KZD-I改性剂掺量及沥青混合料性能研究

2016-07-13秦仁杰李永海

湖南交通科技 2016年2期

关键词：沥青混合料性能

秦仁杰，李永海，刘　可，孙　超

(1.长沙理工大学，湖南长沙　410114；　2.广西交通投资集团有限公司，广西南宁　530000)

KZD-I改性剂掺量及沥青混合料性能研究

秦仁杰1，李永海1，刘可2，孙超1

(1.长沙理工大学，湖南长沙410114；2.广西交通投资集团有限公司，广西南宁530000)

摘要：在充分了解改性剂KZD-I性质的基础上，制备不同掺量的KZD-I改性沥青，并对基质沥青及3种改性剂掺量的KZD-I改性沥青进行常规试验研究，同时制备油石比为4.2%的SBS和KZD-I改性AC-20沥青混合料进行水稳定性和高温稳定性对比试验研究，研究结果表明，70号A级道路石油沥青经KZD-I改性后，高温稳定性得到改善，混合料的水稳定性优良，高温抗车辙能力显著提高。

关键词：KZD-I改性沥青；沥青混合料；改性剂掺量；性能

1KZD-I改性剂简介

KZD-I是一种高分子复合材料，由塑料及其他高分子纳米材料复合而成，固体、黑褐色、颗粒状，无毒、无味、无腐蚀性、不自燃、无挥发性有害物质，比重0.86～1.20 g/cm3，熔点100～165 ℃，如图1。

图1　聚烯烃改性剂KZD-I

KZD产品(科中大沥青混合料聚烯烃改性剂)是公路沥青路面建设专用原材料，是一种公路建设节能环保型专业材料[1]。

KZD-I产品与行业产品相比，具有技术领先、使用简单、节能环保、性价比高等优点，是目前行业内顶尖级产品，填补了我国“直投式生产沥青混合料”技术空白，是一种“高性能沥青混凝土生产技术及节能减排生产技术”，主要应用于高速公路、高等级公路及特种沥青公路建设，如：国道、省道、城市道路、机场路面、海港码头、军事要道、桥面及隧道等。

2湿拌法KZD-I改性剂掺量试验研究

2.1原材料

2.1.1基质沥青

本次试验采用厦门华特集团有限公司供应的韩国SK 70号A级道路石油沥青，对该沥青进行针入度、软化点、延度、密度试验[2，3]，结果如表1。

表1 70号A级道路石油沥青的技术性能试验结果类别针入度(100g,5s,25℃)/(0.1mm)延度(5cm/min,15℃)/cm软化点TR&B(环球法)/℃密度(15℃)/(g·cm-3)技术要求60～80≥100≥46实测记录试验结果64>10049.01.038(T0604)(T0605)(T0606)(T0603) 注:括号内为试验方法。

2.1.2聚烯烃改性剂KZD-I(直投式)

本次试验采用由深圳市科中大交通建材有限公司研发、生产的外掺改性剂——科中大沥青混合料聚烯烃改性剂KZD-I，比重0.86～1.20 g/cm3，熔点100～165 ℃。

2.2改性沥青制备方法[4，5]

1) 将基质沥青分成3份，放入175～185 ℃的烘箱中，并恒温1 h；

2) 在温度为170～180 ℃的条件下，向步骤1)所述的基质沥青中分别加入3%、6%、9%(外掺)的聚烯烃改性剂KZD-I，并用玻璃棒均匀搅拌10～15 min[6]；

3) 在170～180 ℃的温度范围内，将混合物在高速剪切仪中高速剪切30～40 min，转速为6 000 r/min，剪切完成后将混合物放入175～185 ℃的烘箱中发育20～30 min；

4) 在温度为175～185 ℃的条件下，将步骤3)所述的发育完成的化合物在高速剪切仪中继续高速剪切30～40 min，转速为5 000 r/min，剪切完成后将混合物放入170～180 ℃的烘箱继续溶胀1 h，得到不同掺量的KZD-I改性沥青。

2.3性能试验结果

对所制取的改性沥青进行针入度、延度、软化点等性能试验[7]，结果如图2所示。

图2　不同KZD-I改性剂掺量对沥青针入度、延度、软化点的影响

从试验验结果可以看出：

1) 不同温度下，改性沥青针入度随着改性剂掺量的增加而不断减小，说明改性剂的加入，沥青的高温稳定性得到了改善。

2) 从试验数据看，不同温度下，改性沥青延度随着改性剂掺量的增加而不断降低，改性剂的加入对沥青低温延度没有太大影响，这表明改性剂KZD-I对于沥青结合料的低温性能并没有得到改善，甚至有所下降。但也有研究表明[2]，传统的延度试验对聚烯烃类材料低温性能的评价具有一定的局限性，由改性剂的加入使改性沥青的延度大大降低来判断沥青的低温性能变差是不合理的。

3) 软化点随改性剂掺量增加而增大，表明改性剂的加入提高了改性沥青的高温性能。

4) 从性能和混合机理出发，改性剂KZD-I掺量宜选在3%～6%。

3干拌法KZD-I改性沥青混合料性能研究

制备KZD-I改性沥青混合料AC-20，并同时制作SBS(I-D)改性沥青混合料做对比试验[7]，分别进行水稳定性试验和高温稳定性试验[8]，探讨改性沥青混合料在南方高温多雨环境条件下的性能特点。

3.1AC-20混合料的级配构成

沥青混合料AC-20采用石灰岩加工所得集料。粗集料分为3档规格，分别为20～25 mm、10～20 mm、5～10 mm，细集料规格为0～3 mm；填料采用石灰岩矿粉。沥青混合料AC-20矿料组成设计如表2和图3所示。

