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温拌橡胶复合改性沥青性能及微观机理研究

更新时间:2009-03-28

0 引言

橡胶沥青路面的应用,实现了资源的循环利用,降低了环境污染的问题,同时使路面的高温稳定性、抗疲劳性能、水稳定性和使用寿命等大大提高。但是橡胶沥青过于粘稠,拌合时沥青需要180 ℃,矿料需要190~220 ℃,混合料运输过程中要保持180 ℃以上,摊铺和碾压时的温度不低于150 ℃[1]。在这种高温条件下,产生大量的温室气体,有害气体,给周围环境和施工人员造成很大伤害,还会产生沥青老化等问题,其路用性能也会因此而恶化[2]。由此可知,在橡胶沥青生产过程中,由于高温的问题,使生产出来的橡胶沥青混合料并不能像预期的那样,解决其生产过程中的高温问题是目前亟待解决的难题[3]。为了解决此问题,本文通过室内试验,将温拌剂以不同比例掺入到橡胶沥青中,探讨不同制备工艺、不同温拌剂掺量及不同橡胶粉掺量对沥青结合料性能的影响。

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1 原材料

本试验采用埃索AH — 70#基质沥青、XT — W2型温拌剂,属于改性蜡类固体温拌剂。参考国内外研究成果,当橡胶粉的目数达到80目时,增长曲线变得平缓,并非橡胶粉的目数越大越好,因此本文采用80目橡胶粉进行试验[4]

2 温拌橡胶沥青性能研究

根据橡胶粉与温拌剂的加入顺序不同,采用2种不同的加工方案生产温拌橡胶复合改性沥青,方案1即是先往热熔的沥青中加橡胶粉制备橡胶改性沥青,后加入温拌剂制得温拌橡胶复合改性沥青;方案2即是先加温拌剂制备温拌改性沥青,后加橡胶粉制得温拌橡胶复合改性沥青。反应温度均采用175 ℃±5 ℃,反应时间均为1 h,并且根据试验室条件采用高速剪切机配制温拌橡胶复合改性沥青[5]。对比分析2种加工方案,确定出最佳的掺配工艺。

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由图4可知,当量软化点均随着橡胶粉用量增加而不断提高,且在一定范围内,方案1当量软化点高于方案2。当橡胶粉的用量大于18%时,当量软化点的变化趋势变得缓和,主要由于随着橡胶粉的不断掺加,橡胶颗粒与基质沥青之间溶胀反应趋于饱和。

2.1 针入度试验

在一定程度上针入度大小与沥青的软硬、粘稠和抗剪切破坏的水平存在相关性,针入度值小表示沥青的稠度越大;反之沥青的稠度越小[6]。针入度随温拌剂掺量的变化趋势如图1所示,针入度随橡胶粉用量的变化趋势如图2所示。

  

图1 针入度随温拌剂掺量变化趋势

  

图2 针入度随橡胶粉掺量变化趋势

根据图1及图2的变化趋势可以看出:方案1和方案2这2种不同的配制方法条件下温拌橡胶沥青的针入度指标的变化规律大致相同,但是在相同影响因素条件下,采用方案1制备的沥青其针入度略大于方案2,随着温拌剂用量的增加沥青的针入度先增大后减小,在温拌剂用量为3%时沥青的针入度达到最大。随着橡胶粉用量的增加沥青的针入度逐渐减小,这是橡胶颗粒吸收沥青中的轻质组分,发生溶胀反应使沥青中沥青质含量增加,沥青的黏结力、黏度增加,从而导致沥青变硬,针入度减小,沥青的高温稳定性得到提高[7]

2.2 当量软化点T800

由于沥青中蜡含量较高,使得试验中所测得的软化点不能真实反映沥青的高温稳定性[8]。为解决该问题,本文采用当量软化点用来改进沥青的实测软化点。即针入度达到800时的温度,将其计算结果绘制如图3、图4所示。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0662 — 2000要求的试验方法,水浴温度25 ℃,试样在延度仪上拉伸速率(5±0.25)cm/min,试样拉伸长度(10±0.25)cm,试样在25 ℃水浴中保温1 h,最后根据拉伸后试样长度计算恢复率[11]。该试验数据可以反映出沥青结合料的应力松弛能力。其试验结果如图7、图8所示。

