2024-09-27
 
温拌橡胶沥青混合料高低温性能研究
2024年09月27日   阅读量:48737

摘 要:

为评价温拌橡胶沥青混合料的高低温性能,选择 Sasobit 和 Rediset 两种温拌剂制备温拌橡胶沥青及橡胶沥青混合料,通过旋转黏度试验和肯塔堡飞散试验评价两种温拌剂的温拌效果,通过动态剪切流变试验和汉堡车辙试验评价温拌橡胶沥青及混合料的高温性能,通过间接拉伸试验和半圆弯曲试验评价温拌橡胶沥青混合料的低温抗裂性能。结果表明:含 Sasobit 混合料具有更好的抗车辙性能和高温稳定性能,含 Rediset 混合料的温拌效果更好,且具有更好的低温抗裂性能。

关键词:道路工程;温拌剂;橡胶沥青;高低温性能


0 引言

橡胶沥青能消耗大量废旧轮胎,并提高沥青混合料的高温、疲劳等综合性能,是废旧轮胎资源化回收利用的有效途径沥青网sinoasphalt.com。但橡胶沥青混合料施工温度较高,增加了施工难度,施工过程产生异味,温拌橡胶沥青可显著降低施工温度。诸多学者对温拌沥青开展了相关研究。Ameri 等[1] 通过弹性模量、动态蠕变和旋转粘度试验,分析了沸石温拌剂对橡胶沥青及其混合料的力学性能和流变性能的影响;Wang等[2]通过多应力蠕变恢复和线性振幅扫描等方法,研究了含非发泡温拌剂橡胶沥青的高、中、低温性能;蒋映辉[3]研究了温拌剂添加工艺对橡胶沥青性能的影响。此外还有关于温拌橡胶沥青降黏机理[4]、泡沫温拌橡胶沥青[5 - 6] 等方面的研究。温拌橡胶沥青性能受温拌剂种类影响较大,而关于不同温拌剂对橡胶沥青性能影响差异的相关研究较少。基于此,文章选择 Sasobit 和 Rediset 两种温拌剂制备温拌橡胶沥青及橡胶沥青混合料,通过旋转黏度、肯塔堡飞散试验、动态剪切流变试验、汉堡车辙试验、间接拉伸试验和半圆弯曲试验评价温拌效果及温拌橡胶沥青混合料的高低温性能。


1、试验原材料与方案

1. 1 原材料

基质沥青为普通市售 AH - 70 型,橡胶粉由大货车废旧轮胎经脱硫加工制得,细度 60 目。温拌剂采用 Sasobit 和 Rediset。Sasobit 为有机降黏类温拌剂,外观为白色颗粒,熔点 120℃ ,Sasobit 用量为基质沥青重量的 2%[7]。Rediset 为表面活性剂温拌剂,外观为黄褐色液体,Rediset 掺量为基质沥青质量的 0. 5%[8]。

湿法添加温拌剂,先制备温拌橡胶沥青,再制备温拌橡胶沥青混合料。温拌橡胶沥青制作方法为:将基质沥青加热到 155 ~ 165℃ ,以基质沥青质量为基准,加入 20% 的橡胶粉,使用高速剪切搅拌仪,先以 800 ~ 1000r/ min 的速率低速搅拌 5min,然后以2500 ~ 3000r/ min 的速率高速剪切搅拌 5min,然后将加 入 胶 粉 的 沥 青 在 155 ~ 165℃ 烘 箱 中 静 置10min,以此为一个搅拌周期。重复两个周期,并在第二个周期开始搅拌时加入设定剂量的温拌剂,得到温拌橡胶沥青。

温拌橡胶沥青混合料制备温度为沥青加热至135 ~ 140℃ ,集料加热至 165 ~ 175℃ ,拌锅加热至155℃ 。控制混合料拌和完成温度在 140 ~ 150℃ 。同时设置未添加温拌剂的普通橡胶沥青混合料作为对照,制备温度为集料加热至 190 ~ 200℃ ,沥青加热至 160 ~ 165℃ ,拌锅加热至 180℃ ,控制混合料拌和完成温度在 170 ~ 180℃ 。两种温拌橡胶沥青混合料和普通沥青混合料级配均为 WRAC - 13 型,温拌橡胶沥青混合料油石比均为 5. 8%[9]。混合料拌制完成后,分别按照不同的试验方法成型待测试件。

