干拌直投膠粉改性瀝青混合料高溫性能分析*

楊 博 王笑風(fēng) 萬晨光 劉 鑫

(交通運(yùn)輸行業(yè)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備研發(fā)中心1) 鄭州 450000)(河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司2) 鄭州 450000) (河南宛龍高速公路有限公司3) 駐馬店 463000)

0 引 言

近年來，隨著我國汽車保有量的不斷增加，廢舊輪胎產(chǎn)生的固體廢棄物處理問題日益嚴(yán)峻.充分利用廢舊輪胎的剩余價值，將其加工成廢胎膠粉用作瀝青及瀝青混合料的改性劑，已經(jīng)成為解決廢舊輪胎環(huán)境問題的有效途徑.目前，廢胎膠粉改性劑主要有“濕法”和“干法”兩種技術(shù)途徑[1].其中，“濕法”工藝是將廢胎膠粉改性劑添加到瀝青中，通過一定溫度下的剪切、攪拌工藝，生產(chǎn)加工成橡膠改性瀝青膠結(jié)料；“干法”工藝是將廢胎膠粉改性劑添加到礦質(zhì)集料中，通過直投干拌工藝，與瀝青拌和成廢胎膠粉改性瀝青混合料.

國內(nèi)外大量研究證明，“濕法”橡膠瀝青能夠有效改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和疲勞耐久性，同時能夠降低車輛行駛噪聲.但是，在長期使用過程中，“濕法”橡膠瀝青也暴露出了生產(chǎn)加工工藝復(fù)雜、存儲穩(wěn)定性差、需要“即產(chǎn)即用”、必須保持施工的持續(xù)性，難以“隨用隨產(chǎn)”等缺陷[2-4].

“干法”廢胎膠粉改性瀝青混合料采用干拌直投工藝，生產(chǎn)簡便，克服了“濕法”橡膠瀝青的諸多缺陷，尤其是隨著廢胎膠粉二次深度加工技術(shù)的出現(xiàn)，干拌直投廢胎膠粉改性瀝青混合料近年來發(fā)展迅速，國內(nèi)外大量試驗(yàn)結(jié)果證明，干拌直投廢胎膠粉能夠顯著改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性等路用性能[5-9].

針對干拌直投廢胎膠粉如何改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及其影響因素等問題，目前尚不明確.為了探究干拌直投廢胎膠粉改性瀝青混合料高溫性能作用機(jī)理，通過室內(nèi)試驗(yàn)分析干拌直投廢胎膠粉對基質(zhì)瀝青的改善效果以及不同膠粉摻量條件下，干拌直投廢胎膠粉改性瀝青混合料的單軸貫入強(qiáng)度及高溫抗剪強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ)的變化趨勢，從宏觀層面揭示干拌直投廢胎膠粉改性瀝青混合料高溫性能作用機(jī)理，確定其影響因素的重要程度，為干拌直投廢胎膠粉改性瀝青混合料的進(jìn)一步研究與應(yīng)用提供依據(jù).

1 室內(nèi)試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)原材料及瀝青混合料

1) 基質(zhì)瀝青 采用某石化生產(chǎn)的A級70#道路石油瀝青，主要技術(shù)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表1.

表1 基質(zhì)瀝青主要技術(shù)性能

2) 干拌直投廢胎膠粉 選用250～180 μm的深加工膠粉，主要技術(shù)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 干拌直投廢胎膠粉技術(shù)性能

3) 粗集料 采用2檔石灰?guī)r碎石，規(guī)格分別為：>10～15,5～10 mm，主要技術(shù)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表3.

表3 粗集料技術(shù)性能

細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂，規(guī)格為0～5 mm，主要技術(shù)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 細(xì)集料技術(shù)性能

礦粉采用石灰?guī)r生產(chǎn)，主要技術(shù)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表5.

表5 礦粉技術(shù)性能

4) 瀝青混合料礦料級配 參照河南省橡膠瀝青推廣應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，采用間斷級配形式，根據(jù)關(guān)鍵篩孔通過率的不同，設(shè)計了兩種級配DRAC-13I和DRAC-13II，瀝青混合料礦料級配組成見表6.

