KZD-I改性劑摻量及瀝青混合料性能研究

秦仁杰， 李永海， 劉　可， 孫　超

(1.長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙　410114；　2.廣西交通投資集團有限公司， 廣西 南寧　530000)

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KZD-I改性劑摻量及瀝青混合料性能研究

秦仁杰1， 李永海1， 劉可2， 孫超1

(1.長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙410114；2.廣西交通投資集團有限公司， 廣西 南寧530000)

摘要：在充分了解改性劑KZD-I性質(zhì)的基礎(chǔ)上，制備不同摻量的KZD-I改性瀝青，并對基質(zhì)瀝青及3種改性劑摻量的KZD-I改性瀝青進行常規(guī)試驗研究，同時制備油石比為4.2%的SBS和KZD-I改性AC-20瀝青混合料進行水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性對比試驗研究，研究結(jié)果表明，70號A級道路石油瀝青經(jīng)KZD-I改性后，高溫穩(wěn)定性得到改善，混合料的水穩(wěn)定性優(yōu)良，高溫抗車轍能力顯著提高。

關(guān)鍵詞：KZD-I改性瀝青； 瀝青混合料； 改性劑摻量； 性能

1KZD-I改性劑簡介

KZD-I是一種高分子復(fù)合材料，由塑料及其他高分子納米材料復(fù)合而成，固體、黑褐色、顆粒狀，無毒、無味、無腐蝕性、不自燃、無揮發(fā)性有害物質(zhì)，比重0.86～1.20 g/cm3，熔點100～165 ℃，如圖1。

圖1　聚烯烴改性劑KZD-I

KZD產(chǎn)品(科中大瀝青混合料聚烯烴改性劑)是公路瀝青路面建設(shè)專用原材料，是一種公路建設(shè)節(jié)能環(huán)保型專業(yè)材料[1]。

KZD-I產(chǎn)品與行業(yè)產(chǎn)品相比，具有技術(shù)領(lǐng)先、使用簡單、節(jié)能環(huán)保、性價比高等優(yōu)點，是目前行業(yè)內(nèi)頂尖級產(chǎn)品，填補了我國“直投式生產(chǎn)瀝青混合料”技術(shù)空白，是一種“高性能瀝青混凝土生產(chǎn)技術(shù)及節(jié)能減排生產(chǎn)技術(shù)”，主要應(yīng)用于高速公路、高等級公路及特種瀝青公路建設(shè)，如：國道、省道、城市道路、機場路面、海港碼頭、軍事要道、橋面及隧道等。

2濕拌法KZD-I改性劑摻量試驗研究

2.1原材料

2.1.1基質(zhì)瀝青

本次試驗采用廈門華特集團有限公司供應(yīng)的韓國SK 70號A級道路石油瀝青，對該瀝青進行針入度、軟化點、延度、密度試驗[2，3]，結(jié)果如表1。

表1 70號A級道路石油瀝青的技術(shù)性能試驗結(jié)果類別針入度(100g,5s,25℃)/(0.1mm)延度(5cm/min,15℃)/cm軟化點TR&B(環(huán)球法)/℃密度(15℃)/(g·cm-3)技術(shù)要求60～80≥100≥46實測記錄試驗結(jié)果64>10049.01.038(T0604)(T0605)(T0606)(T0603) 注:括號內(nèi)為試驗方法。

2.1.2聚烯烴改性劑KZD-I(直投式)

本次試驗采用由深圳市科中大交通建材有限公司研發(fā)、生產(chǎn)的外摻改性劑——科中大瀝青混合料聚烯烴改性劑KZD-I，比重0.86～1.20 g/cm3，熔點100～165 ℃。

2.2改性瀝青制備方法[4，5]

1) 將基質(zhì)瀝青分成3份，放入175～185 ℃的烘箱中，并恒溫1 h；

2) 在溫度為170～180 ℃的條件下，向步驟1)所述的基質(zhì)瀝青中分別加入3%、6%、9%(外摻)的聚烯烴改性劑KZD-I，并用玻璃棒均勻攪拌10～15 min[6]；

3) 在170～180 ℃的溫度范圍內(nèi)，將混合物在高速剪切儀中高速剪切30～40 min，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，剪切完成后將混合物放入175～185 ℃的烘箱中發(fā)育20～30 min；

4) 在溫度為175～185 ℃的條件下，將步驟3)所述的發(fā)育完成的化合物在高速剪切儀中繼續(xù)高速剪切30～40 min，轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，剪切完成后將混合物放入170～180 ℃的烘箱繼續(xù)溶脹1 h，得到不同摻量的KZD-I改性瀝青。

2.3性能試驗結(jié)果

對所制取的改性瀝青進行針入度、延度、軟化點等性能試驗[7]，結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同KZD-I改性劑摻量對瀝青針入度、延度、軟化點的影響