1. 2 试验方法

试验包括沥青试验和混合料试验。为分析不同类型混合料的抗氧化及抗水损害性能,对混合料不同测试试件增设氧化和浸水预处理。

1. 2. 1 沥青混合料试件预处理

将拌制好的混合料均匀分散摊开在托盘中,放入烘箱中保温老化 4h,期间打开烘箱鼓风,并每隔1h 用铲混合后再分散,烘箱温度与不同混合料拌和出料的温度一致[10]。然后将老化后的混合料成型为不同类型的待测试件。对于需要进一步浸水处理的试件,冷却至室温后放置在 60℃ 的恒温水浴中浸水 48h,取出,冷却至室温后待测。

1. 2. 2 改性沥青性能试验

黏度测试参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20 - 2011)中 T 0625,测试不同橡胶沥青的旋转黏度。参照 ASTM 7643,采用动态剪切流变试验确定不同橡胶沥青的临界温度,评价不同橡胶沥青的高温性能。试验过程采用 25mm 平行板,间隙1mm。应变水平12% ,试验频率10rad / s。以1 kPa为阈值,根据式 1 计算不同橡胶沥青的临界温度。

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式 1 中,Tc 为临界温度;T1 为两个测试温度中的较低值;T2 为两个测试温度中的较高值,温度的单位均为℃ ;P1 为 T1 温度时的车辙因子,单位为kPa;P2 为 T2 温度时的车辙因子,单位为 kPa,Ps 为满足要求的车辙因子,单位为 kPa。

1. 2. 3 改性沥青混合料性能试验

肯塔堡飞散试验参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20 - 2011)中 T 0733,将不同类型的试件分别放在洛杉矶磨耗机中,不加钢球,以30 ~ 33r/ min 的速率旋转 300 次,计算旋转后的飞散质量损失。

间接拉伸试验参照 AASHTO T283,测试前将待测试件在 - 10℃条件下保温 4h,测试过程加载速率为 50mm / min,根据式 2 计算间接拉伸强度。

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式 2 中,St 为间接拉伸强度,单位为 MPa;Pmax为最大荷载,单位为 N;t 为试件厚度,单位为 mm;D为试件直径,单位为 mm。

汉堡车辙试验参照 AASHTO T324,利用旋转压实成型直径 150mm、高 63mm 的待测试样,测试前将试件在 60℃水浴中浸泡 30min,测试过程中,试件始终浸泡在 60℃ 恒温水中。试验终止条件为荷载作用 20000 次或车辙深度达到 12. 5mm。测试过程分别在荷载作用 5000、10000、15000 和 20000 次时记录车辙深度。

半圆弯曲试验试件制作方法为:利用旋转压实方法成型 φ150mm × 175mm 圆柱形试件,再将圆柱形试样切割为多个 30mm 厚的圆片,每个圆片沿中间对切为两个半圆片。在半圆片直径边上预切宽度2mm、深度 20mm 的裂缝。测试前将试件在 - 10℃条件下保温 4h,测试过程采用 UTM - 30 搭配三点弯曲夹具,荷载作用速率为 0. 5mm / min。采用最大载荷、断裂位移和断裂能作为混合料的抗裂性能评价指标。其中断裂能计算见式 3。

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2 结果分析

2. 1 橡胶沥青性能

原橡胶沥青(不含温拌剂的橡胶沥青) 及两种温拌沥青的旋转黏度、动态剪切流变试验得到的临界温度见图 1。

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由图 1 可知,在原橡胶沥青中添加温拌剂后,温拌橡胶沥青的旋转黏度显著降低。相同温度下,含Sasobit 橡胶沥青的旋转黏度高于含 Rediset 橡胶沥青的旋转黏度。135℃ 下,含 Sasobit 橡胶沥青的旋转黏度仍略大于《 公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)限定的 3Pa·s,但含 Rediset 橡胶沥青的旋转黏度低于 3Pa·s,满足规范要求,表明含 Rediset 橡胶沥青在 135℃ 时可正常施工使用。

