大,這些問題仍會(huì)進(jìn)一步凸顯。因此為了響應(yīng)國(guó)家“綠色發(fā)展”理念,實(shí)現(xiàn)2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和的目標(biāo),達(dá)到保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排的目的,開發(fā)出“低能耗環(huán)保型”瀝青混合料代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱拌瀝青混合料才能符合可持續(xù)發(fā)展理念[7]。

因此基于上述需求,研發(fā)一種介于溫拌與冷拌技術(shù)之間的低溫改性技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料,低溫改性瀝青混合料的施工拌和溫度能降低30-50℃,同時(shí)攤鋪、碾壓的施工溫度也同比降低,在滿足路用性能的前提下大大降低了燃料能源的消耗。而且這種低溫改性技術(shù)還能夠拓寬施工環(huán)境的工作溫度范圍,延長(zhǎng)了瀝青材料建設(shè)施工期。在-20℃施工環(huán)境下可施工,大大增加了可施工的季節(jié),因此一年四季均可進(jìn)行施工,對(duì)寒冷地區(qū)的施工提供了可靠的路面鋪筑材料。低溫改性技術(shù)主要為低溫改性劑在其中發(fā)揮主要作用,主要由廢舊橡膠高聚物、廢舊塑料裂解物、高分子助劑、溶劑等組成。這種高分子材料能很好降低瀝青在拌和時(shí)的粘度,并且其中的高分子鏈段能與瀝青分子鏈進(jìn)行連接從而增強(qiáng)與瀝青的連接作用。制得的低溫改性劑與瀝青具有很好的交聯(lián)作用,易攪拌,不離析,常溫下具有一定的流動(dòng)性。將適量的改性劑與瀝青按混合攪拌均勻后,其黏度下降,可以滿足低溫施工的目的。

前述研究中發(fā)現(xiàn),自主研發(fā)制得的USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑具有低溫改性效果。而橡膠瀝青作為改性瀝青雖然具有較好的路用性能但是所需施工溫度較高,攤鋪難度大,因此可以利用USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行復(fù)合改性從而達(dá)到降低橡膠瀝青施工溫度的效果。為了研究USP 復(fù)合改性橡膠瀝青路用性能,本文首先研究了USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑對(duì)橡膠瀝青物理性能的改性效果,接著利用馬歇爾設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì),確定了復(fù)合改性瀝青混合料的最佳油石比,最后對(duì)復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑

本研究中使用的USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑為自主研發(fā),將廢胎膠粉、廢塑料、高分子助劑按照適當(dāng)比例配伍合成制得,制得改性劑形態(tài)穩(wěn)定,常溫下呈黑褐色膏狀。改性劑性能見表1。

表1 USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑性能

1.2 瀝青

本研究所用基質(zhì)瀝青為橡膠瀝青(AR),選取橡膠瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0%、5.5%、6.5%比例分別摻入制得的USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑,先手動(dòng)攪拌均勻在利用乳化剪切機(jī)剪切分散10 分鐘,靜置發(fā)育制得USP 復(fù)合橡膠改性瀝青(USAR),其中制備過程中控制剪切溫度為140°C 左右,控制轉(zhuǎn)速為800 rpm。按照上述工藝制得改性瀝青,得到各組瀝青的基本性能指標(biāo)見表2。

表2 AR 基質(zhì)瀝青和兩組瀝青性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出,USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑的摻入使得橡膠瀝青的針入度和延度顯著增大,軟化點(diǎn)及彈性恢復(fù)性能逐漸減小,并且摻入量越大這種降低幅度越大,說明USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑中的輕質(zhì)組分發(fā)揮了降低粘度的作用,隨著USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑的摻入使得橡膠瀝青質(zhì)地更軟。同時(shí)橡膠瀝青的布氏旋轉(zhuǎn)粘度隨著改性劑的摻入降低明顯,橡膠瀝青的施工溫度和施工和易性得到了顯著改善。按照規(guī)范要求,選取USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑摻量為6.5%時(shí)改性瀝青混合料,對(duì)其路用性能做進(jìn)一步研究。