  

图3 当量软化点随温拌剂掺量变化趋势

  

图4 当量软化点随橡胶粉掺量变化趋势

由图3可知,2种方案的当量软化点均在温拌剂掺量3%时出现峰值。主要由于少量温拌剂在一定程度上提高了沥青的高温稳定性。当温拌剂用量超过3%时方案1当量软化点下降更明显,说明方案2在沥青和橡胶粉溶胀进程中,部分温拌剂被橡胶粉吸收,从而使温拌剂的作用效果被削弱。

在研究温拌橡胶复合改性沥青的性能时,选择2%、3%、4%等3个不同的温拌剂掺量,橡胶粉选择16%、18%、20%等3种不同的掺量,对比研究不同因素、不同掺量下的温拌橡胶复合改性沥青的性能。

2.3 布氏旋转粘度试验

粘度表征了沥青与集料之间的结合能力,对于研究沥青材料的力学性能、施工工艺等具有重要价值[9]。本文采用布氏旋转粘度试验研究温拌橡胶沥青的粘度性能。其试验结果如图5图6所示。

  

图5 布氏粘度随温拌剂掺量变化趋势

  

图6 布氏粘度随橡胶粉掺量变化趋势

1) 采用控制单一变量法,通过针入度试验、弹性恢复试验、布氏旋转粘度等试验,对比分析在2种掺配工艺条件下,不同温拌剂掺量和不同橡胶粉掺量的温拌橡胶沥青的性能指标。通过对比分析,确定出温拌剂的最佳掺量为3%,橡胶粉的掺量宜为18%和20%,制备工艺采用方案1较佳。

1) 根据以上数据和变化规律可以看出,采用方案1配制的沥青试样其温拌剂降粘效果要明显优于方案2。在橡胶粉掺量固定不变时,温拌剂掺量的加大,试样的粘度数值不断减小,且方案1和方案2所配制试样粘度值趋于相等。这是因为采用方法2配制的温拌橡胶沥青中由于首先让温拌剂和基质沥青混合,橡胶粉在吸收基质沥青中轻质组分的同时也吸收了部分温拌剂,从而使温拌剂的浓度有所降低,温拌剂用量的加大,橡胶颗粒对轻质组分的吸收逐渐达到饱和状态,2种不同配制方法所配置的温拌橡胶沥青中,温拌剂浓度的差别逐渐减小,从而使得粘度的差别也逐渐减小。

2) 在温拌剂用量一定情况下,橡胶粉用量的加大,沥青的布氏旋转粘度不断提高。且2种生产方案的沥青试样的粘度数据差别逐渐增大。这也是因为橡胶颗粒对沥青中轻质油分的吸收不断增加所导致。且当橡胶粉掺量超过20%时,沥青混合料的拌合压实有一定的困难,从施工便利性方面来说,此时粘度值不利于施工[10]

2.4 弹性恢复试验

从表1可以看出,可降解地膜全膜栽培、黑色全膜大垄面穴播、膜上覆土栽培、黑色全膜双垄垄侧种植提前了生育期进程。

  

图7 弹性恢复随温拌剂掺量变化趋势

  

图8 弹性恢复随橡胶粉掺量变化趋势

图7可知,在橡胶粉用量不变的情况下,一定范围内,温拌剂掺量增加,温拌橡胶沥青的弹性恢复有较大提高,温拌剂用量超过3%以后,试样的弹性恢复性能提高不明显。

图8可知,在温拌剂用量一定时,随着橡胶粉用量增加,弹性恢复性能明显改善。无论控制变量是温拌剂掺量,还是橡胶粉掺量,采用方案1配制的沥青试样其弹性恢复性能均明显优于方案2,也进一步说明了方案1的温拌效果优于方案2,胶粉的弹性作用更好的发挥。

