RCA对基质沥青物理性能的影响规律研究

许夏荧,农彬艺,易 强,贺芳伟

(1.广西河田高速公路有限公司,广西 南宁 530022;2.广西高速公路养护工程技术研究中心,广西 南宁 530028;3.广西交投科技有限公司,广西 南宁 530028)

0 引言

目前应用最广泛的沥青改性剂是SBS聚合物改性剂。已有大量的试验检测结果及工程实践经验证明,SBS聚合物改性剂能有效提升基质沥青的性能,使沥青路面的使用寿命得到一定程度的延长,但通车后不久路面仍会出现车辙、坑槽等病害,且SBS聚合物改性沥青性能不够稳定,生产工艺也较为复杂[1]。基于岩沥青研发的复配岩沥青改性剂(RCA)与SBS改性剂相比,具有以下优点[2]:(1)改性的方式是采用“干法”与沥青、集料等进行拌和,无须提前与基质沥青预混,改性沥青生产工艺简单,避免了SBS改性沥青储存不稳定、易发生离析的短板;(2)与基质沥青相容性好,改性后的沥青性能更稳定;(3)添加的纳米材料可大幅增强基质沥青材料的粘聚力,提高基质沥青的黏度,且RCA改性沥青的高温性能更优越。

基于RCA的以上优点,近年来不少学者对RCA改性沥青的各项性能开展了研究,但这些研究在制备RCA改性沥青的过程中均采用了高速剪切乳化搅拌机[3],且高速剪切搅拌的时间定为数十分钟不等,这种制备工艺与实际公路工程中生产RCA沥青混合料时在沥青混凝土拌和站采用的“干法”制备工艺极不相符。因此,现有相关研究的结果并不能十分准确地反映实际工程中RCA改性沥青的真实状况。本文采用试验室专用的沥青混和料拌和机将基质沥青添加到RCA中,以充分模拟实际公路工程情况,制备接近工程实际状态的RCA改性沥青,并探明实际公路工程中不同RCA掺量对基质沥青物理性能的影响规律。

1 试验

1.1 原材料

基质沥青采用中远海运国际贸易有限公司生产的70#A级道路石油沥青。根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[4]的技术要求,采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[5]的试验方法对基质沥青进行了各技术指标的试验检测,检测结果均满足规范要求,70#基质沥青各项技术指标如表1所示。试验选用广西某高速公路项目上采用的广西自贸区路资冠建筑材料有限公司生产的RCA,其常温下呈粉末颗粒状,主要由岩沥青及纳米TiO2等材料组成,采用广西地方标准《RCA复配双改性沥青路面标准》(DBJ/T45-061-2018)[6]对RCA的技术指标提出了要求,本文对部分指标进行了检测,其主要技术指标如表2所示。

表1 基质沥青技术指标表

表2 RCA主要技术指标表

1.2 RCA改性沥青的制备

为充分模拟RCA沥青混合料的实际生产过程,本文采用的RCA改性沥青制备工艺如下:(1)将70#道路石油沥青装入容器并置于烘箱中进行加热,烘箱加热温度设定为165 ℃,加热至基质沥青完全处于熔融状态;(2)将试验室用沥青混合料拌和机预热,预热温度设定为175 ℃;(3)将称量好的RCA粉末加入沥青混合料拌和机中,开动搅拌机干拌1.5 min,使RCA粉末得以充分分散并提前预热;(4)将一定数量熔融状态下的基质沥青加入沥青混合料拌和机中搅拌1.5 min,得到RCA改性沥青。

本文采用外掺(即掺量为RCA质量与基质沥青质量之比)的方式,分别制备了RCA掺量为25%、40%及60%的RCA改性沥青。

1.3 RCA改性沥青技术指标试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的相关试验方法分别对基质沥青及不同掺量的RCA改性沥青进行针入度(试验温度为15 ℃、25 ℃及30 ℃)、软化点及15 ℃延度等物理性能试验。

2 试验结果分析

基质沥青及不同RCA掺量改性沥青的物理性能试验检测结果如表3所示,针入度导出指标结果如表4所示。

表3 基质沥青及不同RCA掺量改性沥青物理性能检测结果表

表4 针入度导出指标结果表

2.1 针入度

沥青的高温性能与沥青材料的稠度息息相关,而针入度是用来评价沥青材料稠度大小的主要技术指标,针入度值越小,沥青材料的稠度越大,高温性能通常也越好。不同RCA掺量在不同温度下对基质沥青针入度的影响曲线如图1～3所示。由图1～3可以看出:(1)随着RCA掺量的不断增加,15 ℃、25 ℃、30 ℃下RCA改性沥青的针入度均呈现出递减的变化趋势,说明RCA的掺入可改善基质沥青的高温性能;(2)15 ℃、25 ℃、30 ℃下不同RCA掺量对改性沥青针入度的影响曲线变化趋势相似,当RCA掺量从0增加到25%时,掺量每提高10%,各不同温度下针入度平均下降的幅度分别为15.4%、17.6%、18.1%;当RCA掺量从25%增加到60%时,掺量每提高10%,各不同温度下针入度平均下降的幅度分别为7.5%、10.1%、9.3%。这说明各不同温度下RCA掺量在0～25%时对改性沥青的针入度影响程度均为最大,针入度下降速度较快,而RCA掺量在25%～60%时针入度的下降趋势相对平缓。

