橡胶粉改性沥青技术性能及质量控制研究

2015-10-16李广权

黑龙江交通科技 2015年4期

李广权

(贵州路桥集团有限公司)

0 引言

为了提高路面的力学性能以及使用性能，越来越多的公路采用沥青路面。但沥青材料作为高分子有机物，存在高温稳定性不足以及低温易开裂等问题。针对沥青材料的使用性能以及工程实际的需要，道路行业专业人士提出了改性的观点。其中橡胶粉即为一种重要的乳化沥青改性集，添加橡胶粉改性乳化沥青后，可有效提高沥青混合料路面的耐久性、耐高温性及水稳定性，且提高路面的承载能力。

然而，橡胶粉改性沥青使用的过程中，国内还没有一个完整的改性沥青的评价体系，同时施工单位在得到成品改性沥青时对橡胶粉掺量的确定还尚未形成有效地手段。基于此，将深入的研究橡胶粉的掺量对改性沥青的各项性能指标的影响，同时探讨橡胶粉改性沥青在生产过程中的质量控制技术。研究结果将为橡胶粉改性沥青的质量评价及控制提供参考依据。

1 试验原材料及改性机理分析

1.1 试验原材料

本次试验橡胶粉改性沥青采用AH-70重交道路石油沥青作为基质沥青，按照规范方法，对基质沥青进行技术指标测定，测定结果见表1，橡胶粉采用某石化公司生产的1301型改性剂，其主要质量指标见表2。

表1 基质沥青技术指标

表2 改性剂主要质量指标

1.2 改性机理分析

沥青混合物主要是油分、树脂和沥青质三部分组成，橡胶粉混合到热沥青。

首先沥青中橡胶粉颗粒吸油膨胀，通过急速剪切发展阶段，橡胶粉颗粒在原油沥青中重新变性改变原沥青紧凑的结构，溶胀变性后的橡胶粉均匀地散布于沥青，由于橡胶粉颗粒对沥青混合物中的油分吸收使沥青变的粘稠。

其次，加入橡胶粉的沥青混合物不仅保持了原有的沥青的性能并且能较好的利用橡胶颗粒在高温沥青中产生的胶质以增强混容料的粘塑性。该相容剂的改性橡胶粉沥青形成弹性适量的网络结构。部分橡胶组分扩散沥青间隙片段中，从而使三维网络间沥青胶体粒子的蠕动加以限制，从而增加沥青的凝聚力和弹性热沥青中拌入橡胶粉后立即融合沥青中低分子，基于它的聚合膨胀以及热力作用下分布到沥青中。

橡胶粉提高沥青抗高温性的原理:急速剪切作用的橡胶粉聚合物改性沥青中能够让橡胶粉很好的融合其中，由于沥青中的中低分子作用，在聚合物改性沥青中相互渗透使其溶胀，溶胀作用下橡胶粉位置性能的形成被传递到沥青，从而提高聚合物改性沥青和蠕变性的机械性能，因此，组合成一个立体互穿兼容结构，抑制了整个分子系统可以在高温条件下的聚合物改性沥青中移动，这样的聚合物改性沥青在高温条件下会有熔融现象，从而聚合物改性沥青的高温性能得到提高。

橡胶粉提高沥青抗低温性的原理:低温条件下，沥青中分子热运动性降低以至于分子间间距减小，我们知道分子间的范德华力会随着分子间的间距减小而增大。因此，沥青中分子间作用力增强导致沥青变脆。已知此前提条件下，在沥青中加入橡胶粉改性剂后，由于溶胀、热力等作用下橡胶粉小颗粒中会形成大量的剪切带并相互作用，大大减缓了材料的破坏过程，当聚合物改性沥青继续受外部张力，因为低温沥青低温模量大于橡胶粉低温模量，在临界面处出现裂缝时，由于改性剂粒子跨越裂缝两端阻碍了其进一步扩展，并且也会吸收和消耗混合物断裂所需要的能量，可见聚合物改性沥青在低温条件下沥青的抗裂性能增强。

2 橡胶粉改性沥青技术性能评价

2.1 评价指标和方法

主要从沥青的温度敏感性、高温稳定性两个性能指标出发，开展对1301型橡胶粉不同掺量的改性沥青性能指标的试验，分析了橡胶粉改性沥青性能指标随橡胶粉掺量的变化规律。其中，低温敏感性指标主要有针入度、针入度指数，高温稳定性指标主要包括软化点、当量软化点、135℃运动粘度。

将橡胶粉改性剂按照沥青质量的2%，3%，4%，5%，6%掺量，均匀撒布在AH-70重交道路石油沥青中，制成不同橡胶粉掺量的改性沥青标准试件，整个性能试验过程严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)进行性能试验。

2.2 橡胶粉拌合量对沥青温度敏感性的影响

(1)橡胶粉拌合量掺量与针入度的关系

沥青性质会随着橡胶粉改性剂的掺入而发生改变，最明显的是凝胶结构会提高凝胶化现象，从而导致不同的温度敏感性。图1显示了25℃聚合物改性沥青渗透型改性剂含量橡胶粉1301的关系曲线。

图1试验结果表明，橡胶粉改性剂的加入，对针入度的变化影响较大，且随橡胶粉掺量的增加，针入度都有明显下降，当橡胶粉掺量从2%开始后，每增加1%，橡胶粉1301型改性沥青25℃针入度值降低2(0.1 mm)左右，这主要是因为橡胶粉改性剂能吸附基质沥青中的一部分轻质组分而产生溶胀，进而改善了沥青的流变性。