3 微观机理

3.1 电镜扫描试验

为了研究温拌剂对橡胶沥青性能的影响,采用扫描电子显微镜观察橡胶沥青在加入温拌剂前后的微观结构变化情况,如图9和图10所示。

二是在各评价因子分级赋值的基础上,利用GIS空间分析功能,将各评价因子图层进行空间叠加,划分土地资源建设开发适宜性等级,划分原则为:①落入强限制性因子范围的评价单元直接确定为禁止建设等级;②其余评价单元,若涉及的全部评价因子均为适宜,则该评价单元确定为适宜等级;若出现1个及1个以上评价因子为不适宜,则该评价单元确定为不适宜等级;其他情况均确定为有条件适宜等级。

通过对比不难看出,沥青中掺加温拌剂前后,界面情况发生了很大变化,掺温拌剂前橡胶颗粒在基质沥青中存在明显的聚团现象,橡胶颗粒以形状不规则的微小颗粒分散在基质沥青中,并且橡胶颗粒在基质沥青中的溶胀反应进行的并不彻底,但是加入温拌剂之后橡胶颗粒在基质沥青中均匀分布,橡胶颗粒在沥青中溶胀效果明显[12]。由此可知,温拌剂可改善橡胶颗粒和沥青的溶胀进程,使橡胶颗粒在基质沥青中分散更加均匀,从而使橡胶颗粒和基质沥青的接触更加充分,两者之间溶胀进程得到改善。

  

图9 未加温拌剂时橡胶沥青界面结构

  

图10 掺温拌剂后橡胶沥青界面结构

为了确定合理的掺配方案,采用扫描电子显微镜观察2种不同掺配方案条件下的温拌橡胶沥青的微观结构,通过对比分析选择合理的掺配工艺。

如图11和图12所示分别为采用方法1和方法2配制温拌橡胶沥青的电镜扫描照片。

  

图11 采用方法1制备的沥青试样放大1000倍图片

  

图12 采用方法2制备的沥青试样放大1000倍图片

通过图11和图12可以看出:温拌橡胶沥青的微观形态呈现出单相连续结构,橡胶颗粒表面被沥青质所包裹,橡胶颗粒通过吸收沥青中的轻质组分而发生溶胀,但是颗粒大小并不均匀,并且温拌橡胶沥青的颗粒之间通过沥青质连接在一起,并没有像SBS一样形成网状结构[13]

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将图11和图12进行对比分析可知,在图11中橡胶粉颗粒的溶胀反应情况更均匀,橡胶颗粒表面被一层厚厚的沥青质包裹,不同颗粒的体积差别不大,橡胶颗粒均匀分布,溶胀反应比较均衡;图12中橡胶颗粒出现轻微聚团现象,且颗粒大小差距较大,说明其溶胀进行的并不均匀。主要由于方案1的改性沥青生产工艺可以减少温拌剂在高温状态时的消耗,从而更加充分地发挥温拌剂的润滑效果,进而减小了颗粒聚团的可能性,使橡胶颗粒和溶胀进程更加均匀。综上所述,采用方案1制备温拌橡胶沥青,更有利于溶胀的均匀进行,采用方案2虽然溶胀效果好,但是溶胀不均匀,橡胶颗粒易聚团。

[6] Sasol Wax Americas inc.Sasobit in Warm Mix Asphalt Applications 9 Years of Global Successes[Z].World of Asphalt Conference,2006.

3.2 红外光谱分析

为进一步研究温拌橡胶复合改性沥青的微观改性机理,试验采用红外光谱仪分析了基质沥青和橡胶粉之间的相互作用,以及掺加温拌剂后温拌橡胶沥青微观结构的变化。基质沥青、橡胶沥青及温拌橡胶沥青的红外光谱试验结果如图13、图14和图15所示。