表6 瀝青混合料礦料級配組成

1.2 高溫性能室內(nèi)試驗(yàn)方案

1) 單軸貫入試驗(yàn) 瀝青混合料高溫性能試驗(yàn)方法種類很多，近年來，國內(nèi)學(xué)者提出了一種能夠有效模擬道路在車輛荷載作用下受力狀況的試驗(yàn)方法——單軸貫入試驗(yàn)[10-12].該試驗(yàn)將路面結(jié)構(gòu)受力模型簡化為半徑為R的圓柱體試件，通過一半徑為r的圓柱形壓頭模擬圓形車輛荷載，當(dāng)壓頭相對于圓柱體試件足夠小，即r/R的比值足夠小，其模擬受力狀態(tài)與路面理論受力狀態(tài)基本一致.該試驗(yàn)方法的受力模式與路面實(shí)際狀況基本一致，且試驗(yàn)方法簡單，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種類型的瀝青混合料高溫性能分析評價研究，文獻(xiàn)[13]明確規(guī)定采用單軸貫入試驗(yàn)檢驗(yàn)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性.

按照文獻(xiàn)[13]附錄F“瀝青混合料單軸貫入強(qiáng)度試驗(yàn)方法”，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)備SGC成型直徑100 mm、高度100 mm的瀝青混合料試件；選擇直徑28.5 mm、高度50 mm的鋼制貫入壓頭，采用UTM-30多功能瀝青混合料動態(tài)測試設(shè)備，在60 ℃、加載速率1 mm/min條件下進(jìn)行單軸貫入試驗(yàn)，讀取最大貫入荷載P，相應(yīng)的貫入應(yīng)力和貫入強(qiáng)度為

(1)

Rτ=0.34σp

(2)

式中：σp為貫入應(yīng)力，MPa；Rτ為貫入強(qiáng)度，MPa；P為試件破壞時的極限荷載，N；A為壓頭橫截面面積，mm2.

2) 剪切強(qiáng)度參數(shù)分析與處理 理論上認(rèn)為，瀝青混合料高溫性能主要與其剪切強(qiáng)度有關(guān)，其中黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ是剪切強(qiáng)度的兩個重要參數(shù).國內(nèi)有研究提出了通過單軸貫入試驗(yàn)、三維有限元模擬分析，以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)相結(jié)合的方法，計算獲取黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ.

(3)

(4)

σ1=0.765σp

(5)

σ3=0.087 2σp

(6)

式中：σ1，σ3為單軸貫入試驗(yàn)最大剪應(yīng)力處的第一、第三主應(yīng)力，MPa；σu為單軸壓縮試驗(yàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；σp為貫入應(yīng)力，MPa.

2 高溫性能改性作用分析

2.1 干拌直投廢胎膠粉對基質(zhì)瀝青的改性效果

將基質(zhì)瀝青加入容器加熱至180 ℃，同時加入干拌直投廢胎膠粉，并用玻璃棒徐徐攪拌；待膠粉全部加入后，將攪拌容器移至自動溫控加熱源上，并用槳葉式機(jī)械攪拌機(jī)在溫度(180±3) ℃、攪拌速率2 000 r/min的條件下攪拌1 h，加工得到膠粉摻量(相對基質(zhì)瀝青的質(zhì)量比)為15%,20%,25%的三種膠粉改性瀝青，分別測定基質(zhì)瀝青及上述三種膠粉改性瀝青的針入度、延度和軟化點(diǎn)三項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見表7.

表7 針入度、延度及軟化點(diǎn)三大指標(biāo)測試結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：

1) 膠粉加入到基質(zhì)瀝青中加工成改性瀝青后，其針入度減小、軟化點(diǎn)升高、延度增加.當(dāng)膠粉摻量大于15%時，瀝青的技術(shù)性能與SBS I-D改性瀝青相當(dāng).表明干拌膠粉加入后，能夠具備瀝青改性劑的作用，有效改善瀝青的高溫、低溫和溫度敏感性.

