干拌直投胶粉改性沥青混合料高温性能分析*

杨 博 王笑风 万晨光 刘 鑫

(交通运输行业公路建设与养护技术、材料及装备研发中心1) 郑州 450000)(河南省交通规划设计研究院股份有限公司2) 郑州 450000) (河南宛龙高速公路有限公司3) 驻马店 463000)

0 引 言

近年来，随着我国汽车保有量的不断增加，废旧轮胎产生的固体废弃物处理问题日益严峻.充分利用废旧轮胎的剩余价值，将其加工成废胎胶粉用作沥青及沥青混合料的改性剂，已经成为解决废旧轮胎环境问题的有效途径.目前，废胎胶粉改性剂主要有“湿法”和“干法”两种技术途径[1].其中，“湿法”工艺是将废胎胶粉改性剂添加到沥青中，通过一定温度下的剪切、搅拌工艺，生产加工成橡胶改性沥青胶结料；“干法”工艺是将废胎胶粉改性剂添加到矿质集料中，通过直投干拌工艺，与沥青拌和成废胎胶粉改性沥青混合料.

国内外大量研究证明，“湿法”橡胶沥青能够有效改善沥青混合料的高温稳定性和疲劳耐久性，同时能够降低车辆行驶噪声.但是，在长期使用过程中，“湿法”橡胶沥青也暴露出了生产加工工艺复杂、存储稳定性差、需要“即产即用”、必须保持施工的持续性，难以“随用随产”等缺陷[2-4].

“干法”废胎胶粉改性沥青混合料采用干拌直投工艺，生产简便，克服了“湿法”橡胶沥青的诸多缺陷，尤其是随着废胎胶粉二次深度加工技术的出现，干拌直投废胎胶粉改性沥青混合料近年来发展迅速，国内外大量试验结果证明，干拌直投废胎胶粉能够显著改善沥青混合料的高温稳定性等路用性能[5-9].

针对干拌直投废胎胶粉如何改善沥青混合料的高温稳定性及其影响因素等问题，目前尚不明确.为了探究干拌直投废胎胶粉改性沥青混合料高温性能作用机理，通过室内试验分析干拌直投废胎胶粉对基质沥青的改善效果以及不同胶粉掺量条件下，干拌直投废胎胶粉改性沥青混合料的单轴贯入强度及高温抗剪强度参数(黏聚力c和内摩擦角φ)的变化趋势，从宏观层面揭示干拌直投废胎胶粉改性沥青混合料高温性能作用机理，确定其影响因素的重要程度，为干拌直投废胎胶粉改性沥青混合料的进一步研究与应用提供依据.

1 室内试验方案

1.1 试验原材料及沥青混合料

1) 基质沥青 采用某石化生产的A级70#道路石油沥青，主要技术性能指标试验结果见表1.

表1 基质沥青主要技术性能

2) 干拌直投废胎胶粉 选用250～180 μm的深加工胶粉，主要技术性能指标试验结果见表2.

表2 干拌直投废胎胶粉技术性能

3) 粗集料 采用2档石灰岩碎石，规格分别为：>10～15,5～10 mm，主要技术性能指标试验结果见表3.

表3 粗集料技术性能

细集料采用石灰岩机制砂，规格为0～5 mm，主要技术性能指标试验结果见表4.

表4 细集料技术性能

矿粉采用石灰岩生产，主要技术性能指标试验结果见表5.

表5 矿粉技术性能

4) 沥青混合料矿料级配 参照河南省橡胶沥青推广应用经验，采用间断级配形式，根据关键筛孔通过率的不同，设计了两种级配DRAC-13I和DRAC-13II，沥青混合料矿料级配组成见表6.

表6 沥青混合料矿料级配组成

1.2 高温性能室内试验方案

1) 单轴贯入试验 沥青混合料高温性能试验方法种类很多，近年来，国内学者提出了一种能够有效模拟道路在车辆荷载作用下受力状况的试验方法——单轴贯入试验[10-12].该试验将路面结构受力模型简化为半径为R的圆柱体试件，通过一半径为r的圆柱形压头模拟圆形车辆荷载，当压头相对于圆柱体试件足够小，即r/R的比值足够小，其模拟受力状态与路面理论受力状态基本一致.该试验方法的受力模式与路面实际状况基本一致，且试验方法简单，目前已经广泛应用于各种类型的沥青混合料高温性能分析评价研究，文献[13]明确规定采用单轴贯入试验检验沥青混合料高温稳定性.