根据图13中70#基质沥青的红外光谱特征吸收峰位置,对比沥青分子结构的红外特征吸收表可知,在波数为3434.21处出现吸收峰是由于游离-OH伸缩振动产生的,在2922.91和2852.69处出现吸收峰是由于-CH2-中C-H键伸缩振动产生的,在1457.09和1376.87处出现吸收峰是由于为C-H面内弯曲振动的结果,而在1630.89处出现的吸收峰是由于C=C双键伸缩振动的结果[14]。由此可以看出在70#基质沥青中,大多数物质是由饱和及不饱和碳链形成的分子结构。

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图13 基质沥青红外光谱分析图

  

图14 橡胶沥青红外光谱分析图

  

图15 温拌橡胶复合改性沥青红外光谱分析图

将图13和图14的红外光谱吸收图进行对比分析可以发现,在图14中并没有新的化学键或者官能团的吸收峰出现,且图14中物质的红外光谱吸收峰所代表的化学键和官能团与基质沥青几乎一样,由此可知,橡胶粉与基质沥青之间并没有发生化学反应,只是形成了共混物。

由图15温拌橡胶沥青的红外光谱分析结果可知,由于温拌剂的加入,在波数为759.45和698.99的位置出现了2个新的吸收峰,其中759.45处吸收峰是由于饱和亚甲基的面内摇摆振动引起的,698.99处的吸收峰是由于不饱和C-H间的振动引起的[15]。由此可以看出温拌剂的加入改变了沥青的物质组成,这些新的吸收峰的出现可能是由于温拌剂的成分所引起的,也可能是温拌剂与沥青之间发生了化学反应,由于沥青的组分比较复杂,其具体情况需要进行进一步的验证。

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4 结论

[5] 彭刚.基于多指标正交试验的温拌橡胶沥青制备工艺优化[J].公路,2016(11):179-183.

由图5、图6可以得出以下结论:

2) 采用扫描电子显微镜,对橡胶沥青、温拌橡胶沥青以及采用不同工艺条件制备的温拌橡胶沥青进行微观分析,可以发现温拌剂的加入,改善了橡胶粉在基质沥青中的反应条件,使橡胶粉在基质沥青中分布更加均匀,溶胀进程得到改善。通过对比不同制备工艺条件下温拌橡胶沥青的微观界面,可以发现采用方案1制备的温拌橡胶沥青中胶粉颗粒被沥青质包裹,颗粒在沥青中均匀分布,颗粒间大小差别不大,而方案2中胶粉颗粒虽然溶胀效果较好,但出现了聚团现象,温拌剂的作用效果不明显,即方案1的温拌效果较好。

3) 采用红外光谱仪研究了温拌橡胶沥青的微观结构特征。通过对比分析发现,橡胶粉与基质沥青之间的溶胀反应属于物理变化,该过程中并没有新的化学键生成,而温拌剂的掺加,增加了沥青试样中化学键的种类,由此可知,温拌剂的使用使得沥青试样中有新的物质出现。

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参考文献:

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[4] 吴树标.温拌橡胶沥青胶结料高温性能研究[J].石油沥青,2016(1):12-16.

通过对温拌橡胶复合改性沥青性能研究,得出以下结论:

为了避免再次发生掘进进度的错报,他提出采取井下现场挂牌、喷涂色料等办法,对丈量过的巷段做出明显的标记,并把这种标记做法推广到基层每个统计人员。

[7] 丁海波,周刚.温拌剂对橡胶改性沥青性能的影响研究[J].公路,2014(4):175-179.

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[8] 程培峰,范平.基于正交灰关联分析法的温拌橡胶沥青性能影响因素研究[J].中外公路,2014(4):318-323.

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[15] 李廷刚,李金钟,李伟.橡胶沥青微观机理研究及其公路工程应用[J].公路交通科技,2011(1):25-30.

本次调研通过E-mail和现场发放问卷相结合的方式进行,共发出200份问卷。由于个别问卷填写不规范,所以将其剔除,共计62份。最终获得138份有效问卷。被调查者可以通过Likert 7点量表所包含的7个等级对问卷中各题项的认同程度进行差异化区别。

 
张伟,曾璐璐,高帅辉
《湖南交通科技》 2018年第01期
《湖南交通科技》2018年第01期文献

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