1.3 USP 改性橡膠混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

研究中所采用的礦料主要由粗集料、細(xì)集料、礦粉組成,所有集料均采用石灰?guī)r。其中粗集料按規(guī)格可分為5～10(mm)、5～10(mm)、10～15(mm),粗、細(xì)集料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。本文參照AC-13C 型級(jí)配,級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 USP 復(fù)合改性橡膠瀝青混合料目標(biāo)設(shè)計(jì)級(jí)配

按照馬歇爾設(shè)計(jì)法確定USP 復(fù)合改性橡膠瀝青的最佳油石比,選取五組油石比,并對(duì)成型試件性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),試驗(yàn)結(jié)果見表4,得到USP 改性橡膠瀝青混合料的最佳油石比為6.3%。

表4 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 USP 改性橡膠瀝青混合料路用性能

2.1 高溫穩(wěn)定性能

對(duì)成型的AR-13 及USAR-13 混合料的高溫抗變形性能進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖1,USAR-13 混合料的動(dòng)穩(wěn)定度數(shù)值相較于AR-13 混合料動(dòng)穩(wěn)定度要高出17%,說明USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑的摻入對(duì)橡膠瀝青混合料成型后的高溫抗變形能力具有改善的效果,這與摻入改性劑后瀝青的變化有所不同。產(chǎn)生這一變化的原因?yàn)闉r青混合料在拌合過程發(fā)生的短期老化及后期的光照、氧氣等使得有降粘作用的小分子油分揮發(fā)掉一部分后,助劑與瀝青交聯(lián)作用增強(qiáng),膠結(jié)料黏度增長(zhǎng),USP 改性橡膠瀝青混合料的抗變形能力有所提升。

圖1 高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果

2.2 低溫抗裂性能

由圖2,同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)USAR-13 混合料的最大彎拉應(yīng)變要略低于AR-13,而USAR-13 混合料的彎曲勁度模量則要高于AR-13,可見USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑對(duì)橡膠瀝青的低溫性能具有一定的積極作用,這也與前述改性瀝青較好的低溫延展性能想驗(yàn)正,可見瀝青分子與高分子補(bǔ)償劑中物質(zhì)發(fā)生結(jié)鏈反應(yīng)也改善了膠結(jié)料的低溫性能。

圖2 低溫抗裂試驗(yàn)結(jié)果

2.3 水穩(wěn)定性能

水穩(wěn)定性試驗(yàn)主要采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)方法按照《公路工程瀝青及瀝青溷合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行制樣和檢測(cè),試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表5,USAR 混合料的浸水殘留穩(wěn)定度MS0明顯高于85%,凍融劈裂強(qiáng)度比也高于規(guī)范要求的80%,整體來看USAR-13 混合料水穩(wěn)定性能滿足規(guī)范對(duì)改性瀝青水穩(wěn)定性的要求。

2.4 耐久性

通車6 個(gè)月后,進(jìn)行USP 復(fù)合改性橡膠瀝青路面試驗(yàn)路段檢測(cè),按照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG E60-2008),現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)了瀝青路面的壓實(shí)度、彎沉值、馬歇爾穩(wěn)定度三項(xiàng)指標(biāo),檢測(cè)結(jié)果見表6 所示。

表6 試驗(yàn)路瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

表6 中的數(shù)據(jù)說明,USP 復(fù)合改性橡膠瀝青鋪筑得到路面具有較好的耐久性,在道路使用半年后仍具有較好的工作性能。

3 結(jié)論

對(duì)比USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑摻入前后橡膠瀝青及橡膠瀝青混合料性能變化,得到結(jié)論如下:

3.1 USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑的摻量為橡膠瀝青質(zhì)量的6.5%,加入后可使得橡膠瀝青針入度、延度增大,軟化點(diǎn)及彈性恢復(fù)性能減小,說明瀝青物理性能發(fā)生改變；同時(shí)橡膠瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度也呈下降趨勢(shì),說明USP 改性劑也改善了橡膠瀝青的施工溫度40℃左右,仍可以保證施工和易性。

3.2 通過馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定了USAR-13 的最佳油石比為6.3%。相較于AR-13,USAR-13 具有更好的高溫抗變形性能及抗低溫開裂性能,同時(shí)USAR-13 瀝青混合料的水穩(wěn)定性能也能滿足規(guī)范要求。綜上,USP 低溫環(huán)保節(jié)能型改性劑能夠有效降低橡膠瀝青施工溫度并具有較好的路用性能,可用于道路施工。