145℃时,两种温拌橡胶沥青的旋转黏度均满足规范要求。针对临界温度测试结果,原橡胶沥青和含Rediset 橡胶沥青的临界温度基本一致,而含 Sasobit橡胶沥青的临界温度比其他两种沥青高约 5℃ 。在沥青性能方面,含 Sasobit 橡胶沥青比原橡胶沥青和含 Sasobit 橡胶沥青高约一个 PG 等级。旋转黏度及临界温度综合表明,相较于原橡胶沥青和含 Rediset橡胶沥青,含 Sasobit 橡胶沥青具有更好的高温性能和抗车辙性能,但 Sasobit 温拌剂的温拌效果不如Rediset 温拌剂。

2. 2 橡胶沥青混合料性能

2. 2. 1 肯塔堡飞散质量损失及间接拉伸强度

肯塔堡飞散试验质量损失及间接拉伸强度测试结果见图 2。

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由图 2 可知,在三种测试条件下,原混合料(不含温拌剂的橡胶沥青混合料)均显示出最低的质量损失,含 Sasobit 混合料的质量损失均大于原混合料和含 Rediset 混合料的质量损失。在未处理、氧化及氧化 + 浸水条件下,含 Sasobit 混合料的质量损失分别比原混合料高 24. 6% 、52. 1% 和 12. 9% 。在未处理和氧化条件下,含 Rediset 混合料的质量损失比原混合料分别高 5% 和 11% ,而在氧化 + 浸水条件下,含 Rediset 混合料的质量损失与原混合料质量损失基本一致。飞散试验质量损失可间接反映沥青混合料拌和状态、颗粒间黏结情况及混合料耐久性,质量损失越小,混合料颗粒之间的粘附能力越强,耐久性越好。根据三种橡胶沥青混合料飞散质量损失,含Rediset 混合料与原混合料的拌和效果及耐久性基本相当,含 Sasobit 混合料的拌和效果及耐久性低于原混合料,Sasobit 温拌剂的温拌效果低于 Rediset 温拌剂。

分析图 2 间接拉伸强度测试结果,针对同一类型的橡胶沥青混合料,均为氧化条件下间接拉伸强度最高,未处理条件下次之,氧化 + 浸水条件下最低。相比于未处理和氧化条件下,三种橡胶沥青混合料的间接拉伸强度增长幅度约为 15% ~ 20% ;相比于氧化条件和氧化 + 浸水条件下,原混合料、含Sasobit 混合料和含 Rediset 混合料的间接拉伸强度分别降低 30% 、45% 和 33% 。浸水对混合料的抗裂性能影响较大,特别是含 Sasobit 混合料,这主要受试件成型时不同混合料黏结程度及温拌剂降温效果影响。未处理及氧化条件下,含 Rediset 混合料的间接拉伸强度最高,其次为含 Sasobit 混合料,原混合料最低;氧化 + 浸水条件下,含 Rediset 混合料的间接拉伸强度最高,其次为原混合料,含 Sasobit 混合料最低。这表明含 Rediset 混合料的低温抗裂性能最佳。含 Sasobit 橡胶沥青混合料的抗裂性能仅在未处理及氧化条件下优于原混合料。

2. 2. 2 车辙深度

不同类型橡胶沥青混合料车辙深度测试结果如表 1 所示。加载结束时,在未处理和氧化条件下,含Sasobit 混合料车辙深度均为最小,其次为原混合料,含 Rediset 混合料车辙深度最大;在氧化 + 浸水条件下,原混合料与含 Sasobit 混合料的车辙深度基本相当,均小于含 Rediset 混合料的车辙深度。与未处理时相比,在氧化处理条件下,加载 15000 次时,原混合料的车辙深度变化值最大,其次为含 Sasobit混合料;与氧化时相比,在氧化 + 浸水条件下加载10000 次时,含 Rediset 混合料的车辙深度值变化最大,其次为含 Sasobit 混合料。氧化对原混合料影响最大,氧化 + 浸水对含 Rediset 混合料的影响最大。