其中，沥青混合料AC-20的矿料组成掺配比例为：1#粗集料∶2#粗集料∶3#粗集料∶4#粗集料∶矿粉=9∶39∶21∶30∶1，由马歇尔试验确定的最佳油石比为4.2%。

3.2水稳定性试验

对SBS(I-D)改性沥青、70号道路石油沥青和掺入聚烯烃改性剂KZD-I的沥青(掺量为沥青混合料质量的0.3%)分别采用油石比4.2%制备沥青混合料AC-20试件，测定在浸60 ℃水48 h后和浸60 ℃水30 min后的马歇尔稳定度，测定冻融循环后的劈裂强度，以浸水残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比评价其水稳定性能[9]。其中，掺入聚烯烃改性剂KZD-I的沥青混合料AC-20马歇尔试件成型时，集料的烘料温度为190 ℃，沥青温度155 ℃，沥青混合料的拌合温度为185 ℃，击实温度控制在170 ℃左右；搅拌时间为360 s，首先加入石料与KZD-I改性剂干拌120 s，再加入沥青，拌合120 s，最后加入矿粉拌合120 s。试验结果如表3。

表2 沥青混合料AC-20的矿料组成设计筛孔尺寸/mm各材料的颗粒级配(通过率)/%各材料在设计混合料中的颗粒级配(通过率)/%1#料(100%)2#料(100%)3#料(100%)4#料(100%)矿粉(100%)1#料(9%)2#料(39%)3#料(21%)4#料(30%)矿粉(1%)合成级配/%规范上限/%规范下限/%规范中值/%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:根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)的条文说明5.3.2,工程设计级配范围一般在规范规定的允许范围内,但必要时允许超出。考虑到26.5mm的分级筛余仅为0.2%,故允许本配合比设计的级配曲线中筛孔26.5mm所对应的的通过率超出规范的范围。

图3　沥青混合料AC-20的矿质混合料　　　配合比设计图

从试验结果可以看出，SBS改性和KZD-I改性沥青混合料的水稳定性得到了显著改善，浸水残留稳定度比和冻融抗拉强度比都超过了90%，KZD-I改性沥青混合料两项指标都接近100%，改性效果非常明显。

3.3高温稳定性试验

对SBS(I-D)改性沥青、70号道路石油沥青分别采用油石比4.2%制备沥青混合料AC-20车辙试件，对掺入聚烯烃改性剂KZD-I沥青混合料AC-20采用油石比4.2%制备车辙试件，分别进行车辙试验[10]。其中，掺入聚烯烃改性剂KZD-I的沥青混合料AC-20车辙试件成型时，对设计的沥青混合料AC-20采用70号道路石油沥青，掺入沥青改性剂KZD-I，其掺量为沥青混合料质量的0.3%，按油石比4.2%制备试件，试件成型时集料的烘料温度为190 ℃，沥青温度155 ℃，沥青混合料的拌合温度为185 ℃，成型温度控制在170 ℃左右，搅拌时间为450 s，首先加入石料与KDZ-I改性剂干拌150 s；再加入沥青，拌合150 s；最后加入矿粉拌合150 s，车辙试件室温条件下放置48 h后进行60 ℃、70 ℃车辙试验。实验结果如表4、表5。

表3 SBS改性沥青、70号道路石油沥青、KZD-I改性沥青混合料AC-20的水稳定性试验结果沥青混合料项目油石比/%浸水马歇尔试验残留稳定度冻融劈裂试验残留强度比马歇尔稳定度SM/kN浸水马歇尔稳定度SM1/kN浸水残留稳定度SM0/%未经冻融循环RT1/MPa冻融循环RT2/MPa冻融劈裂抗拉强度比/%SBS改性沥青试验结果设计技术要求4.217.2418.25105.80.6170.57492.9——≥85——≥8070号道路石油沥青试验结果设计技术要求4.214.9313.1888.30.4480.38485.7——≥80——≥75KZD-I改性沥青试验结果设计技术要求4.217.4517.1598.31.1981.18298.7——≥85——≥80

表4 SBS改性沥青、70号道路石油沥青混合料AC-20的高温稳定性试验结果沥青混合料油石比/%试件编号变形量/mm45min60minDS/(次·mm-1)DS平均/(次·mm-1)SCv/%SBS改性沥青4.211.2451.320840020.9151.013642931.0581.125940341.1101.208642976651485.3019.4—(≥3000)—(≤20)70号道路石油沥青4.212.2432.550205222.5052.828195032.3102.625200042.4382.7831826195796.744.9 注:括号内为设计技术要求。

表5 4.2%油石比70号道路石油沥青+KZD-I混合料AC-20的高温稳定性试验结果试验室温/℃油石比/%试件编号变形量/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

从试验结果来看，60 ℃SBS改性和KZD-I改性沥青AC-20混合料动稳定度都要远远大于规范要求的3 000次/mm，70 ℃KZD-I改性AC-20混合料的动稳定度也符合规范要求，说明2种改性沥青的高温稳定性都大大的提高了，并且KZD-I改性的沥青混合料要更突出。

4主要结论

1) KZD-I改性沥青随着掺量的不断提高，软化点增大，针入度减小，高温稳定性改善，延度降低；由常规指标延度来评价沥青的低温性能有一定局限性，有待更合理的实验方法来研究其低温性能。

2) SBS和KZD-I这2种改性剂对基质沥青都有较好的改性作用，从水稳定性和高温稳定性实验结果来看，KZD-I改性沥青混合料性能更优。

3) SBS改性剂要比KZD-I改性剂价格更昂贵，从经济性和改性效果分析，KZD-I改性剂有非常广阔的市场前景。

参考文献：

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