從試驗驗結(jié)果可以看出：

1) 不同溫度下，改性瀝青針入度隨著改性劑摻量的增加而不斷減小，說明改性劑的加入，瀝青的高溫穩(wěn)定性得到了改善。

2) 從試驗數(shù)據(jù)看，不同溫度下，改性瀝青延度隨著改性劑摻量的增加而不斷降低，改性劑的加入對瀝青低溫延度沒有太大影響，這表明改性劑KZD-I對于瀝青結(jié)合料的低溫性能并沒有得到改善，甚至有所下降。但也有研究表明[2]，傳統(tǒng)的延度試驗對聚烯烴類材料低溫性能的評價具有一定的局限性，由改性劑的加入使改性瀝青的延度大大降低來判斷瀝青的低溫性能變差是不合理的。

3) 軟化點隨改性劑摻量增加而增大，表明改性劑的加入提高了改性瀝青的高溫性能。

4) 從性能和混合機理出發(fā)，改性劑KZD-I摻量宜選在3%～6%。

3干拌法KZD-I改性瀝青混合料性能研究

制備KZD-I改性瀝青混合料AC-20，并同時制作SBS(I-D)改性瀝青混合料做對比試驗[7]，分別進行水穩(wěn)定性試驗和高溫穩(wěn)定性試驗[8]，探討改性瀝青混合料在南方高溫多雨環(huán)境條件下的性能特點。

3.1AC-20混合料的級配構(gòu)成

瀝青混合料AC-20采用石灰?guī)r加工所得集料。粗集料分為3檔規(guī)格，分別為20～25 mm、10～20 mm、5～10 mm，細(xì)集料規(guī)格為0～3 mm；填料采用石灰?guī)r礦粉。瀝青混合料AC-20礦料組成設(shè)計如表2和圖3所示。

其中，瀝青混合料AC-20的礦料組成摻配比例為：1#粗集料∶2#粗集料∶3#粗集料∶4#粗集料∶礦粉=9∶39∶21∶30∶1，由馬歇爾試驗確定的最佳油石比為4.2%。

3.2水穩(wěn)定性試驗

對SBS(I-D)改性瀝青、70號道路石油瀝青和摻入聚烯烴改性劑KZD-I的瀝青(摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.3%)分別采用油石比4.2%制備瀝青混合料AC-20試件，測定在浸60 ℃水48 h后和浸60 ℃水30 min后的馬歇爾穩(wěn)定度，測定凍融循環(huán)后的劈裂強度，以浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強度比評價其水穩(wěn)定性能[9]。其中，摻入聚烯烴改性劑KZD-I的瀝青混合料AC-20馬歇爾試件成型時，集料的烘料溫度為190 ℃，瀝青溫度155 ℃，瀝青混合料的拌合溫度為185 ℃，擊實溫度控制在170 ℃左右；攪拌時間為360 s，首先加入石料與KZD-I改性劑干拌120 s，再加入瀝青，拌合120 s，最后加入礦粉拌合120 s。試驗結(jié)果如表3。

表2 瀝青混合料AC-20的礦料組成設(shè)計篩孔尺寸/mm各材料的顆粒級配(通過率)/%各材料在設(shè)計混合料中的顆粒級配(通過率)/%1#料(100%)2#料(100%)3#料(100%)4#料(100%)礦粉(100%)1#料(9%)2#料(39%)3#料(21%)4#料(30%)礦粉(1%)合成級配/%規(guī)范上限/%規(guī)范下限/%規(guī)范中值/%0.0750.50.30.614.499.00.00.10.14.31.05.67350.150.50.30.617.81000.00.10.15.31.06.61348.50.30.50.30.621.91000.00.10.16.61.07.9175110.60.50.30.6321000.00.10.19.61.010.9248161.180.50.30.6561000.00.10.116.81.018.1331222.52.360.50.30.693.41000.00.10.128.01.029.34416304.750.50.31.61001000.00.10.330.01.031.55626419.50.52.095.31001000.00.820.030.01.051.872506113.21.0261001001000.110.121.030.01.062.2806271162.865.91001001000.325.721.030.01.078.09278851918.394.71001001001.636.921.030.01.090.6100909526.597.31001001001008.839.021.030.01.099.810010010031.51001001001001009.039.021.030.01.0100100100100 注:根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40—2004)的條文說明5.3.2,工程設(shè)計級配范圍一般在規(guī)范規(guī)定的允許范圍內(nèi),但必要時允許超出。考慮到26.5mm的分級篩余僅為0.2%,故允許本配合比設(shè)計的級配曲線中篩孔26.5mm所對應(yīng)的的通過率超出規(guī)范的范圍。

圖3　瀝青混合料AC-20的礦質(zhì)混合料　　　配合比設(shè)計圖

從試驗結(jié)果可以看出，SBS改性和KZD-I改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到了顯著改善，浸水殘留穩(wěn)定度比和凍融抗拉強度比都超過了90%，KZD-I改性瀝青混合料兩項指標(biāo)都接近100%，改性效果非常明顯。

