橡膠粉改性瀝青技術(shù)性能及質(zhì)量控制研究

李廣權(quán)

(貴州路橋集團有限公司)

0 引言

為了提高路面的力學(xué)性能以及使用性能，越來越多的公路采用瀝青路面。但瀝青材料作為高分子有機物，存在高溫穩(wěn)定性不足以及低溫易開裂等問題。針對瀝青材料的使用性能以及工程實際的需要，道路行業(yè)專業(yè)人士提出了改性的觀點。其中橡膠粉即為一種重要的乳化瀝青改性集，添加橡膠粉改性乳化瀝青后，可有效提高瀝青混合料路面的耐久性、耐高溫性及水穩(wěn)定性，且提高路面的承載能力。

然而，橡膠粉改性瀝青使用的過程中，國內(nèi)還沒有一個完整的改性瀝青的評價體系，同時施工單位在得到成品改性瀝青時對橡膠粉摻量的確定還尚未形成有效地手段?；诖?，將深入的研究橡膠粉的摻量對改性瀝青的各項性能指標的影響，同時探討橡膠粉改性瀝青在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制技術(shù)。研究結(jié)果將為橡膠粉改性瀝青的質(zhì)量評價及控制提供參考依據(jù)。

1 試驗原材料及改性機理分析

1.1 試驗原材料

本次試驗橡膠粉改性瀝青采用AH-70重交道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，按照規(guī)范方法，對基質(zhì)瀝青進行技術(shù)指標測定，測定結(jié)果見表1，橡膠粉采用某石化公司生產(chǎn)的1301型改性劑，其主要質(zhì)量指標見表2。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標

表2 改性劑主要質(zhì)量指標

1.2 改性機理分析

瀝青混合物主要是油分、樹脂和瀝青質(zhì)三部分組成，橡膠粉混合到熱瀝青。

首先瀝青中橡膠粉顆粒吸油膨脹，通過急速剪切發(fā)展階段，橡膠粉顆粒在原油瀝青中重新變性改變原瀝青緊湊的結(jié)構(gòu)，溶脹變性后的橡膠粉均勻地散布于瀝青，由于橡膠粉顆粒對瀝青混合物中的油分吸收使瀝青變的粘稠。

其次，加入橡膠粉的瀝青混合物不僅保持了原有的瀝青的性能并且能較好的利用橡膠顆粒在高溫瀝青中產(chǎn)生的膠質(zhì)以增強混容料的粘塑性。該相容劑的改性橡膠粉瀝青形成彈性適量的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。部分橡膠組分擴散瀝青間隙片段中，從而使三維網(wǎng)絡(luò)間瀝青膠體粒子的蠕動加以限制，從而增加瀝青的凝聚力和彈性熱瀝青中拌入橡膠粉后立即融合瀝青中低分子，基于它的聚合膨脹以及熱力作用下分布到瀝青中。

橡膠粉提高瀝青抗高溫性的原理:急速剪切作用的橡膠粉聚合物改性瀝青中能夠讓橡膠粉很好的融合其中，由于瀝青中的中低分子作用，在聚合物改性瀝青中相互滲透使其溶脹，溶脹作用下橡膠粉位置性能的形成被傳遞到瀝青，從而提高聚合物改性瀝青和蠕變性的機械性能，因此，組合成一個立體互穿兼容結(jié)構(gòu)，抑制了整個分子系統(tǒng)可以在高溫條件下的聚合物改性瀝青中移動，這樣的聚合物改性瀝青在高溫條件下會有熔融現(xiàn)象，從而聚合物改性瀝青的高溫性能得到提高。

橡膠粉提高瀝青抗低溫性的原理:低溫條件下，瀝青中分子熱運動性降低以至于分子間間距減小，我們知道分子間的范德華力會隨著分子間的間距減小而增大。因此，瀝青中分子間作用力增強導(dǎo)致瀝青變脆。已知此前提條件下，在瀝青中加入橡膠粉改性劑后，由于溶脹、熱力等作用下橡膠粉小顆粒中會形成大量的剪切帶并相互作用，大大減緩了材料的破壞過程，當聚合物改性瀝青繼續(xù)受外部張力，因為低溫瀝青低溫模量大于橡膠粉低溫模量，在臨界面處出現(xiàn)裂縫時，由于改性劑粒子跨越裂縫兩端阻礙了其進一步擴展，并且也會吸收和消耗混合物斷裂所需要的能量，可見聚合物改性瀝青在低溫條件下瀝青的抗裂性能增強。

2 橡膠粉改性瀝青技術(shù)性能評價

2.1 評價指標和方法

主要從瀝青的溫度敏感性、高溫穩(wěn)定性兩個性能指標出發(fā)，開展對1301型橡膠粉不同摻量的改性瀝青性能指標的試驗，分析了橡膠粉改性瀝青性能指標隨橡膠粉摻量的變化規(guī)律。其中，低溫敏感性指標主要有針入度、針入度指數(shù)，高溫穩(wěn)定性指標主要包括軟化點、當量軟化點、135℃運動粘度。

