RET复配胶粉改性沥青混合料路用性能与耐久性研究
2019-03-14,
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(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安 710068;2.长安大学 材料科学与工程学院, 陕西 西安 710064)
0 引言
将废旧轮胎胶粉制备成橡胶沥青并应用到沥青混合料中即可改善沥青路面的抗老化、低温抗裂、水稳定性和抗疲劳特性,同时具有降噪、抗滑、破薄冰、避免沥青路面泛白病害的作用。鉴于消除废旧轮胎造成的黑色污染和交通部打造节能减排、绿色公路的重大战略需求,橡胶沥青受到了国内外学者的极大重视[1-4]。但是室内试验研究和实体工程应用发现,废胶粉单独改性沥青的热稳定性差、易离析、黏度大,且橡胶沥青对沥青路面综合路用性能的改善效果不太明显,这些不足严重制约了其在道路沥青领域上的广泛运用。为了改善橡胶沥青混合料的综合路用性能,目前国内外的普遍做法是通过掺加聚合物或其他改性剂(添加剂)与胶粉进行复配,对此,国内目前研究成果有胶粉复配SBS、胶粉复配LDPE(HDPE)、胶粉复配PPA、胶粉复配抗车辙剂等复合改性技术途径[1-7]。反应性弹性体三元共聚物(Reactive Elastomeric Terpolymer,RET)是美国杜邦公司研发的一种新型热塑性塑料改性剂,不同于普通的聚合物(SBS、SBR)改性剂,RET改性沥青制备工艺简单,仅需搅拌即可与沥青充分混合,RET溶解到热沥青中与沥青发生化学反应,从而达到永久性改性沥青的效果。RET改性剂与沥青发生化学反应,使得RET改性沥青具有良好的热储存稳定性,便于长距离输送,使用时不需要现场制备,可大批量生产和重复加热使用[8-13]。陈治君等[8-9]研究发现,掺加RET显著提高了SBR改性沥青混合料的抗车辙性能,延长路面使用寿命。郝培文等[12-13]对RET改性沥青及其其混合料研究发现,RET改性沥青储存稳定性优良,掺加RET显著提高了沥青混合料的高温性能和长期稳定性。尽管RET对沥青混合料高温性能、水稳定性和疲劳性能均匀显著的改善效果,但RET对沥青混合料低温性能改善效果不明显,RET改性沥青与SBS、SBR改性沥青低温性能有较大差距。
基于废旧胶粉、RET分别对沥青改性的优缺点及RET改性剂具有很好的热稳定性,本文提出将RET与胶粉进行复配,并对这种新的复合改性沥青及其混合料性能进行初步探索。首先参考橡胶沥青评价指标和SHRP沥青BBR低温评价指标RET复配胶粉改性沥青高低温性能,在确定最佳的RET、胶粉复配方案后,基于车辙试验、低温弯曲试验、间接拉伸疲劳试验、MMLS1/3试验验证RET复配胶粉改性沥青路用性能和长期高温稳定性,研究成果为RET复配胶粉改性沥青的实体工程运用提供借鉴。
1 试验
1.1 原材料
试验选用宝利AH — 70号A级重交道路石油沥青,废胶粉为西安中轩橡胶粉有限公司生产的60目子午轮胎橡胶粉,基质沥青和橡胶粉均来源于实体工程,其各项性能满足规范要求。SBS改性剂采用中国石化生产的SBS 1401(YH — 792)热塑性丁苯橡胶。混合料试验采用的粗集料选用玄武岩,细集料采用石灰岩,矿粉由石灰岩磨制而成,集料各项性能满足JTG F40 — 2004规范相关要求。
1.2 试验方案
借鉴国内外有关橡胶沥青和RET改性沥青研究成果,高掺量胶粉的橡胶改性沥青不但受到制作工艺的限制,而且过高胶粉掺量的橡胶改性沥青会因黏度过大、流动性差、动态模量低等特点并不能应用于实际工程中,国际上将橡胶沥青中的胶粉掺量通常控制在10%~24%, RET掺量过少或过多会造成RET改性效果不佳或RET与沥青反应过度,最终影响RET改性沥青性能,通常RET改性沥青中的RET掺量一般为0.6%~2.2%,以兼顾RET复配胶粉改性沥青的高低温性能和施工和易性,最终确定RET复配胶粉中橡胶粉掺量为12%、16%、20%,每种胶粉掺量下变化3种RET掺量,分别为0.8%、1.2%、1.6%,共制备9组RET复配胶粉改性沥青。对照组采用5%SBS改性沥青、1.6%RET改性沥青、20%胶粉改性沥青和宝利70#基质沥青。
