李 洋,賀晶晶,包想軍,陳書軍,陳雙蠻,郝如升

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;2. 中國(guó)水利水電第三工程局有限公司,西安 710024)

0 前 言

水工瀝青混凝土目前使用的瀝青多為國(guó)產(chǎn)70號(hào)或90號(hào)基質(zhì)瀝青,低溫脆高溫淌的特性顯著,不能滿足黏度高、耐老化、溫度敏感性低的要求[1-2],因此需要對(duì)瀝青進(jìn)行改性。而道路工程多使用聚合物改性劑調(diào)整瀝青性能,比如SBS、膠粉等高聚物彈性體[3-4]。研究表明[5-7],對(duì)比基質(zhì)瀝青,膠粉改性瀝青高低溫性能和水穩(wěn)定性均大幅提高。此外,王國(guó)清等人[8]對(duì)大摻量膠粉改性瀝青進(jìn)行疲勞性能研究,膠粉(AR)摻量為30%～50%,經(jīng)過瀝青加速老化試驗(yàn)后,疲勞性能排序?yàn)?AR40>AR30>AR50>SBS>70號(hào)基質(zhì)瀝青。脫硫處理后的膠粉,對(duì)瀝青的全項(xiàng)性能尤其是儲(chǔ)存穩(wěn)定性有利。董大偉[9]發(fā)現(xiàn)脫硫膠粉制備的改性瀝青綜合性能進(jìn)一步大幅提升。李純等人[10]采用力化學(xué)制備脫硫膠粉并制備改性瀝青,結(jié)果表明力化學(xué)脫硫膠粉改性瀝青的高低溫性能、彈性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性增強(qiáng)。王朝輝等人[11]為解決穩(wěn)定性差的問題,制備了SBS/膠粉復(fù)合改性新疆瀝青,評(píng)價(jià)了不同光熱和凍融條件下的耐久性能,結(jié)果表明,SBS/CR-S瀝青和SBS/CR-N瀝青具有良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性、高低溫性能和耐久性。

在大陸性季風(fēng)氣候條件下,抽水蓄能電站工程面臨低溫施工困境[12],并且瀝青混凝土面板及心墻需承受復(fù)雜水力條件和水壓力沖擊[13]。因此,低溫下瀝青混凝土抗裂性能尤為重要。閆景晨等人[14-15]通過小梁彎曲實(shí)驗(yàn)及數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)探究了玄武巖纖維復(fù)合布敦巖瀝青改性瀝青混凝土在寒冷地區(qū)的適用性,結(jié)果表明,該混凝土凍斷溫度及轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度低,裂縫寬度小,開裂關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)延緩,低溫抗裂性能優(yōu)異。姜鑫龍等人[16]基于半圓彎曲試驗(yàn)研究了5種抗裂性能指標(biāo)的適用性,結(jié)果表明:J積分能夠更好地區(qū)分具有不同特征的瀝青混凝土。李小斌[17]采用抗裂性能優(yōu)良的新型SBS/橡膠復(fù)合改性瀝青與RAP料拌合發(fā)現(xiàn),復(fù)合改性瀝青再生瀝青混合料可延伸路面的服役溫度范圍6℃。付軍等人[18]采用基于二維細(xì)觀有限元模型和基于非接觸式光學(xué)的劈裂實(shí)驗(yàn)方法,分析裂紋產(chǎn)生過程的應(yīng)變狀態(tài),結(jié)果表明瀝青混凝土的破壞通常始于粘結(jié)料。目前,膠粉改性瀝青相關(guān)研究均以道路工程的性能指標(biāo)為基準(zhǔn),與水利水電工程施工與應(yīng)用環(huán)境適配度不高。已有的低溫抗裂性能研究主要對(duì)象是瀝青混凝土,膠粉改性瀝青的相關(guān)研究較少,而瀝青性質(zhì)對(duì)混凝土低溫性能至關(guān)重要。

基于此,本文選擇糠醛抽出油以及微波輻射方法進(jìn)行膠粉預(yù)處理,制備膠粉改性瀝青,旨在分析糠醛抽出油摻量及微波輻射功率對(duì)膠粉改性瀝青性能的影響以及膠粉改性瀝青的低溫抗裂性能,通過針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)分別表征糠醛抽出油對(duì)膠粉改性瀝青中溫、高溫性能的影響,通過延度試驗(yàn)和低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)分析低溫抗裂性能,并采用布氏黏度試驗(yàn)、離析軟化點(diǎn)差試驗(yàn)檢驗(yàn)其工作性能,為膠粉改性瀝青混凝土施工提供技術(shù)支持。