图1 不同RCA掺量对沥青15 ℃针入度的影响曲线图

图2 不同RCA掺量对沥青25 ℃针入度的影响曲线图

图3 不同RCA掺量对沥青30 ℃针入度的影响曲线图

2.2 软化点

沥青的软化点通常作为评价沥青高温性能的指标,也是沥青黏度的一种量度,软化点越高说明沥青材料的抵抗高温流淌的能力越强,高温性能越好。图4为不同RCA掺量对沥青软化点影响的曲线图,从图4可以看出,随着RCA掺量的逐渐增大,改性沥青的软化点不断攀升,表明RCA改性沥青的高温性能不断增强。

图4 不同RCA掺量对沥青软化点的影响曲线图

2.3 延度

延度表征沥青材料在受力发生拉伸变形时不被破坏的能力,其大小通常作为沥青材料低温抗裂性能的评判依据,延度越大,说明沥青材料的低温抗裂性能越好。不同RCA掺量对沥青延度的影响如图5所示。从图5可以看出,沥青材料的15 ℃延度随着RCA掺量的增加而逐渐减小,表明RCA的掺入降低了沥青材料在低温受外力被拉伸时所能承受的塑性变形的总能力,即降低了沥青材料的低温抗裂性能。

图5 不同RCA掺量对沥青延度的影响曲线图

2.4 针入度导出指标

2.4.1 针入度指数

针入度指数PI通常用来评价沥青材料的温度敏感性能,PI值越大,说明沥青材料的感温性越差。RCA掺量对沥青针入度指数PI的影响如图6所示。从图6可以看出,随着RCA掺量的不断增加,RCA改性沥青的针入度指数呈现逐步递增的趋势,从基质沥青的-1.12增加到60%RCA掺量时的-0.16,针入度指数增幅达85.4%,说明RCA的添加有助于降低沥青材料的温度敏感性。RCA掺量在0～60%时,沥青的针入度指数均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的相关要求。

图6 不同RCA掺量对沥青针入度指数PI的影响曲线图

2.4.2 当量软化点

当量软化点T800是表征沥青材料高温性能的重要参考指标,其定义为沥青材料针入度值达到800(0.1 mm)时相应的温度。RCA掺量对沥青当量软化点T800的影响如图7所示。由图7可知,掺入RCA后沥青的当量软化点T800不断上升,说明RCA提升了沥青材料的高温性能。当RCA掺量在0～25%时,掺量每提高10%,当量软化点平均升高3 ℃,提升速率较快;当RCA掺量在25%～60%时,掺量每提高10%,当量软化点平均升高1.8 ℃,提升速率相对减缓,RCA对沥青材料高温性能的提升效果相对减弱。

图7 不同RCA掺量对沥青当量软化点T800的影响曲线图

将RCA改性沥青的实测软化点与当量软化点进行对比分析如图8所示。从图8可知,RCA掺量为25%时实测软化点与当量软化点基本一致,其余掺量下实测软化点均略高于当量软化点。由于RCA改性沥青的实测软化点和当量软化点的变化规律是一致的,由此可见,采用实测软化点和当量软化点对RCA改性沥青的评价具有一致性。

图8 实测软化点与当量软化点对比曲线图

2.4.3 当量脆点

当量脆点T1.2是评价沥青材料低温抗裂性的重要参考指标,其定义为沥青针入度值降为1.2时的相应温度。RCA掺量对沥青当量脆点的影响如图9所示。从图9可以看出:RCA改性沥青的当量脆点T1.2随着RCA掺量的增加而逐步升高,当掺量为0～25%时,RCA掺量每增加10%,当量脆点平均增加1.1 ℃;当掺量为25%～60%时,当量脆点平均增加0.5 ℃,其上升幅度逐渐趋于稳定。由此可见,RCA的添加使沥青变脆,导致沥青的低温抗裂性能下降。

图9 不同RCA掺量对沥青当量脆点T1.2的影响曲线图

2.4.4 塑性温度范围ΔT

塑性温度范围ΔT为当量软化点T800与当量脆点T1.2之差,其与沥青的温度敏感性相关,通常用来描述沥青的可使用温度范围大小。不同RCA掺量对沥青塑性温度范围ΔT的影响曲线如图10所示。从图10可以看出,在RCA掺量为0～60%,塑性温度范围ΔT随着RCA掺量的增加不断增大,RCA掺量每增加10%,ΔT平均升高1.6 ℃,说明RCA的加入可拓宽沥青材料的可使用温度范围,相比于RCA对沥青低温性能的不利影响,RCA在改善沥青材料高温性能方面的有利影响更为突出。

图10 不同RCA掺量对沥青塑性温度范围ΔT的影响曲线图

3 结语

(1)随着RCA掺量的增加,沥青针入度逐渐减小,软化点逐渐增大,说明RCA的掺入可改善基质沥青的高温性能。

(2)随着RCA掺量的增加,沥青延度逐渐减小,说明RCA的掺入降低了沥青材料在低温受外力被拉伸时所能承受的塑性变形的总能力,即降低了沥青材料的低温抗裂性能。

(3)随着RCA掺量的增加,沥青的针入度指数PI呈现出逐步递增的趋势,从基质沥青的-1.12增加到60%RCA掺量时的-0.16,针入度指数PI增幅达85.4%,说明RCA的添加有助于改善沥青材料的感温性。

(4)随着RCA掺量的增加,当量软化点T800与当量脆点T1.2均不断增大,说明RCA在改善沥青高温性能的同时,对沥青材料的低温性能表现出不利影响。然而,随着RCA掺量的增加,塑性温度范围ΔT呈现出递增的趋势,表明相比于RCA对沥青低温性能的不利影响,RCA在改善沥青材料高温性能方面的有利影响更为突出。