1.3 RET复配胶粉改性沥青制备
RET改性剂与基质沥青相容性好,RET改性沥青制备时将RET搅拌均匀并发育20~30 min即可,而橡胶粉在基质沥青中溶解、硫化困难,故RET复配胶粉改性沥青主要参考橡胶粉改性沥青制备工艺。
RET改性沥青制备:将宝利70#基质沥青加热至150~155 ℃,以500 rad/min速率边搅拌边均匀加入预定质量RET改性剂,待RET改性剂全部加入后,加入0.2%PPA催化剂(PPA掺量为基质沥青质量的0.2%),升温沥青至155~160 ℃,继续以500 rad/s速率匀速搅拌20~25 min,接着在165 ℃恒温环境箱内发育30 min,即可完成RET改性沥青制备。
SBS改性沥青制备:将宝利70#基质沥青加热至165~170 ℃,边搅拌边加入SBS改性剂,加入橡胶油相容剂以500 rad/min速率搅拌30 min,使SBS改性剂充分溶胀,快速升温沥青至175 ℃,以5000rad/min速率剪切60 min,加入硫磺稳定剂(掺量为基质沥青的0.3%),保持沥青温度至175 ℃,发育30 min,完成SBS改性沥青制备。
RET复配胶粉改性沥青制备:将宝利70#基质沥青加热至165~170 ℃,边搅拌边加入预定质量橡胶粉,待橡胶粉完全加入后快速升温沥青至180 ℃左右,开启高速剪切机以5000~5500 rad/s速率对共混沥青剪切60 min,接着一同加入预定质量的RET改性剂和0.2%PPA催化剂,保持沥青温度至175~180 ℃,以500 rad/min速率匀速搅拌30 min,然后在180 ℃环境箱内发育30 min,完成RET复配胶粉改性沥青制备。
2 RET复配胶粉改性沥青性能
2.1 橡胶沥青评价指标性能
采用评价橡胶沥青的针入度、软化点、25 ℃弹性恢复、177 ℃黏度评价指标研究橡胶粉和RET改性剂掺量对复合改性沥青的影响,试验方法、步骤严格按照JTG E20 — 2011规范进行,结果见表1。
表1 RET复配胶粉改性沥青性能Table 1 Performance of RET compounded rubber modified as-phaltRET掺量/%胶粉改性剂掺量/%25 ℃针入度/(0.1 mm)软化点/℃25 ℃弹性恢复率/%177 ℃黏度/(Pa·s)120.81620121.21620121.616201.600205%SBS改性沥青70#基质沥青橡胶沥青技术标准5064742.64368813.03770873.44671792.94176833.33578873.64576823.23680873.52882944.26369610.315458882.856737176501925~70>54>601.5~4.0
由表1可知:
a.以表征沥青软硬程度的针入度指标来看,随着RET(橡胶粉)掺量增大,RET复配胶粉改性沥青针入度有减小趋势,其中RET掺量分别为0.8%、1.2%、1.6%时,橡胶粉掺量由12%增加至20%,RET复配胶粉改性沥青针入度分别降低了26%、23.9%、37.8%;橡胶粉掺量分别为12%、16%、20%时,橡胶粉掺量由0.8%增加至1.6%, RET复配胶粉改性沥青针入度分别降低了10%、16.3%、26.3%,橡胶粉掺量对复合改性沥青针入度的影响比RET掺量更加显著,橡胶粉对复合改性沥青的增稠效果比RET改性沥青更好。在0.9%~1.6%RET+12%~20%橡胶粉复配方案下,复合改性沥青满足橡胶沥青针入度25~70(0.01 mm)技术指标要求。
b.以表征沥青高温性能的软化点指标来看,随着RET(橡胶粉)掺量增大,RET复配胶粉改性沥青软化点有增大趋势,其中RET掺量分别为0.8%、1.2%、1.6%时,橡胶粉掺量由12%增加至20%,RET复配胶粉改性沥青的软化点分别增大了9.4%、9.6%、7.9%;橡胶粉掺量分别为12%、16%、20%时,橡胶粉掺量由0.8%增加至1.6%, RET复配胶粉改性沥青的软化点分别增加了18.8%、17.6%、17.1%,RET掺量超过1.2%后,复合改性沥青软化点可达到70 ℃以上,RET对复合改性沥青高温性能的改善效果优于橡胶粉。