2) 隨著膠粉摻量的增加，瀝青的針入度和軟化點(diǎn)變化幅度逐漸減小，延度指標(biāo)則逐漸趨于穩(wěn)定，見圖1.表明干拌直投膠粉雖然具有對瀝青性能改善的作用，但是其對瀝青技術(shù)性能，尤其是延展拉伸性能的改善程度存在一定的限度.

圖1 不同因素與膠粉摻量的變化規(guī)律

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合傳統(tǒng)“濕法”膠粉改性瀝青的作用機(jī)理及干拌直投膠粉的來源，進(jìn)一步分析認(rèn)為：

1) 特殊加工制成的干拌直投膠粉，其核心仍舊為廢胎膠粉，在高溫、攪拌的狀態(tài)下，與傳統(tǒng)“濕法”膠粉改性瀝青類似，也會與瀝青中的輕質(zhì)組分發(fā)生“溶脹”反應(yīng)，從而達(dá)到改善瀝青性能的效果.

2) 在膠粉類型及反應(yīng)溫度確定的條件下，這種“溶脹”反應(yīng)主要與時間及膠粉摻量有關(guān)，膠粉摻量越高，達(dá)到相同改性效果所需要的“溶脹”時間越長.但是在干拌過程中，膠粉與瀝青接觸反應(yīng)的時間有限，在限定的時間內(nèi)，膠粉摻量越高，“溶脹”反應(yīng)越不徹底，從而影響瀝青的改性效果，出現(xiàn)膠粉摻量增加而瀝青改善效果增長幅度趨緩的現(xiàn)象.

2.2 干拌直投廢胎膠粉對瀝青混合料的復(fù)合改性效應(yīng)分析

在實(shí)際使用中，干拌直投膠粉先與集料進(jìn)行拌和，然后再與瀝青進(jìn)行攪拌，不僅會與瀝青接觸，影響瀝青的性能；而且干拌膠粉相當(dāng)于0.18～0.25 mm的細(xì)集料，對瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)也有一定的影響.根據(jù)傳統(tǒng)的表面理論，瀝青混合料的高溫強(qiáng)度主要來源于礦質(zhì)集料骨架強(qiáng)度(即摩擦阻力，由內(nèi)摩擦角φ表示)和瀝青的膠結(jié)強(qiáng)度(即黏結(jié)力，由黏聚力c表示).

為了進(jìn)一步分析干拌直投膠粉對瀝青混合料高溫性能的改性機(jī)理，選取0%，10%，20%和30%四個膠粉摻量，采用DRAC-13I和DRAC-13II兩種級配，在最佳油石比下分別拌制瀝青混合料，在170 ℃下統(tǒng)一燜料90 min，根據(jù)前述高溫性能室內(nèi)試驗(yàn)方案，得到兩種級配混合料在不同膠粉摻量下的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果見圖2.

圖2 膠粉摻量與黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的變化規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果：

1) 膠粉通過干拌方式加入到瀝青混合料后，其黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ均明顯增加.表明干拌膠粉在拌和過程中，不僅與瀝青發(fā)生反應(yīng)，改善了瀝青膠漿的性能，進(jìn)而提高混合料的黏聚力；而且有效的改善了瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)性能，具有雙重改性的作用.

2) 隨著膠粉摻量的增加，瀝青混合料黏聚力先增加，當(dāng)膠粉摻量大于10%以后，基本趨于穩(wěn)定，表明在瀝青混合料干拌生產(chǎn)工藝中，干拌膠粉對瀝青膠漿性能的改善程度存在一定的限度.

3) 隨著膠粉摻量的增加，瀝青混合料的摩擦角φ逐漸增大，表明在瀝青混合料干拌生產(chǎn)工藝中，干拌膠粉可以持續(xù)改善瀝青混合料骨架強(qiáng)度.

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合干拌直投廢胎膠粉對基質(zhì)瀝青的改性效果及相關(guān)研究[14-17]，進(jìn)一步分析認(rèn)為：

1) 在有限的反應(yīng)時間內(nèi)，干拌直投膠粉在瀝青中并未徹底“溶脹”，而是呈現(xiàn)出“固-液”混合狀態(tài)，發(fā)生“溶脹”反應(yīng)的部分作為瀝青的改性劑，改善瀝青的性能；其余部分則作為填料，填充瀝青混合料骨架空隙，改善瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)性能.