按照文献[13]附录F“沥青混合料单轴贯入强度试验方法”，采用旋转压实设备SGC成型直径100 mm、高度100 mm的沥青混合料试件；选择直径28.5 mm、高度50 mm的钢制贯入压头，采用UTM-30多功能沥青混合料动态测试设备，在60 ℃、加载速率1 mm/min条件下进行单轴贯入试验，读取最大贯入荷载P，相应的贯入应力和贯入强度为

(1)

Rτ=0.34σp

(2)

式中：σp为贯入应力，MPa；Rτ为贯入强度，MPa；P为试件破坏时的极限荷载，N；A为压头横截面面积，mm2.

2) 剪切强度参数分析与处理 理论上认为，沥青混合料高温性能主要与其剪切强度有关，其中黏聚力c和内摩擦角φ是剪切强度的两个重要参数.国内有研究提出了通过单轴贯入试验、三维有限元模拟分析，以及无侧限抗压强度试验相结合的方法，计算获取黏聚力c和内摩擦角φ.

(3)

(4)

σ1=0.765σp

(5)

σ3=0.087 2σp

(6)

式中：σ1，σ3为单轴贯入试验最大剪应力处的第一、第三主应力，MPa；σu为单轴压缩试验无侧限抗压强度，MPa；σp为贯入应力，MPa.

2 高温性能改性作用分析

2.1 干拌直投废胎胶粉对基质沥青的改性效果

将基质沥青加入容器加热至180 ℃，同时加入干拌直投废胎胶粉，并用玻璃棒徐徐搅拌；待胶粉全部加入后，将搅拌容器移至自动温控加热源上，并用桨叶式机械搅拌机在温度(180±3) ℃、搅拌速率2 000 r/min的条件下搅拌1 h，加工得到胶粉掺量(相对基质沥青的质量比)为15%,20%,25%的三种胶粉改性沥青，分别测定基质沥青及上述三种胶粉改性沥青的针入度、延度和软化点三项关键指标，试验结果见表7.

表7 针入度、延度及软化点三大指标测试结果

根据试验结果：

1) 胶粉加入到基质沥青中加工成改性沥青后，其针入度减小、软化点升高、延度增加.当胶粉掺量大于15%时，沥青的技术性能与SBS I-D改性沥青相当.表明干拌胶粉加入后，能够具备沥青改性剂的作用，有效改善沥青的高温、低温和温度敏感性.

2) 随着胶粉掺量的增加，沥青的针入度和软化点变化幅度逐渐减小，延度指标则逐渐趋于稳定，见图1.表明干拌直投胶粉虽然具有对沥青性能改善的作用，但是其对沥青技术性能，尤其是延展拉伸性能的改善程度存在一定的限度.

图1 不同因素与胶粉掺量的变化规律

根据上述试验结果，结合传统“湿法”胶粉改性沥青的作用机理及干拌直投胶粉的来源，进一步分析认为：

1) 特殊加工制成的干拌直投胶粉，其核心仍旧为废胎胶粉，在高温、搅拌的状态下，与传统“湿法”胶粉改性沥青类似，也会与沥青中的轻质组分发生“溶胀”反应，从而达到改善沥青性能的效果.

2) 在胶粉类型及反应温度确定的条件下，这种“溶胀”反应主要与时间及胶粉掺量有关，胶粉掺量越高，达到相同改性效果所需要的“溶胀”时间越长.但是在干拌过程中，胶粉与沥青接触反应的时间有限，在限定的时间内，胶粉掺量越高，“溶胀”反应越不彻底，从而影响沥青的改性效果，出现胶粉掺量增加而沥青改善效果增长幅度趋缓的现象.

2.2 干拌直投废胎胶粉对沥青混合料的复合改性效应分析

在实际使用中，干拌直投胶粉先与集料进行拌和，然后再与沥青进行搅拌，不仅会与沥青接触，影响沥青的性能；而且干拌胶粉相当于0.18～0.25 mm的细集料，对沥青混合料的骨架结构也有一定的影响.根据传统的表面理论，沥青混合料的高温强度主要来源于矿质集料骨架强度(即摩擦阻力，由内摩擦角φ表示)和沥青的胶结强度(即黏结力，由黏聚力c表示).

为了进一步分析干拌直投胶粉对沥青混合料高温性能的改性机理，选取0%，10%，20%和30%四个胶粉掺量，采用DRAC-13I和DRAC-13II两种级配，在最佳油石比下分别拌制沥青混合料，在170 ℃下统一焖料90 min，根据前述高温性能室内试验方案，得到两种级配混合料在不同胶粉掺量下的黏聚力c和内摩擦角φ的变化情况，试验结果见图2.