c.以表征沥青在荷载作用下的可恢复变形能力的弹性恢复率指标来看,随着RET(橡胶粉)掺量增大,RET复配胶粉改性沥青弹性有增大趋势,其中RET掺量为0.8%、1.2%、1.6%时,橡胶粉掺量由12%增加至20%,RET复配胶粉改性沥青的弹性恢复率分别增大了17.6%、10.1%、14.6%;橡胶粉掺量分别为12%、16%、20%时,橡胶粉掺量由0.8%增加至1.6%,RET复配胶粉改性沥青的软化点分别增加了9.8%、7.4%、8.0%,橡胶粉对复合改性沥青弹性恢复性能的改善效果优于RET,增加橡胶粉掺量可显著提高RET复配胶粉改性沥青的弹性恢复能力,减小荷载作用下的残余变形。
d.以表征橡胶沥青施工和易性的177 ℃黏度指标来看,其中RET掺量为0.8%、1.2%、1.6%时,橡胶粉掺量由12%增加至20%,RET复配胶粉改性沥青的177 ℃黏度分别增大了30.8%、34.4%、31.3%;橡胶粉掺量分别为12%,16%和20%时,橡胶粉掺量由0.8%增加至1.6%,RET复配胶粉改性沥青的177 ℃黏度分别增加了13.7%、16.6%、13.5%,表明随着胶粉掺量增大,RET复配胶粉改性沥青177 ℃黏度显著增大,增大RET掺量后复合改性沥青黏度略有增加,RET复配胶粉改性沥青的施工和易性主要取决于橡胶粉掺量。
相较于SBS改性沥青,RET单独改性沥青的软化点、弹性恢复率小于5%SBS改性沥青,在1.2%~1.5%RET+12%~20%胶粉复配方案下,RET复配胶粉改性沥青比5%SBS(1.6%RET)有更高的软化点和更好的弹性恢复性能。分析其原因,随着橡胶粉掺量增大,橡胶颗粒溶胀、硫化过程中会吸收基质沥青中的轻质组分,使沥青稠度增加,宏观表现为增大橡胶粉后复合改性沥青针入度减小、177 ℃黏度增大,施工和易性降低;RET能够与橡胶沥青很好地混溶,且RET与橡胶沥青发生化学反应后,使得溶胀后的橡胶颗粒彼此间相互连接,形成具有一定柔韧性的连续网状结构,RET酯化反应物会黏附或填充到橡胶沥青已形成的网状结构中,形成均匀、密实弹性网状结构,从而使沥青的高温性能、弹性恢复性能得到显著提升。
综合考虑不同RET、橡胶粉掺量下复合改性沥青针入度、软化点、弹性恢复率、177 ℃黏度4个评价指标,RET为1.2%~1.6%,且橡胶粉掺量为12%~16%时,RET复配胶粉改性沥青的黏度、针入度、弹性恢复率、软化点能满足橡胶沥青技术标准要求,在此复配方案下,复合改性沥青的软化点、弹性恢复性能优于5%SBS改性沥青。
2.2 RET复配胶粉复合改性沥青流变特性
BBR试验方法、步骤严格按照JTG E20-2011规范中T0628-2011进行,试样尺寸127 mm(长)×12.7 mm(高)×6.35 mm(宽),试验时施加接触荷载35±10 mN,初始荷载980±50 mN,持续加载240 s,试验温度采用-18 ℃、-24 ℃,对经历压力老化(PAV)前后的沥青试样进行BBR试验,弯曲梁流变试验评价指标为蠕变斜率(m)、蠕变劲度模量(S),试验结果见表2。
表2 PAV前后RET复配胶粉改性沥青弯曲蠕变劲度试验(BBR)结果Table 2 Results of BBR bending stiffness creep test (BBR) of RET compounded modified asphalt before and after PAVRET掺量/%胶粉改性剂掺量/%-18 ℃-24 ℃mS/MPamS/MPa低温分级120.81620121.21620121.616201.600205%SBS70#基质沥青0.473(0.445)157(198)0.422(0.387)176(224)-32.70.456(0.431)179(212)0.403(0.365)209(246)-30.40.423(0.403)225(244)0.378(0.346)245(264)-28.60.464(0.432)189(234)0.393(0.364)212(245)-29.40.441(0.411)224(254)0.361(0.334)244(269)-28.30.412(0.