综合不同测试条件下的车辙深度,三种条件下,含Sasobit 混合料的高温抗变形性能最佳;未处理条件下,含 Rediset 混合料的高温性能优于原混合料;氧化及氧化加浸水条件下,原混合料的高温性能优于含 Rediset 混合料。

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2. 2. 3 抗裂性能

由半圆弯曲试验得到的断裂荷载、断裂位移和断裂能测试结果见图 3。

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由图 3 可 知, 在 未 处 理 及 氧 化 条 件 下, 含Rediset 混合料的断裂荷载最大,其次为含 Sasobit 混合料,原混合料最低;氧化 + 浸水条件下,原混合料和含 Rediset 混合料的断裂荷载基本相当,均大于含Sasobit 混合料。 三种测试条件下,均为含 Rediset 混合料的断裂位移最大,其次为原混合料,含 Sasobit混合料最小。 与未处理时相比,氧化条件下,三种混合料的断裂荷载均增加,断裂位移均减小,三种混合料断裂荷载和断裂位移的变化幅度差异不明显。 与氧化条件下相比,氧化 + 浸水条件下三种橡胶沥青混合料的断裂荷载和断裂位移均减小,原混合料、含Sasobit 混合料和含 Rediset 混合料的断裂荷载降低幅度分别为 18. 2% 、41. 4% 和 36. 2% ,对应的断裂位移降低幅度分别为 15. 4% 、24. 0% 和 17. 2% ,这表明温拌橡胶沥青混合料的抗水损害性能较原混合料降低,特别是含 Sasobit 混合料。

断裂能受断裂荷载和断裂位移影响,是反映断裂性能的综合指标。根据图 3 结果,未处理及氧化条件下,含 Rediset 混合料的断裂能最大,含 Sasobit混合料和原混合料的断裂能基本相当;未处理条件下,含 Rediset 混合料的断裂能比其他两种橡胶沥青的断裂能高约 26% ;氧化条件下,含 Rediset 混合料的断裂能比其他两种橡胶沥青的断裂能高约 35% 。氧化 + 浸水条件下,原混合料和含 Rediset 混合料的断裂能基本相当,较含 Sasobit 混合料的断裂能高约48% 。综上,三种橡胶沥青混合料中,含 Rediset 混合料的低温抗裂性能最优,其次为原混合料。


3 结论

(1) Sasobit 和 Rediset 温拌剂均可显著降低橡胶沥青的旋转黏度,含 Rediset 橡胶沥青的 135℃ 黏度已满足规范要求。不同条件下,含 Rediset 橡胶沥青混合料的飞散质量损失与原沥青混合料基本相当,整体低于含 Sasobit 橡胶沥青混合料。Rediset 温拌剂的温拌效果优于 Sasobit。

(2)含 Rediset 橡胶沥青与原橡胶沥青的临界温度基本相当,含 Sasobit 橡胶沥青的临界温度比前两者高约 5℃ ,高温性能约高一个 PG 等级。在未处理和氧化条件下,含 Sasobit 混合料的车辙深度均为最小,其次为原混合料;在氧化 + 浸水条件下,原混合料和含 Sasobit 混合料的车辙深度基本相当,均小于含 Rediset 混合料。

(3)对于间接拉伸强度和断裂能指标,在未处理、氧化及氧化 + 浸水三种条件下,含 Rediset 混合料均为最大。未处理及氧化条件下,含 Sasobit 混合料与原混合料的两项指标基本相当或略高于原混合料。氧化 + 浸水条件下,原混合料两项指标性能优于含 Sasobit 混合料。

(4)浸水对温拌橡胶沥青混合料的性能影响较大,特别是含 Sasobit 混合料。含 Sasobit 混合料具有更好的高温稳定性能,含 Rediset 混合料具有更好的低温抗裂性能。


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