將橡膠粉改性劑按照瀝青質(zhì)量的2%，3%，4%，5%，6%摻量，均勻撒布在AH-70重交道路石油瀝青中，制成不同橡膠粉摻量的改性瀝青標準試件，整個性能試驗過程嚴格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ052-2000)進行性能試驗。

2.2 橡膠粉拌合量對瀝青溫度敏感性的影響

(1)橡膠粉拌合量摻量與針入度的關(guān)系

瀝青性質(zhì)會隨著橡膠粉改性劑的摻入而發(fā)生改變，最明顯的是凝膠結(jié)構(gòu)會提高凝膠化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致不同的溫度敏感性。圖1顯示了25℃聚合物改性瀝青滲透型改性劑含量橡膠粉1301的關(guān)系曲線。

圖1試驗結(jié)果表明，橡膠粉改性劑的加入，對針入度的變化影響較大，且隨橡膠粉摻量的增加，針入度都有明顯下降，當橡膠粉摻量從2%開始后，每增加1%，橡膠粉1301型改性瀝青25℃針入度值降低2(0.1 mm)左右，這主要是因為橡膠粉改性劑能吸附基質(zhì)瀝青中的一部分輕質(zhì)組分而產(chǎn)生溶脹，進而改善了瀝青的流變性。

圖1 橡膠粉摻量與25℃針入度的關(guān)系

(2)橡膠粉拌合量與針入度指數(shù)的相關(guān)性

一般情況下把不同溫度下瀝青的針入度變化表現(xiàn)出的溫度敏感性作為有效控制瀝青及瀝青混合料路面使用性能的一個重要指標。因為橡膠粉改性劑的嵌段比、分子量大小與基質(zhì)瀝青間的相互作用不同，那么，橡膠粉的摻量對瀝青感溫性的影響也不盡相同。圖2為橡膠粉1301型改性劑的摻量與針入度指數(shù)PI的關(guān)系變化曲線。

圖2 橡膠粉拌合量與針入度指數(shù)PI的關(guān)系

從圖2可看出，針入度指數(shù)PI隨橡膠粉1301型改性劑摻量的增加呈增大趨勢。如果出現(xiàn)針入度指數(shù)PI先提高后降低現(xiàn)象，這種橡膠粉摻量過多將引起瀝青溫度敏感性的提高，違背了改性劑本身的作用，這也表明橡膠粉摻量并非越大越好。如果聚合物改性瀝青性能指標能夠滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ040-2004)對橡膠粉改性瀝青針入度指數(shù)PI值要求時，可選用較低的橡膠粉摻量，這樣可以降低工程造價。

2.3 橡膠粉拌合量對瀝青抗高溫性的影響

(1)橡膠粉拌合量與軟化點的相關(guān)性

圖3 橡膠粉拌合量與軟化點的相關(guān)性

圖3為軟化點隨橡膠粉1301改性劑拌合量的變化線性關(guān)系。軟化點隨橡膠粉摻量增加逐漸增大，在3%拌合量時橡膠粉1301聚合物改性瀝青的軟化點數(shù)值增加的變化率最明顯，是軟化點突變的拐點，這說明此時改性劑發(fā)揮的作用效果最佳。從圖中看出，橡膠粉改性劑的摻入顯著提高了瀝青的軟化點，究其原因，瀝青是復(fù)雜的高分子聚合物，在與橡膠粉接觸時，瀝青質(zhì)在膠質(zhì)和芳烴中的作用中形成膠束，連接膠束形成一組不規(guī)則的和緊密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔隙將充滿膠束溶液導(dǎo)致聚合物改性瀝青彈塑性減弱，從而提高了聚合物改性瀝青的軟化點。

(2)橡膠粉拌合量與當量軟化點的相關(guān)性

圖4 橡膠粉拌合量與當量軟化點的相關(guān)性

由圖4可看出，隨著橡膠粉摻量的增加當量軟化點會有顯著地上升，橡膠粉1301型改性瀝青的當量軟化點并非呈單調(diào)遞增的特征，在橡膠粉摻量5% ～6%時，略有下降趨勢。這說明改性劑對瀝青高溫穩(wěn)定性的影響無一定的規(guī)律性，這有可能因為橡膠粉與基質(zhì)瀝青的配伍性相關(guān)。

(3)橡膠粉摻量與135℃運動粘度的關(guān)系

圖5 橡膠粉拌合量與135℃運動粘度的相關(guān)性

圖5曲線表明，135℃運動粘度隨著橡膠粉摻量的增加呈指數(shù)上升趨勢，這是由于橡膠粉改性瀝青中細小顆粒內(nèi)部連接緊密，形成了高度凝膠化特性，導(dǎo)致瀝青結(jié)構(gòu)性增強，因而在高溫下橡膠粉改性瀝青的形變能力將有所增強。當橡膠粉1301摻量小于6%時，聚合物改性瀝青的135℃運動粘度沒有突破規(guī)范最大值3 Pa·S，能夠滿足現(xiàn)場瀝青泵送和拌和要求。