387)247(289)0.343(0.323)268(287)-27.60.395(0.364)213(244)0.366(0.343)235(264)-26.20.375(0.344)237(276)0.336(0.314)268(289)-25.40.351(0.325)267(287)0.304(0.284)288(312)-22.40.334(0.247)334(387)0.274(0.244)402(447)-14.70.462(0.398)177(234)0.393(0.335)247(273)-28.10.453(0.361)169(225)0.351(0.308)257(284)-27.80.321(0.215)301(409)0.221(0.173)382(483)-13.4 注:()内为PAV后BBR试验结果。
表2试验结果表明:
a.-18 ℃、-24 ℃温度条件下,RET改性沥青PAV老化前的劲度模量大于基质沥青,而蠕变斜率大于基质沥青,经历PAV老化后,RET改性沥青的劲度模量小于基质沥青,而蠕变斜率大于基质沥青;分析其原因,RET与基质沥青发生化学反应后,沥青胶体结构整体向凝胶型转变,沥青中的弹性成分增多、劲度模量增大,掺加RET显著提高了沥青的抗老化性能,降低了压力老化后劲度模量、蠕变斜率对温度的敏感性。综合考虑劲度模量、蠕变斜率2个指标,RET改性沥青与基质沥青低温PG分级基本维持在相同水平,表明RET对基质沥青低温性能改善效果有限,这与已有研究成果相吻合。
b.随着RET、橡胶粉掺量增大,RET复配胶粉改性沥青蠕变斜率有减小趋势,劲度模量有增大趋势,受RET和橡胶粉改性效果的综合影响,RET、胶粉掺量增大后复合改性沥青劲度模量增大趋势较为明显,蠕变斜率下降趋势缓慢,蠕变斜率越小,沥青的应力松弛性性能越差,蠕变劲度模量越高,沥青的脆性越大,由此可见,过多的RET和橡胶粉掺量会对复合改性沥青低温性能有一定负面影响,以低温抗裂性能考虑,复合改性沥青中适宜的RET掺量为0.8%~1.2%,控制橡胶粉掺量不超过16%为宜。
c.以SHRP规范蠕变劲度模量S小于300 MPa且蠕变速率m不超过0.3为低温PG分级控制界限,采用线性插值法得到RET复配胶粉改性沥青的低温PG分级温度,0.8%RET+12%~20%橡胶粉改性沥青PG分级温度为-28.6~-32.7 ℃、1.2%RET+12%~20%橡胶粉改性沥青PG分级温度为-27.6~-29.4 ℃、1.6%RET+12%~20%橡胶粉改性沥青PG分级温度为-22.4~-26.2 ℃。
d.相较于5%SBS改性沥青,0.8%~1.2%%RET+12%~16%胶粉复合改性沥青低温PG分级温度小于5%SBS改性沥青,对于沥青路面低温抗裂性能要求严苛地区,将RET与胶粉改性沥青替代SBS改性沥青是可行的。
3 RET复配胶粉改性沥青混合料性能
3.1 RET复配胶粉改性沥青混合料高低温性能
选用1.2%RET+16%橡胶粉复合改性沥青、1.6%RET+12%橡胶粉复合改性沥青、1.6%RET改性沥青、5%SBS改性沥青、20%橡胶沥青5种沥青胶结料,路用性能试验选用我国高速公路常用的AC — 13型矿料级配,采用JTG F40 — 2004规范细粒式AC — 13工程级配范围中值,按照马歇尔试验流程确定1.2%RET+16%橡胶粉复合改性沥青、1.6%RET改性沥青、5%SBS改性沥青、20%橡胶沥青4种改性沥青混合料最佳油石比分别为5.6%、5.4%、4.6%、4.7%、5.7%。采用60 ℃车辙试验、-10 ℃低温弯曲试验评价RET复配胶粉改性沥青混合料高温抗车辙和低温抗开裂性能。车辙试验、低温弯曲试验方法、步骤按照JTG E20-2011规范中T0719 — 2011、T0715 — 2011进行,结果见表3、表4。
表3 车辙试验结果Table 3 Rutting test results改性沥青混合料加载60 min RD/mmDS/(次·mm-1)1.2%RET+16%胶粉复合改性沥青1.5167 9781.6%RET+12%胶粉复合改性沥青1.4998 5841.6%RET改性沥青1.7465 1435%SBS改性沥青1.6225 67920%橡胶沥青2.4232 674