1 原材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

(1) 研究選用的基質(zhì)瀝青為70號(hào)石油瀝青,其主要技術(shù)性質(zhì)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青主要技術(shù)性質(zhì)

(2) 本文選用30目廢舊輪胎膠粉,其主要技術(shù)性質(zhì)見表2。

表2 廢舊輪胎膠粉主要技術(shù)性質(zhì)

(3) 糠醛抽出油為草綠色,耐高溫、高黏、低揮發(fā)、低蠟含量。是潤(rùn)滑油生產(chǎn)過程中使用溶劑提取法得到的芳烴副產(chǎn)品,可作為石油系橡膠油、調(diào)和瀝青組分、改性瀝青相容劑,其主要技術(shù)性質(zhì)見表3。

表3 糠醛抽出油主要技術(shù)性質(zhì)

(4) 粗集料和細(xì)集料為玄武巖軋制而成,填料為石灰?guī)r磨細(xì)礦粉,其物理指標(biāo)分別見表4、5和表6。

表4 粗集料物理指標(biāo)

表5 細(xì)集料物理指標(biāo)

表6 礦粉物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

本文根據(jù)DL/T 5362-2018《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度實(shí)驗(yàn),分別表征膠粉改性瀝青的中溫性能、高溫性能、低溫性能。參照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行布氏黏度試驗(yàn)、離析軟化點(diǎn)差試驗(yàn)及彎曲蠕變勁度試驗(yàn),表征低溫抗裂性能以及工作性。

2 膠粉改性瀝青制備

2.1 預(yù)處理膠粉制備

本文對(duì)膠粉進(jìn)行糠醛抽出油-微波復(fù)合預(yù)處理,以改善膠粉與瀝青相容性,緩解施工過程中的離析問題。具體操作過程如下:將糠醛抽出油按照一定比例摻配到膠粉中,攪拌均勻放置在55～60℃的烘箱中保溫,期間需多次攪拌;保溫3 h后,取出膠粉置于瓷碗中,進(jìn)行微波輻射;預(yù)處理后的膠粉溫度約為50～80℃,將膠粉取出晾涼后備用。

2.2 預(yù)處理膠粉改性瀝青制備

預(yù)處理膠粉改性瀝青的制備過程如下:① 將桶裝基質(zhì)瀝青置于150℃烘箱中軟化至流動(dòng),分裝到缸子中;② 使用恒溫加熱臺(tái)將瀝青加熱至160℃左右,分次加入預(yù)處理膠粉,質(zhì)量為瀝青質(zhì)量的18%,繼續(xù)升溫至175～190℃,轉(zhuǎn)子速度為1 000 rad/min,攪拌時(shí)間1 h;③ 放入165℃烘箱中發(fā)育0.5 h,得到預(yù)處理膠粉改性瀝青,用于后續(xù)試驗(yàn)。

預(yù)處理膠粉改性瀝青工藝參數(shù)及試驗(yàn)方案見表7。

表7 預(yù)處理膠粉改性瀝青工藝參數(shù)及試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 針入度試驗(yàn)

針入度是表征中溫下(25℃)瀝青的稠度,針入度越大,代表稠度越小。糠醛抽出油對(duì)膠粉改性瀝青針入度的影響如圖1所示。

圖1 膠粉改性瀝青針入度

圖1表明,隨糠醛抽出油摻量增加,CA瀝青的針入度逐漸增大。這是因?yàn)?糠醛抽出油預(yù)溶脹膠粉,減少了膠粉對(duì)瀝青輕質(zhì)組分的直接吸收,避免了因?yàn)r青中大量輕質(zhì)組分流失導(dǎo)致的稠度過高,因此,糠醛抽出油預(yù)溶脹處理增大了膠粉改性瀝青的針入度?？啡┏槌鲇蛽搅坎怀^3%時(shí),針入度增大的幅度較大,大于3%時(shí),針入度增加幅度較平緩。另外,糠醛抽出油摻量相同時(shí),微波功率增大,針入度也會(huì)增大。這是因?yàn)槲⒉ㄆ茐牧四z粉的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),膠粉與瀝青互溶的過程中,膠粉更易分散。同時(shí),從試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),調(diào)整不同的微波功率和糠醛抽出油摻量,預(yù)處理膠粉改性瀝青可以達(dá)到相同的針入度,該現(xiàn)象表明,微波功率和糠醛抽出油摻量對(duì)膠粉改性瀝青針入度的影響具有可替代性。