3 混合料生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制

3.1 混合料生產(chǎn)工藝流程

該路段橡膠粉改性瀝青混合料采用廠辦熱拌的生產(chǎn)工藝，熱拌生產(chǎn)工藝是在普通瀝青混合料熱拌工藝的前級增加了瀝青改性工序，將改性后的瀝青加入拌和混合料拌和機。

3.2 拌和過程質(zhì)量控制要素

(1)普通瀝青混合料拌和時間不宜少于45 s，拌和時，適當延長干拌時間和濕拌時間，均比普通瀝青混凝土延長5 s。其中干拌時間不得少于50 s。

(2)均勻一致，無花白料、無結(jié)團成塊成嚴重的粗細料分離現(xiàn)象。

(3)拌和料廠設(shè)專人檢測混合料的質(zhì)量、溫度、外觀等。

(4)改性瀝青混合料宜隨拌隨用，若因生產(chǎn)或其它原因拌制好的瀝青混合料不立即鋪筑時，可放入成品儲料倉短時間儲存。貯存時間不宜超過24 h，貯存期間溫降不應(yīng)超過10℃，且不得發(fā)生結(jié)合料老化，滴漏以及粗細集料顆粒離析。

3.3 生產(chǎn)和施工溫度控制

橡膠粉改性瀝青熱拌混合料的生產(chǎn)溫度控制標準見表2。拌合站的溫度控制方法主要是通過紅外溫度傳感器監(jiān)控。攤鋪現(xiàn)場有專人量測混合料攤鋪溫度，并做好記錄，對于不符合溫度要求的瀝青混合料及時清除。攤鋪現(xiàn)場溫度用插入式溫度計逐車檢測受料前的混合料溫度，用數(shù)顯溫度儀、紅外溫度槍等跟蹤檢測攤鋪、壓實面的表面溫度，停車待卸的運料車輛，不得過早揭掉保溫覆蓋設(shè)施。環(huán)境氣溫低于10℃時停止施工。

表3 橡膠粉改性瀝青混合料生產(chǎn)和施工溫度控制

3.4 接縫處理

橡膠粉改性瀝青混合料路面在攤鋪過程中，由于工作中斷，攤鋪混合料的末端已經(jīng)冷卻，或者在第二天恢復(fù)工作時，會形成橫向施工冷縫。橫縫根據(jù)實際情況進行處理，在鋪設(shè)當天混合料冷卻但尚未結(jié)硬時用切縫機切成垂直上下面層的平接縫，但不得損傷下層路面，鋪筑接頭時應(yīng)先在壓實段上面鋪設(shè)一些熱混合料，使接縫處預(yù)熱軟化。上下兩面層預(yù)留的橫縫至少錯開200 mm以上，下面層施工縫須避開基層施工縫預(yù)防產(chǎn)生反射裂縫。橫縫碾壓應(yīng)先清除掉接縫預(yù)熱混合料及切割時留下的泥水，待干燥后涂刷粘層油進行，并順橫縫方向進行，采用雙鋼輪機，壓路機先置于已壓實的一側(cè)，以后每壓一遍鋼輪便向新鋪段橫移20 cm，直至雙鋼輪全部碾壓新鋪面層后改作縱向常規(guī)碾壓，見圖6所示。

圖6 接縫處理示意圖

4 結(jié)論

(1)低溫敏感性指標中，針入度隨橡膠粉摻量的增加有明顯的下降趨勢，當橡膠粉摻量從2%開始后，每增加1%，橡膠粉1301型改性瀝青25℃針入度值降低2(0.1 mm)左右，而針入度指數(shù)PI隨橡膠粉1301型改性劑摻量的增加呈增大趨勢，且橡膠粉摻量并非越大越好。

(2)高溫穩(wěn)定性指標中的軟化點、當量軟化點、135℃運動粘度均隨橡膠粉摻量呈上升趨勢，當3%摻量時，橡膠粉改性瀝青的軟化點存在轉(zhuǎn)變的拐點，此時改性劑發(fā)揮的作用效果最佳。當橡膠粉摻量小于6%時，改性瀝青的135℃運動粘度沒有突破規(guī)范最大值3 Pa·S，能夠滿足現(xiàn)場瀝青泵送和拌和要求。

(3)橡膠粉改性瀝青混合料的生產(chǎn)工藝、質(zhì)量控制要素及關(guān)鍵控制問題，可為廣大施工員的工作提供參考經(jīng)驗。

［1］ 林杰.SBS改性瀝青技術(shù)性能評價與質(zhì)量控制研究［D］.西安:長安大學(xué)，2011.

［2］ 馬士讓.橡膠粉改性瀝青質(zhì)量控制技術(shù)研究［D］.西安:長安大學(xué)，2012.

［3］ 廖克儉，叢玉鳳.道路瀝青生產(chǎn)與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［4］ 張爭奇，張登良，楊榮尚.改性瀝青機理研究［J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報，1998，18(4):21-25.