表4 低温弯曲试验结果Table 4 Low-temperature bending test results改性沥青混合料抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/με弯曲劲度模量/MPa1.2%RET+16%胶粉复合改性沥青11.744 754.52 469.21.6%RET+12%胶粉复合改性沥青12.454 223.42 947.91.6%RET改性沥青10.572 639.44 004.75%SBS改性沥青11.253 765.62 987.620%橡胶沥青10.194 598.52 215.9
由表3车辙试验结果可见:
a.橡胶沥青混合料动稳定最小、加载60 min时的车辙变形量最大,表明其高温抗车辙性能最差,橡胶沥青混合料动稳定度不满足JTG D50 — 2017规范中表5.5.7夏炎热区动稳定度不小于2800次/mm技术要求。
b.RET改性沥青混合料动稳定度稍差于5%SBS改性沥青混合料水平,但车辙动稳定度也达到了5 443次/mm,满足JTG D50-2017规范中夏炎热区沥青混合料车辙试验动稳定度技术要求。
c.将RET与橡胶沥青复配后,RET复配胶粉改性沥青混合料动稳定度达到了7 000次/mm以上,1.2%RET+16%胶粉、1.6%RET+12%胶粉2种复合改性沥青混合料的动稳定度为20%胶粉改性沥青混合料的3.0、3.2倍,此外,1.2%RET+16%胶粉改性沥青混合料、1.6%RET+12%胶粉改性沥青混合料的动能稳定度分别达到了7 978、8584次/mm,大于1.6%RET改性沥青动稳定度(5 143次/mm)与20%橡胶沥青混合料动稳定度(2 674次/mm)之和[(5 143+2 674)次/mm)],一般而言,RET(橡胶粉)掺量越大,沥青混合料动稳定度越高,可见将较低的RET掺量与橡胶粉复配后,RET和橡胶粉对沥青混合料高温性能的改善效果并不是该两者改性剂增强效果的简单叠加,而是一种非线性的增强效果。
由表4低温弯曲试验结果可见:
a.橡胶改性沥青混合料具有优良的低温抗裂性能,其-10 ℃弯曲应变达到了4598.5 με,远大于JTG D50 — 2017规范中表5.5.6 冬严寒区改性沥青混合料低温弯曲试验破坏应变不小于3000 με技术要求。RET改性沥青混合料弯曲应变(2639.4 με)不满足冬严寒区低温抗裂性能要求,因此有必要将RET与能改善沥青混合料低温性能的改性剂进行复配,以提高RET改性沥青混合料在冬严寒区的适用性。
b.将RET与橡胶粉复配后,1.2%RET+16%胶粉、1.6%RET+12%胶粉2种改性沥青混合料的最大弯拉应变达到了4754.5、4223.4 με,比1.6%RET改性沥青混合料弯曲应变增大了近1倍,可见将RET与橡胶粉复配,可有效弥补RET对沥青混合料低温性能的不足。
c.综合考虑弯拉强度和弯曲应变2个评价指标,沥青混合料低温抗裂性能优劣排序:1.2%RET+16%胶粉改性沥青>20%橡胶沥青>1.6%RET+12%胶粉复合改性沥青>5%SBS改性沥青>RET改性沥青,由此可见,将适宜掺量的RET与橡胶粉复配,RET复配胶粉改性沥青混合料的低温抗裂性能优于5%SBS改性沥青混合料,在RET与橡胶粉复合改性作用下,RET复配胶粉改性沥青混合料低温抗裂性能达到甚至超过橡胶沥青。
3.2 RET复配胶粉改性沥青混合料水稳定性
沥青路面在服役期间水稳定性不足主要表现为麻面、松散、坑槽等破损,出现此类病害严重危及路面行车安全、降低路面结构耐久性。沥青路面现行沥青路面设计规范要求采用浸水马歇尔和冻融劈裂强度试验评价沥青混合料的水稳定性。浸水马歇尔和冻融劈裂试验方法、步骤严格按照JTG E20 — 2011进行,结果见表5。
