胶粉石油树脂复合改性沥青抗车辙性能研究

汪洁文

(山东高速东营孤岛收费站,山东 东营 257000)

近年来,我国沥青路面的车辙现象越来越普遍,尤其是在交通量大的高等级公路上。车辙的出现不仅会严重损坏沥青路面的平整度,还会影响高速公路的运营安全。通常而言,面层沥青混合料在剪应力作用下的塑性变形被认为是沥青路面车辙病害的主要来源。因此,提高沥青材料的抗车辙性能成为了沥青路面工程领域的一大迫切要求[1-5]。

基于上述背景,为提高基质沥青的高温抗车辙性能,目前道路工程领域普遍选用高性能聚合物改性沥青,主要包括苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(Styrene-Butadiene-Styrene Copolymer,SBS)改性沥青、多聚磷酸(Polyphosphoric Acid,PPA)改性沥青和胶粉(Crumb Rubber,CR)改性沥青等[6-8]。其中,胶粉改性沥青(又称橡胶沥青)是指将研磨粉碎而成的废旧轮胎橡胶粉加入到已加热至流动态的基质沥青当中,掺入相容剂和抗老化剂等特定添加剂,并经过系列复杂加工工艺(如湿法工艺)制备得到的改性沥青。胶粉改性沥青具有降低路面噪音、提高重交通承载能力、延缓路面反射裂缝和抵抗恶劣气候等技术优势。胶粉改性沥青的材料成本相比SBS改性沥青低近20%,且铺筑路面薄、维护费用低、服役寿命长,并可促进废旧轮胎的增值回收再利用。总而言之,胶粉改性沥青凭借优越的低温抗裂性能、抗反射裂缝性能、路面降噪功能以及潜在的环境经济效益,正在国内逐步得到推广。

同时,基于传统胶粉改性沥青的复合改性沥青也得到了广泛研究,尤其是胶粉SBS复合改性沥青,因为其有望在控制材料成本的同时进一步提高改性沥青的路用性能[9-12]。具体而言,胶粉SBS复合改性沥青不但可以大量消耗废旧轮胎橡胶,而且能够获得优异的复合改性效果,同时还能解决胶粉改性沥青目前存在的一些问题(如存储稳定性差)。在复合改性沥青中,胶粉的掺入可使SBS改性剂的掺量降低,从而可以降低改性沥青的生产成本。相较于胶粉单独改性,胶粉含量也可同时降低。尽管胶粉和SBS掺量均较低,但二者复合改性仍可弥补改性剂的低掺量对最终改性效果的影响,从而基质沥青最终的改性效果不会受到影响。另一方面,由于胶粉含量降低,改性沥青体系的黏度减小,这使得改性沥青利用剪切设备搅拌的加工难度大大降低,高速剪切机加工工艺和胶体磨湿法加工分散等工艺就可用于胶粉/SBS复合改性沥青的生产。

然而,目前鲜有文献涉及胶粉石油树脂复合改性沥青研究,尤其在其具有潜在优势的抗车辙性能方面。因此,依据我国规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)和美国材料与试验协会(ASTM)规范,研究制备不同掺量的胶粉石油树脂复合改性沥青,采用动态剪切流变仪,测试胶粉石油树脂复合改性沥青在高温条件下的剪切流变特性和蠕变恢复特性,并获取相关性能参数指标,以评价其高温抗车辙性能。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

选用京博70号基质沥青,其基本性能见表1。选用常温破碎的40目废旧轮胎胶粉(CR),同时选用石油化工蒸汽裂解装置产生的C9芳烃分馏的副产品C9石油树脂(PR)作为复合改性剂。

表1 基质沥青的基本性能

在制备胶粉石油树脂复合改性沥青过程中,首先将基质沥青加热至165 ℃,使其完全流动。同时,将设计掺量(0%、5%、10%、15%)的胶粉改性剂缓慢添加至基质沥青中,采用机械搅拌方式以1 000 rpm的搅拌速度在175 ℃下持续搅拌30 min。再将设计掺量(0%、5%)的石油树脂改性剂缓慢添加到制备好的胶粉改性沥青中,采用机械搅拌方式以3 000 rpm的搅拌速度在175 ℃下持续搅拌30 min。最后,制备得到8种不同掺量的胶粉石油树脂复合改性沥青。

1.2 试验方法

采用旋转薄膜烘箱试验(RTFO)制备短期老化改性沥青样品。旋转薄膜烘箱试验用于模拟沥青在施工过程中的短期老化,具体操作为在标准玻璃盛样皿(高140 mm,直径64 mm)中倒入35 g沥青,在163 ℃和4 000 mL/min空气通气量下,以15 r/min的转速旋转,进行85 min的老化。

采用动态剪切流变仪(DSR)评价未老化和短期老化状态下改性沥青的高温流变性能。在沥青高温性能分级(PG)试验中,沥青试样被放置在两个平行的圆形板中,采用25 mm的转子进行,控制工作间隔为1 mm。所选择的振荡频率为10 rad/s,应变值分别设为10%(未老化沥青)和12%(短期老化沥青),起始测试温度设为76 ℃。测试结果包括复数剪切模量(G*)和相位角(δ),进而得到可用于评价高温车辙性能的车辙因子(G*/sinδ)。