3.2 軟化點(diǎn)試驗(yàn)

軟化點(diǎn)一定程度上可以表征瀝青的高溫穩(wěn)定性,軟化點(diǎn)越高,代表瀝青在高溫環(huán)境下越穩(wěn)定?？啡┏槌鲇蛯?duì)膠粉改性瀝青軟化點(diǎn)的影響如圖2所示。

圖2 膠粉改性瀝青軟化點(diǎn)

圖2表明,隨糠醛抽出油摻量增加,CA瀝青的軟化點(diǎn)逐漸減小。這是因?yàn)?糠醛抽出油預(yù)溶脹作用使膠粉表面蓬松,與瀝青混溶程度增加,導(dǎo)致膠粉改性瀝青變軟。值得注意的是,糠醛油摻量增大的過程中,微波功率對(duì)改性瀝青軟化點(diǎn)的影響變小。

3.3 延度試驗(yàn)

延度表示瀝青在-5℃水浴下受到拉力時(shí)抵抗斷裂的能力,與瀝青內(nèi)聚力大小相關(guān)。糠醛抽出油對(duì)膠粉改性瀝青延度的影響如圖3所示。

圖3 膠粉改性瀝青延度

圖3表明,隨糠醛抽出油摻量增加,CA瀝青的延度逐漸增大。這是因?yàn)榻?jīng)糠醛抽出油預(yù)溶脹的膠粉,與瀝青相容性更好,形成了膠粉改性瀝青的勻質(zhì)混合物;糠醛抽出油含量越多,混合程度越均勻,膠粉核心周圍過渡區(qū)薄弱面越少。糠醛抽出油摻量一定時(shí),隨微波功率增大,CA瀝青延度逐漸增大。這是因?yàn)槲⒉芏ㄏ驍嗔涯z粉中的雙硫鍵和碳硫鍵,剛性的大分子鏈斷裂成小分子鏈,使膠粉在瀝青中更容易分散均勻。

3.4 布氏黏度試驗(yàn)

黏度表征瀝青抵抗剪切變形的能力?？啡┏槌鲇蛯?duì)膠粉改性瀝青180℃布氏黏度的影響如圖4所示。

圖4 膠粉改性瀝青布氏黏度

圖4表明,隨糠醛抽出油摻量增加,CA瀝青的布氏黏度平穩(wěn)降低。這是因?yàn)?糠醛抽出油補(bǔ)充了膠粉改性瀝青中的輕質(zhì)組分,可以起到降低黏度的作用?？啡┏槌鲇蛽搅坎蛔儠r(shí),微波功率對(duì)CA瀝青的黏度影響顯著?？啡┯蛽搅吭?～3%時(shí),微波功率600～1 000W,CA瀝青黏度出現(xiàn)了大幅度降低。在1 000 W時(shí),黏度最低,1 200 W對(duì)應(yīng)的黏度略有上升,這是因?yàn)槲⒉ㄆ茐牧四z粉的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),微波功率越大,膠粉顆粒更小,進(jìn)而黏度降低在1 200 W時(shí),黏度略微上升是因?yàn)榧?xì)小的膠粉顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象;當(dāng)糠醛油摻量為4%時(shí),黏度并未出現(xiàn)最低點(diǎn),這是因?yàn)榭啡┏槌鲇腿趸宋⒉ㄝ椛鋵?duì)膠粉的影響。

3.5 離析軟化點(diǎn)試驗(yàn)

離析試驗(yàn)通常用來(lái)表征改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性,離析軟化點(diǎn)差越小,膠粉改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性越好,在存儲(chǔ)運(yùn)輸過程中均勻性越好。糠醛抽出油對(duì)膠粉改性瀝青離析軟化點(diǎn)差的影響如圖5所示。