由表5浸水马歇尔、冻融劈裂试验结果可知,2种RET复配胶粉改性沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定(MSo)和冻融劈裂强度比(TSR)大于90%,远大于JTG D50-2017规范中表5.5.10MSo>85%、TSR>80%沥青混合料水稳定性技术要求,表明RET复配胶粉改性沥青混合料具有优良的抗水损害性能。综合考虑浸水前后马歇尔稳定度、冻融前后劈裂强度、浸水马歇尔残留稳定、冻融劈裂强度比4个指标,2种RET复配胶粉复合改性沥青混合料水稳定性优于5%SBS改性沥青混合料。
表5 水稳定性试验结果Table 5 Water stability test results改性沥青混合料浸水马歇尔试验冻融劈裂试验MS/kNMSo/%RT1/MPaTSR/%1.2%RET+16%胶粉复合改性沥青12.1497.41.38995.51.6%RET+12%胶粉复合改性沥青12.7598.31.419 95.71.6%RET改性沥青11.2494.51.322 93.25%SBS改性沥青11.6594.61.359 93.420%橡胶沥青10.9992.51.188 90.5
4 RET复配胶粉改性沥青混合料耐久性
4.1 间接拉伸疲劳试验
采用间接拉伸疲劳试验评价RET复配胶粉改性沥青混合料的抗疲劳性能。在最佳油石比条件下采用轮碾法成型试件,室温放置24 h后切割尺寸为250 mm×40 mm×40 mm标准试件,试验温度为20 ℃,采用控制应力加载模式,4种应力水平分别为最大应力的0.2、0.3、0.4、0.5倍,疲劳试验在MTS-810液压伺服疲劳试验机进行,中点加载的支点间距为200 mm,加载频率为10 Hz,采用式(1)疲劳寿命与应力水平的双对数拟合关系对疲劳试验数据拟合分析,试验结果见表6、图1。
lgNf=K+nlg(σ/s)
(1)
式中:Nf为疲劳寿命(次);σ/s为应力水平;K、n为拟合参数。
由表6、图1疲劳试验结果可知,相同应力水平下,5种沥青混合料疲劳寿命排序:1.6%RET+12%胶粉复合改性沥青混合料>1.2%RET+16%胶粉复合改性沥青混合料>5%SBS改性沥青混合料>20%橡胶沥青混合料>1.6%RET改性沥青混合料,将RET与胶粉复配后可显著改善沥青混合料的疲劳寿命。对比5种改性沥青混合料疲劳寿命与施加应力的双对数拟合曲线参数K、n,2种RET复配胶粉改性沥青混合料具有较大的K值和较小的n值。K值越大,沥青混合料的抗疲劳性越好,而n值表征沥青混合料疲劳寿命对应力水平的敏感性,其值越大,疲劳寿命对应力水平的增加敏感性越强。表明RET复配胶粉改性沥青混合料比SBS改性沥青混合料有更好的抗疲劳性能,不仅具有优良的抗疲劳耐久性,而且疲劳寿命对应变水平的敏感性相对较弱。分析其原因,橡胶沥青因具有较大的黏度和优良的弹性恢复性能,可显著增加集料表面的沥青膜厚度、增加荷载作用时的释放应力能力和应力松弛能力,因而显著改善了沥青混合料的抗疲劳性能。在橡胶沥青中掺入适量RET后,一方面,RET能提高沥青与集料之间的粘附性, RET发生化学反应后,使得溶胀后的橡胶颗粒分散的更加均匀,加之RET对聚合物改性沥青有稳定作用、缔合作用,形成了致密的体系网状结构,提高了沥青混合料整体稳定性。另一方面,掺加适量RET能够增加橡胶沥沥青中的弹性成分,有助于提高受荷时的释放荷载能力。
表6 疲劳试验结果Table 6 Fatigue test results混合料类型应力比应力水平/MPa疲劳寿命/次回归方程0.21.28613 5300.31.9297 2221.2%RET+16%胶粉改性沥青K=4.356n=-1.865R2=0.9890.42.5723 9630.53.2152 4510.21.35215 9230.32.0288 2491.6%RET+12%胶粉改性沥青K=4.867n=-1.895R2=0.9830.42.7044 4380.53.3802 8310.21.0509 0390.31.5754 2741.6%RET改性沥青K=4.025n=-2.140R2=0.9920.42.1002 4470.52.6251 4970.21.24810 6590.31.8725 0605%SBS改性沥青K=4.226n=-1.964R2=0.9770.42.4962 8750.53.121 7440.20.9789 9230.31.4674 84920%胶粉改性沥青K=3.996n=-2.027R2=0.9820.41.9562 6380.52.4451 631