2) 與傳統(tǒng)“濕法”工藝相比，“干法”工藝中干拌直投膠粉與瀝青的反應(yīng)時間有限，更多的是作為填料發(fā)揮改善作用，隨著膠粉摻量增加，“溶脹”反應(yīng)越不徹底，作為填料的改善作用愈加突出，出現(xiàn)黏聚力增加不顯著而摩擦角顯著增加的現(xiàn)象.

3 復(fù)合改性效應(yīng)對瀝青混合料高溫性能的影響分析

3.1 高溫性能試驗(yàn)

選擇DRAC-13I型級配，以膠粉摻量、油石比,以及反映施工時間影響的悶料時間作為主要影響因素，測試不同條件下的瀝青混合料貫入強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c，結(jié)果見表8.

表8 不同條件下混合料貫入強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c測試結(jié)果

3.2 復(fù)合改性效應(yīng)對瀝青混合料高溫性能影響程度分析

為了明確黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ對干拌直投復(fù)合改性瀝青混合料高溫性能的影響程度，采用灰色理論關(guān)聯(lián)度分析方法，計算分析復(fù)合改性效應(yīng)對瀝青混合料高溫性能影響程度.灰色關(guān)聯(lián)分析法的一般步驟如下.

1) 確定參考序列

x0={x0(k)|k=1,2,…,n}

(7)

2) 將上述數(shù)列作均值化處理和比較序列

xi={xi(k)|k=1,2,…,n}(i=1,2，…,n)

(8)

參考序列：

(9)

比較序列：

(i=1,2,…,n)

(10)

3) 求關(guān)聯(lián)度

(11)

Δi(k)=|x0(k)-xi(k)|

4) 求關(guān)聯(lián)度ri

(12)

5) 關(guān)聯(lián)度分析 根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小次序，可以對各因素的影響程度作出判斷：xi與x0的關(guān)聯(lián)度ri越大，則xi對x0的影響越大.

根據(jù)灰關(guān)聯(lián)分析方法，選擇黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ作為比較序列，瀝青混合料的單軸貫入強(qiáng)度為參考序列，計算灰色關(guān)聯(lián)度見表9.

表9 不同條件下混合料貫入強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c的灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果，黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ對干拌直投廢胎膠粉改性瀝青混合料高溫單軸貫入強(qiáng)度的影響程度基本相當(dāng)，但內(nèi)摩擦角φ的影響略高于黏聚力c，表明干拌直投廢胎膠粉對瀝青混合料的高溫性能具有同時改善瀝青膠結(jié)料和混合料骨架結(jié)構(gòu)的復(fù)合改性效應(yīng)，其中對瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)的改善作用相對突出，進(jìn)一步驗(yàn)證了前文高溫性能改性作用試驗(yàn)分析結(jié)論.

4 結(jié) 論

1) 干拌膠粉加入基質(zhì)瀝青后，能夠有效改善瀝青的高溫、低溫和溫度敏感性，當(dāng)膠粉摻量大于15%時，改性后瀝青的技術(shù)性能與SBS I-D改性瀝青相當(dāng).

2) 干拌膠粉在拌和過程中，不僅與瀝青發(fā)生反應(yīng)，改善了瀝青混合料的黏聚力c；而且改善了瀝青混合料的內(nèi)摩擦角φ，具有改善瀝青膠漿和混合料骨架結(jié)構(gòu)的雙重改性作用.

3) 當(dāng)膠粉摻量大于10%以后，瀝青混合料的黏聚力c基本趨于穩(wěn)定，干拌膠粉對瀝青膠漿性能的改善程度存在一定的限度.

4) 隨著膠粉摻量的增加，瀝青混合料的內(nèi)摩擦角φ逐漸增大，干拌膠粉可以持續(xù)改善瀝青混合料骨架強(qiáng)度.

5) 根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果，內(nèi)摩擦角φ對干拌直投廢胎膠粉改性瀝青混合料高溫性能的影響程度略高于黏聚力c，在干拌直投廢胎膠粉高溫性能雙重改性效應(yīng)中，其對瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)的改善作用相對突出.