采用DSR对短期老化后的改性沥青进行多重应力蠕变恢复(MSCR)试验,进一步研究改性沥青在高温状态下的蠕变和恢复特性。试验过程中,应力加载1 s,随后卸载9 s,记录此过程中沥青的剪切变形,进而计算不可恢复蠕变柔量和蠕变回复率。选用的测试应力水平为3.2 kPa,测试温度为76 ℃。重复加载应力次数为10次,取其各周期平均值作为评价指标。

2 结果与讨论

2.1 剪切流变特性参数

对未老化和短期老化的胶粉石油树脂复合改性沥青的剪切流变特性分别进行测试,车辙因子的测试结果分别如图1和图2所示。一般而言,车辙因子值越高,表明改性沥青在高温下的抗车辙性能或抗永久变形能力越强。结果表明,胶粉的掺入显著增强了沥青对塑性变形的抵抗能力,也就是提高了弹性恢复能力。同时,胶粉对抗车辙性能的改善效果随着其掺量的增加而不断增加,可发现添加15%胶粉的改性沥青表现出了车辙因子的最大值,而且这种效果与改性沥青的老化状态无关。其次,石油树脂复合改性剂也给改性沥青的抗车辙性能带来了积极影响。在老化前后,掺入5%石油树脂的复合改性沥青的车辙因子值均高于未添加石油树脂的改性沥青。

图1 胶粉石油树脂复合改性沥青的车辙因子(未老化状态)

图2 胶粉石油树脂复合改性沥青的车辙因子(短期老化状态)

进行复合改性沥青的车辙因子值随胶粉和石油树脂掺量的增加而变化的方差统计分析,结果如表2和表3所示。结果表明胶粉掺量对两种老化状态下的复合改性沥青的车辙因子值均有显著影响。其次,在未老化状态下,添加石油树脂对改性沥青抗车辙性能的积极影响也具有统计学意义。然而,在短期老化后,统计分析结果表明添加5%石油树脂对改性沥青的车辙因子无显著影响,当胶粉掺量为15%时除外。

表2 胶粉石油树脂复合改性沥青的车辙因子(未老化状态)方差分析

表3 三种改造方法路面结构承载能力对比 单位:MPa

表3 胶粉石油树脂复合改性沥青的车辙因子(短期老化状态)方差分析

2.2 蠕变恢复特性参数

进一步采用MSCR试验从更深层次评估胶粉石油树脂复合改性沥青的抗车辙性能。在该方法中,主要以改性沥青的蠕变和恢复特性来评估沥青胶结料的抗车辙性能,且被测试的沥青样品需经过短期老化。该测试可得到两个参数,即不可恢复蠕变柔量和蠕变恢复率。一般而言,不可恢复蠕变柔量越大意味着改性沥青对高温车辙越敏感,而蠕变恢复率越大则意味着改性沥青具有更大的弹性成分。胶粉石油树脂改性沥青的不可恢复蠕变柔量和蠕变恢复率的测试结果分别如图3和图4所示。

图3 胶粉石油树脂复合改性沥青的不可恢复蠕变柔量

图4 胶粉石油树脂复合改性沥青的蠕变恢复率

显而易见,与基质沥青相比,添加胶粉改性剂可有效降低其不可恢复蠕变柔量。同时胶粉掺量越大效果越明显,这表明胶粉的添加可有效降低沥青在蠕变过程中的不可恢复变形比例。其次,与不含石油树脂的改性沥青相比,胶粉石油树脂复合改性沥青的抗塑性变形能力均得到显著改善,表现出更低的不可恢复蠕变柔量值。另一方面,根据蠕变恢复率测试结果,添加石油树脂对改性沥青的效果并不明显,这有可能是该指标的测试标准偏差较大的缘故。总的来说,从沥青弹性性能的角度分析,胶粉和石油树脂的掺入均能给沥青的抗车辙性能带来积极影响。

进一步研究了胶粉石油树脂复合改性沥青的不可恢复蠕变柔量和蠕变恢复率随胶粉和石油树脂掺量的增加而变化的方差统计分析,结果如表4和表5所示。根据不可蠕变恢复柔量的分析结果,无论是何种石油树脂掺量,胶粉改性剂的添加均能对其产生显著影响。然而,石油树脂的掺入对改性沥青不可蠕变恢复柔量的影响却并不显著。另一方面,从蠕变恢复率的分析结果来看,胶粉改性剂的添加总体上具有显著影响,但添加石油树脂前后的该指标并不存在统计学差异。

表4 胶粉石油树脂复合改性沥青的不可恢复蠕变柔量方差分析

表5 胶粉石油树脂复合改性沥青的蠕变恢复率方差分析

3 结 论

以不同胶粉和石油树脂改性剂掺量,制备了8种胶粉石油树脂复合改性沥青,并考虑了未老化和短期老化两种沥青老化状态,分别测试了复合改性沥青的剪切流变特性和蠕变恢复特性,以评价其高温抗车辙性能。主要结论如下:

(1)根据车辙因子测试结果,发现随着胶粉含量的增加和石油树脂的掺入,复合改性沥青的抗车辙性能持续得到改善,同时方差分析结果也证明了其改善效果。因此采用这两种改性剂生产的沥青材料可保证路面在高温下不易发生车辙。

(2)根据MSCR试验结果,较高的胶粉掺量在弹性性能方面具有更好的抗车辙性。进一步添加石油树脂也会显著降低不可恢复蠕变柔量值。虽然石油树脂掺入对改性沥青的蠕变恢复率并没有明显的积极影响,但考虑到一些潜在的试验误差,总体上可认为石油树脂在改善沥青弹性性能方面是有效的。