图1 疲劳试验双对数拟合曲线Figure 1 Double logarithmic fitting curve of fatigue test
4.2 MMLS1/3加速加载试验
采用南非进口小型加速加载设备MMLS1/3评价RET复配胶粉改性沥青混合料的长期高温稳定性。在最佳油石比条件下锤击法成型152.4 mm(直径)×95.3 mm(高)圆柱体试件,按照MMLS1/3试模尺寸取圆柱体试样中间5 cm部分切割标准试件。参考已有研究成果,MMLS1/3试验温度为60 ℃,轮压0.7 MPa,试验胶轮加载速率40 Hz(相当于加载频率6000次/h),总加载次数为40万次。MMLS1/3加速加载试验结果如表7、图2所示。
表7 MMLS1/3试验结果Table 7 MMLS1/3 test results加载次数不同改性沥青车辙变形量/mm1.2%RET+16%胶粉1.6%RET+12%胶粉1.6%RET5%SBS20%胶粉00 0 0 0 0 50.6720.6030.7120.6960.894101.3911.1851.4981.4121.645151.6761.3951.8071.7462.034201.8211.6872.1971.9252.343252.0881.8122.4222.2192.569302.2071.9972.6052.3602.893352.3912.1532.8612.5633.034402.4512.2882.9952.6393.235
图2 不同加载次数车辙变形量Figure 2 Rut deformation at different loading times
由MMLS1/3试验结果可知:
a.随着加载次数增加,5种沥青混合料车辙变形量先显著增大后缓慢增加,车辙发展速率随加载次数增大呈减小趋势,这主要是加载10万次前车辙变形量主要由压密变形所致,此后随加载次数增加,车辙深度发展进入蠕变稳定阶段,车辙发展速率降低。
b.在加载过程中,5种沥青混合料车辙变形量排序:20%橡胶沥青混合料>1.6%RET改性沥青混合料>5%SBS改性沥青混合料>1.2%RET+16%胶粉>1.6%RET+12%胶粉,由此可见,2种RET复配胶粉改性沥青混合料的长期高温稳定性优于5%SBS改性沥青混合料,适当增加RET掺量可一定程度提高RET复配胶粉改性沥青混合料的长期稳定性。
c.对加载次数与车辙变形量进行拟合分析,发现车辙变形量与加载次数的对数呈良好的线性关系,拟合优化度R2大于0.95,拟合参数斜率大小反映了车辙增长率,用于表征沥青混合料抗剪切性能优劣,橡胶沥青混合料车辙增长率远大于RET复配胶粉改性沥青混合料,2种RET复配胶粉改性沥青混合料车辙增长率小于5%SBS改性沥青混合料,进一步表明RET复配胶粉改性沥青混合料在高温持续荷载作用下的长期稳定性优于5%SBS改性沥青混合料,将RET与胶粉复配可显著提高沥青路面的永久变形能力。
5 结论
a.本研究提出RET复配胶粉改性剂室内制备工艺,通过软化点、弹性恢复率、177 ℃黏度、针入度4个指标综合分析RET复配胶粉改性沥青性能。将RET与橡胶粉进行复配,可大幅度提高橡胶沥青的软化点,提高单一RET改性沥青的可恢复变形能力,RET与橡胶粉进行复配对沥青高低温性能具有显著的改善作用。
b.RET与橡胶粉进行复配,可有效弥补RET对沥青低温性能的不足,掺加RET可显著改性橡胶沥青的高温性能,在1.2%~1.6% RET与 12%~16%橡胶粉复配方案下,复合改性沥青的软化点、弹性恢复性能优于5%SBS改性沥青。
c.RET与橡胶粉复配后,RET和橡胶粉对沥青混合料高温性能的改善效果并不是该两者改性剂增强效果的简单叠加,而是一种非线性的增强效果。RET复配胶粉改性沥青混合料的高低温性能、水稳定性均优于SBS改性沥青混合料。
d.使用1.2%RET+16%橡胶粉改性沥青、1.6%RET+12%橡胶粉改性沥青可一定程度改善沥青路面的抗疲劳耐久性,减少服役期间沥青路面车辙损害,RET复配胶粉改性沥青具有一定的研究意义和良好的应用前景。