3.3高溫穩(wěn)定性試驗

對SBS(I-D)改性瀝青、70號道路石油瀝青分別采用油石比4.2%制備瀝青混合料AC-20車轍試件，對摻入聚烯烴改性劑KZD-I瀝青混合料AC-20采用油石比4.2%制備車轍試件，分別進行車轍試驗[10]。其中，摻入聚烯烴改性劑KZD-I的瀝青混合料AC-20車轍試件成型時，對設(shè)計的瀝青混合料AC-20采用70號道路石油瀝青，摻入瀝青改性劑KZD-I，其摻量為瀝青混合料質(zhì)量的0.3%，按油石比4.2%制備試件，試件成型時集料的烘料溫度為190 ℃，瀝青溫度155 ℃，瀝青混合料的拌合溫度為185 ℃，成型溫度控制在170 ℃左右，攪拌時間為450 s，首先加入石料與KDZ-I改性劑干拌150 s；再加入瀝青，拌合150 s；最后加入礦粉拌合150 s，車轍試件室溫條件下放置48 h后進行60 ℃、70 ℃車轍試驗。實驗結(jié)果如表4、表5。

表3 SBS改性瀝青、70號道路石油瀝青、KZD-I改性瀝青混合料AC-20的水穩(wěn)定性試驗結(jié)果瀝青混合料項目油石比/%浸水馬歇爾試驗殘留穩(wěn)定度凍融劈裂試驗殘留強度比馬歇爾穩(wěn)定度SM/kN浸水馬歇爾穩(wěn)定度SM1/kN浸水殘留穩(wěn)定度SM0/%未經(jīng)凍融循環(huán)RT1/MPa凍融循環(huán)RT2/MPa凍融劈裂抗拉強度比/%SBS改性瀝青試驗結(jié)果設(shè)計技術(shù)要求4.217.2418.25105.80.6170.57492.9——≥85——≥8070號道路石油瀝青試驗結(jié)果設(shè)計技術(shù)要求4.214.9313.1888.30.4480.38485.7——≥80——≥75KZD-I改性瀝青試驗結(jié)果設(shè)計技術(shù)要求4.217.4517.1598.31.1981.18298.7——≥85——≥80

表4 SBS改性瀝青、70號道路石油瀝青混合料AC-20的高溫穩(wěn)定性試驗結(jié)果瀝青混合料油石比/%試件編號變形量/mm45min60minDS/(次·mm-1)DS平均/(次·mm-1)SCv/%SBS改性瀝青4.211.2451.320840020.9151.013642931.0581.125940341.1101.208642976651485.3019.4—(≥3000)—(≤20)70號道路石油瀝青4.212.2432.550205222.5052.828195032.3102.625200042.4382.7831826195796.744.9 注:括號內(nèi)為設(shè)計技術(shù)要求。

表5 4.2%油石比70號道路石油瀝青+KZD-I混合料AC-20的高溫穩(wěn)定性試驗結(jié)果試驗室溫/℃油石比/%試件編號變形量/mm45min60minDS/(次·mm-1)DS平均/(次·mm-1)SCv/%604.211.0731.1331050020.9531.028840030.9301.005840040.8701.0433642(舍)91001212.4413.3704.211.5281.687396221.8541.976516431.7561.87752074778706.4314.8

從試驗結(jié)果來看，60 ℃SBS改性和KZD-I改性瀝青AC-20混合料動穩(wěn)定度都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的3 000次/mm，70 ℃KZD-I改性AC-20混合料的動穩(wěn)定度也符合規(guī)范要求，說明2種改性瀝青的高溫穩(wěn)定性都大大的提高了，并且KZD-I改性的瀝青混合料要更突出。

4主要結(jié)論

1) KZD-I改性瀝青隨著摻量的不斷提高，軟化點增大，針入度減小，高溫穩(wěn)定性改善，延度降低；由常規(guī)指標(biāo)延度來評價瀝青的低溫性能有一定局限性，有待更合理的實驗方法來研究其低溫性能。

2) SBS和KZD-I這2種改性劑對基質(zhì)瀝青都有較好的改性作用，從水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性實驗結(jié)果來看，KZD-I改性瀝青混合料性能更優(yōu)。

3) SBS改性劑要比KZD-I改性劑價格更昂貴，從經(jīng)濟性和改性效果分析，KZD-I改性劑有非常廣闊的市場前景。

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文章編號：1008-844X(2016)02-0076-05

收稿日期:2015-12-07

作者簡介:秦仁杰( 1969-) ，男，碩士，在職博士，教授，主要從事路基路面工程、道路環(huán)境工程、道路養(yǎng)護管理等方面的科研工作。

中圖分類號：U 414

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A