图1 橡胶粉掺量与25℃针入度的关系

(2)橡胶粉拌合量与针入度指数的相关性

一般情况下把不同温度下沥青的针入度变化表现出的温度敏感性作为有效控制沥青及沥青混合料路面使用性能的一个重要指标。因为橡胶粉改性剂的嵌段比、分子量大小与基质沥青间的相互作用不同，那么，橡胶粉的掺量对沥青感温性的影响也不尽相同。图2为橡胶粉1301型改性剂的掺量与针入度指数PI的关系变化曲线。

图2 橡胶粉拌合量与针入度指数PI的关系

从图2可看出，针入度指数PI随橡胶粉1301型改性剂掺量的增加呈增大趋势。如果出现针入度指数PI先提高后降低现象，这种橡胶粉掺量过多将引起沥青温度敏感性的提高，违背了改性剂本身的作用，这也表明橡胶粉掺量并非越大越好。如果聚合物改性沥青性能指标能够满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ040-2004)对橡胶粉改性沥青针入度指数PI值要求时，可选用较低的橡胶粉掺量，这样可以降低工程造价。

2.3 橡胶粉拌合量对沥青抗高温性的影响

(1)橡胶粉拌合量与软化点的相关性

图3 橡胶粉拌合量与软化点的相关性

图3为软化点随橡胶粉1301改性剂拌合量的变化线性关系。软化点随橡胶粉掺量增加逐渐增大，在3%拌合量时橡胶粉1301聚合物改性沥青的软化点数值增加的变化率最明显，是软化点突变的拐点，这说明此时改性剂发挥的作用效果最佳。从图中看出，橡胶粉改性剂的掺入显著提高了沥青的软化点，究其原因，沥青是复杂的高分子聚合物，在与橡胶粉接触时，沥青质在胶质和芳烃中的作用中形成胶束，连接胶束形成一组不规则的和紧密的网状结构，该结构内的孔隙将充满胶束溶液导致聚合物改性沥青弹塑性减弱，从而提高了聚合物改性沥青的软化点。

(2)橡胶粉拌合量与当量软化点的相关性

图4 橡胶粉拌合量与当量软化点的相关性

由图4可看出，随着橡胶粉掺量的增加当量软化点会有显著地上升，橡胶粉1301型改性沥青的当量软化点并非呈单调递增的特征，在橡胶粉掺量5% ～6%时，略有下降趋势。这说明改性剂对沥青高温稳定性的影响无一定的规律性，这有可能因为橡胶粉与基质沥青的配伍性相关。

(3)橡胶粉掺量与135℃运动粘度的关系

图5 橡胶粉拌合量与135℃运动粘度的相关性

图5曲线表明，135℃运动粘度随着橡胶粉掺量的增加呈指数上升趋势，这是由于橡胶粉改性沥青中细小颗粒内部连接紧密，形成了高度凝胶化特性，导致沥青结构性增强，因而在高温下橡胶粉改性沥青的形变能力将有所增强。当橡胶粉1301掺量小于6%时，聚合物改性沥青的135℃运动粘度没有突破规范最大值3 Pa·S，能够满足现场沥青泵送和拌和要求。

3 混合料生产工艺及质量控制

3.1 混合料生产工艺流程

该路段橡胶粉改性沥青混合料采用厂办热拌的生产工艺，热拌生产工艺是在普通沥青混合料热拌工艺的前级增加了沥青改性工序，将改性后的沥青加入拌和混合料拌和机。

3.2 拌和过程质量控制要素

(1)普通沥青混合料拌和时间不宜少于45 s，拌和时，适当延长干拌时间和湿拌时间，均比普通沥青混凝土延长5 s。其中干拌时间不得少于50 s。

(2)均匀一致，无花白料、无结团成块成严重的粗细料分离现象。

(3)拌和料厂设专人检测混合料的质量、温度、外观等。

(4)改性沥青混合料宜随拌随用，若因生产或其它原因拌制好的沥青混合料不立即铺筑时，可放入成品储料仓短时间储存。贮存时间不宜超过24 h，贮存期间温降不应超过10℃，且不得发生结合料老化，滴漏以及粗细集料颗粒离析。

3.3 生产和施工温度控制

橡胶粉改性沥青热拌混合料的生产温度控制标准见表2。拌合站的温度控制方法主要是通过红外温度传感器监控。摊铺现场有专人量测混合料摊铺温度，并做好记录，对于不符合温度要求的沥青混合料及时清除。摊铺现场温度用插入式温度计逐车检测受料前的混合料温度，用数显温度仪、红外温度枪等跟踪检测摊铺、压实面的表面温度，停车待卸的运料车辆，不得过早揭掉保温覆盖设施。环境气温低于10℃时停止施工。

表3 橡胶粉改性沥青混合料生产和施工温度控制

3.4 接缝处理

橡胶粉改性沥青混合料路面在摊铺过程中，由于工作中断，摊铺混合料的末端已经冷却，或者在第二天恢复工作时，会形成横向施工冷缝。横缝根据实际情况进行处理，在铺设当天混合料冷却但尚未结硬时用切缝机切成垂直上下面层的平接缝，但不得损伤下层路面，铺筑接头时应先在压实段上面铺设一些热混合料，使接缝处预热软化。上下两面层预留的横缝至少错开200 mm以上，下面层施工缝须避开基层施工缝预防产生反射裂缝。横缝碾压应先清除掉接缝预热混合料及切割时留下的泥水，待干燥后涂刷粘层油进行，并顺横缝方向进行，采用双钢轮机，压路机先置于已压实的一侧，以后每压一遍钢轮便向新铺段横移20 cm，直至双钢轮全部碾压新铺面层后改作纵向常规碾压，见图6所示。