图2 胶粉掺量与黏聚力c和内摩擦角φ的变化规律

根据试验结果：

1) 胶粉通过干拌方式加入到沥青混合料后，其黏聚力c和内摩擦角φ均明显增加.表明干拌胶粉在拌和过程中，不仅与沥青发生反应，改善了沥青胶浆的性能，进而提高混合料的黏聚力；而且有效的改善了沥青混合料的骨架结构性能，具有双重改性的作用.

2) 随着胶粉掺量的增加，沥青混合料黏聚力先增加，当胶粉掺量大于10%以后，基本趋于稳定，表明在沥青混合料干拌生产工艺中，干拌胶粉对沥青胶浆性能的改善程度存在一定的限度.

3) 随着胶粉掺量的增加，沥青混合料的摩擦角φ逐渐增大，表明在沥青混合料干拌生产工艺中，干拌胶粉可以持续改善沥青混合料骨架强度.

根据上述试验结果，结合干拌直投废胎胶粉对基质沥青的改性效果及相关研究[14-17]，进一步分析认为：

1) 在有限的反应时间内，干拌直投胶粉在沥青中并未彻底“溶胀”，而是呈现出“固-液”混合状态，发生“溶胀”反应的部分作为沥青的改性剂，改善沥青的性能；其余部分则作为填料，填充沥青混合料骨架空隙，改善沥青混合料骨架结构性能.

2) 与传统“湿法”工艺相比，“干法”工艺中干拌直投胶粉与沥青的反应时间有限，更多的是作为填料发挥改善作用，随着胶粉掺量增加，“溶胀”反应越不彻底，作为填料的改善作用愈加突出，出现黏聚力增加不显著而摩擦角显著增加的现象.

3 复合改性效应对沥青混合料高温性能的影响分析

3.1 高温性能试验

选择DRAC-13I型级配，以胶粉掺量、油石比,以及反映施工时间影响的闷料时间作为主要影响因素，测试不同条件下的沥青混合料贯入强度及内摩擦角φ和黏聚力c，结果见表8.

表8 不同条件下混合料贯入强度及内摩擦角φ和黏聚力c测试结果

3.2 复合改性效应对沥青混合料高温性能影响程度分析

为了明确黏聚力c和内摩擦角φ对干拌直投复合改性沥青混合料高温性能的影响程度，采用灰色理论关联度分析方法，计算分析复合改性效应对沥青混合料高温性能影响程度.灰色关联分析法的一般步骤如下.

1) 确定参考序列

x0={x0(k)|k=1,2,…,n}

(7)

2) 将上述数列作均值化处理和比较序列

xi={xi(k)|k=1,2,…,n}(i=1,2，…,n)

(8)

参考序列：

(9)

比较序列：

(i=1,2,…,n)

(10)

3) 求关联度

(11)

Δi(k)=|x0(k)-xi(k)|

4) 求关联度ri

(12)

5) 关联度分析 根据关联度的大小次序，可以对各因素的影响程度作出判断：xi与x0的关联度ri越大，则xi对x0的影响越大.

根据灰关联分析方法，选择黏聚力c和内摩擦角φ作为比较序列，沥青混合料的单轴贯入强度为参考序列，计算灰色关联度见表9.

表9 不同条件下混合料贯入强度及内摩擦角φ和黏聚力c的灰色关联分析结果

根据灰色关联度分析结果，黏聚力c和内摩擦角φ对干拌直投废胎胶粉改性沥青混合料高温单轴贯入强度的影响程度基本相当，但内摩擦角φ的影响略高于黏聚力c，表明干拌直投废胎胶粉对沥青混合料的高温性能具有同时改善沥青胶结料和混合料骨架结构的复合改性效应，其中对沥青混合料骨架结构的改善作用相对突出，进一步验证了前文高温性能改性作用试验分析结论.

4 结 论

1) 干拌胶粉加入基质沥青后，能够有效改善沥青的高温、低温和温度敏感性，当胶粉掺量大于15%时，改性后沥青的技术性能与SBS I-D改性沥青相当.

2) 干拌胶粉在拌和过程中，不仅与沥青发生反应，改善了沥青混合料的黏聚力c；而且改善了沥青混合料的内摩擦角φ，具有改善沥青胶浆和混合料骨架结构的双重改性作用.

3) 当胶粉掺量大于10%以后，沥青混合料的黏聚力c基本趋于稳定，干拌胶粉对沥青胶浆性能的改善程度存在一定的限度.

4) 随着胶粉掺量的增加，沥青混合料的内摩擦角φ逐渐增大，干拌胶粉可以持续改善沥青混合料骨架强度.

5) 根据灰色关联度分析结果，内摩擦角φ对干拌直投废胎胶粉改性沥青混合料高温性能的影响程度略高于黏聚力c，在干拌直投废胎胶粉高温性能双重改性效应中，其对沥青混合料骨架结构的改善作用相对突出.