圖5 膠粉改性瀝青離析軟化點(diǎn)差

圖5表明,隨糠醛抽出油摻量增加,CA瀝青的離析軟化點(diǎn)差先減小后增大。這是因?yàn)榭啡┏槌鲇皖A(yù)溶脹膠粉改善了膠粉與瀝青相容性,使膠粉改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性提高。當(dāng)劑量過大時(shí),糠醛抽出油不能完全被膠粉吸收,導(dǎo)致膠粉改性瀝青中自由的輕質(zhì)組分含量增加,聚集到鋁管上層;當(dāng)糠醛抽出油摻量在0～3%時(shí),CA瀝青離析軟化點(diǎn)差下降較快;當(dāng)摻量大于3%時(shí),軟化點(diǎn)差略微增大;當(dāng)糠醛抽出油摻量不變時(shí),隨微波功率增大,CA瀝青離析軟化點(diǎn)差先減小后增大;當(dāng)糠醛油3%,微波功率1 000 W時(shí),CA瀝青的離析軟化點(diǎn)差最低,為2.5℃,這表明適當(dāng)?shù)目啡┏槌鲇鸵约拔⒉ㄝ椛涔β蕦?duì)改善膠粉改性瀝青離析有積極作用。

3.6 低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)

低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)是評(píng)價(jià)瀝青低溫抗裂性能常用的室內(nèi)試驗(yàn)方法,基于以上瀝青基本技術(shù)性質(zhì)試驗(yàn),糠醛抽出油為0時(shí),CA-1000W瀝青的延度最大,黏度和離析軟化點(diǎn)差最低,3%糠醛抽出油的CA瀝青離析軟化點(diǎn)差最好,因此本節(jié)選擇CA-3%瀝青和CA-0%-1000W瀝青(對(duì)照組),采用彎曲梁流變儀進(jìn)行了3個(gè)溫度下的低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn),得到蠕變速率m和蠕變勁度S兩個(gè)低溫指標(biāo),m值越大,瀝青應(yīng)力松弛性能更好,抗裂性能越好;S值越小,瀝青低溫變形能力越好。膠粉改性瀝青低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 膠粉改性瀝青低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

圖6(a)展示微波功率對(duì)蠕變速率m的影響規(guī)律。隨微波功率增大,CA瀝青蠕變速率先增大后減小。減小的原因是,膠粉經(jīng)1 200 W輻射功率處理后,顆粒減小反而容易團(tuán)聚成大顆粒,薄弱面增大,低溫下容易破壞。微波功率一定時(shí),蠕變速率隨溫度降低而降低,溫度越低,m降低程度更大。這是因?yàn)?低溫導(dǎo)致瀝青硬脆,進(jìn)而變形能力降低。對(duì)比兩種瀝青,CA瀝青蠕變速率較大,表明糠醛抽出油可提高瀝青低溫抗裂性能。

圖6(b)描述了微波功率對(duì)彎曲勁度模量S的影響規(guī)律。同一溫度下,勁度模量隨微波功率增大先減小后增大,其最小值出現(xiàn)在1 000 W處。這表明,在低溫下,CA-1000 W瀝青抗變形能力最好。試驗(yàn)溫度為-12℃時(shí),不同微波功率對(duì)應(yīng)的勁度模量相差較小,溫度越低,微波功率對(duì)勁度模量的影響越顯著。隨溫度減小,CA勁度模量值迅速增加,并且-24～-18℃的勁度模量增長(zhǎng)較多,大約是-18～-12℃勁度模量增長(zhǎng)量的兩倍,這說明溫度越低其抗裂性能降低越快。對(duì)比A瀝青,CA瀝青勁度模量更低,蠕變速率更大,表明糠醛抽出油的加入改善了應(yīng)力松弛,提高了抗變形能力。

4 結(jié) 論

本文對(duì)膠粉進(jìn)行糠醛抽出油與微波復(fù)合預(yù)處理,制備了膠粉改性瀝青,分析了預(yù)處理方式對(duì)膠粉改性瀝青中溫、高溫、低溫性能以及工作性,主要結(jié)論如下:

(1) 糠醛抽出油-微波復(fù)合處理膠粉改性瀝青軟化點(diǎn)均大于55℃,黏度均大于1.5 Pa·s,且低溫下勁度模量均小于300 MPa,表明該瀝青具有黏度高、溫度敏感性低特性,適用于抽水蓄能電站工程。

(2) 糠醛抽出油摻量對(duì)工作性能及低溫抗變形能力有利,對(duì)膠粉改性瀝青高溫性能不利,但軟化點(diǎn)均大于55℃,表明其高溫性能仍滿足性能要求。

(3) 考慮工作性和低溫抗裂性能,推薦膠粉改性瀝青的最佳糠醛抽出油摻量為3%,最佳微波功率為1 000 W。