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    彩色瀝青路面施工

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    直投式環保型瀝青改性劑的路用性能

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    直投式環保型瀝青改性劑的路用性能

    發布日期:2020-12-04 作者:裘國平 等 點擊:



    利用以回收PE為主要材料的新型直投式改性劑制備改性瀝青及混合料,采用動態剪切流變試驗(DSR)和差示掃描量熱試驗(DSC)分析直投式改性劑,借助彎曲梁流變試驗(BBR)對其低溫流變特性進行研究,并對其路用性能進行評價。結果表明:加入改性劑后瀝青高溫流變性得到明顯改善,PG高溫性能分級可提高2~3個等級,高溫感溫性能改善不明顯;直投式改性瀝青混合料的高溫穩定性與水穩定性優于SBS改性瀝青混合料。

     

     




    關鍵詞

    道路工程 | 直投式改性劑 | 路用性能 | 回收PE中

     

    引言

    近年來,聚合物改性瀝青在路面施工中得到了廣泛運用。聚合物改性瀝青具有抗高溫性能好、抗水損害能力強等諸多優勢[1-2]。作為一種常用的改性劑,聚乙烯(PE)成分可有效增大瀝青材料的黏度和抗疲勞特性?;厥誔E價格低廉,從環境友好角度出發,可將其作為改性劑應用于當前的道路建設中,從而極大地降低瀝青路面的建設成本,同時也實現了資源的回收利用,因而該方法受到了國內外專家學者的密切關注。Panda等[3]研究了回收PE對瀝青混合料性能的影響,結果表明,回收PE可提高混合料的回彈模量,增強水穩定性,提高疲勞壽命。

     

    Garc’a-Morales等[4]對包括PE在內的4種廢舊聚合物改性瀝青的流變性能進行了研究,其中PE和EVA復合改性后可形成聚合物網狀結構,瀝青的抗高溫流變性能得到改善。Punith等[5]的研究發現,經回收PE改性后,瀝青混合料的疲勞壽命可提高2.5倍。方長青等[6]研究了廢PE和有機蒙脫土復合改性瀝青的微觀結構與路用性能。于凱等[7]研究發現,廢膠粉和廢PE復合改性后,瀝青的針入度等基本性能得到提高。大部分已有研究將廢舊PE作為改性劑來制備成品瀝青,而針對回收的聚乙烯直投式改性劑的研究很少。相較于普通的改性劑而言,直投式改性劑可直接混入礦料和基質瀝青之中,并通過混合攪拌等方式產出改性瀝青混合料。這樣可有效減少改性劑加工、儲存等諸多繁瑣的環節,有效實現資源和能源成本的節約,將廢舊的聚乙烯作為一種路用直投式改性劑具有更好的環保效益和經濟效益。

     

    對一種回收聚乙烯材料進行分析,并以該材料為原材料制備路用直投式改性劑,同時對這種改性劑改性的瀝青的高低溫流變特性、溫度敏感性、DSC熱分析及混合料的性能進行研究,分析其路用特性,為實際工程應用提供理論依據。

    試驗



    試驗材料


    (1)直投式改性劑

    直投式改性劑包含3個主要部分,分別為回收的聚乙烯材料、有機耐候膠以及高分子納米材料。其主要性能指標見表1。

    圖片1.png
        (2)瀝青

    選用江蘇保利瀝青公司銷售的70#道路石油瀝青作為基質瀝青,同時對比試驗中所用的SBS(I-D)改性瀝青,其主要技術指標如表2、3所示,經過分析,相關指標均滿足規范要求。

    圖片2.png
         (3)直投式新型改性瀝青的制備

    制備直投式改性瀝青采用的方法為高速剪切法,設備為小型高速剪切乳化儀。具體制作流程如下:首先將基質瀝青加熱至150℃,并在恒溫狀態下保持一定時間,然后將基質瀝青進行干燥處理,將干燥的改性劑按3%、6%、9%的劑量(與基質瀝青的質量比)緩慢、分批加入到基質瀝青中,并以500r·min-1的速率剪切15min,使改性劑均勻分散在基質瀝青中;然后,將溫度升至180℃,以4000r·min^-1的速率高速剪切60min;Z后,在剪切機中以500r·min^-1的速率運行30min,排出基質瀝青中的氣泡。

    (4)集料與礦粉


    粗集料采用玄武巖碎石,采用人工砂作為細集料材料,礦粉為石灰巖礦粉。粗集料的主要性能指標如表4所示。

    圖片3.png

     



    試驗方法

    (1)動態剪切流變試驗(DSR)

    采用英國Malvern公司生產的ADS型全自動動態剪切流變儀,對3種不同摻量的直投式新型改性瀝青、70?;|瀝青和SBS改性瀝青在原樣和RTFOT短期老化2種狀態下進行DSR試驗。試樣直徑為25mm,厚1mm。采用應變控制模式,加載頻率為10rad·S^-1,約1.59Hz。試驗起始溫度為64℃,以6℃為一級逐級提高,直至不滿足車轍因子指標為止。按ASTMD7175標準[8]中的方法進行試驗。

     

    (2)彎曲梁流變試驗(BBR)

    采用美國ATS公司生產的RHE-102型彎曲梁流變儀對經RTFOT短期老化和PVA長期老化后的3種直投式新型改性瀝青、70?;|瀝青和SBS改性瀝青進行流變試驗,2組試驗溫度控制在-12℃和-18℃。按ASTMD6648標準[9]中的方法進行試驗。

     

    (3)差示掃描量熱試驗(DSC)

    采用美國TA公司生產的Q100DSC型分析儀對2組瀝青材料進行DSC試驗。試驗時為氮氣氣氛,試驗溫度在-40℃~100℃之間,控制試驗升溫速率為10℃·min^-1。

     

    (4)瀝青混合料的路用性能試驗

    對基質瀝青、SBS瀝青和直投式改性瀝青3種瀝青混合料進行常規路用性能試驗。直投式改性瀝青混合料由改性劑直投法制備,經過多次試驗確定改性劑Z佳用量為瀝青總質量的0.35%,上述瀝青混合料均采用AC-13型級配中值。

     

    采用車轍試驗對混合料的性能指標進行測定,除了標準的試驗條件之外,還新增了2種較為苛刻的試驗條件,分別為60℃、0.7MPa浸水和70℃、0.8MPa浸水。利用小梁彎曲試驗對瀝青混合料的路用低溫性能進行評價,標準試驗條件為:溫度-10℃,加載速率50mm·min^-1?;旌狭系乃€定性采用凍融劈裂試驗法測定,其他相關路用性能指標測定采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)中要求的試驗方法。

     圖片4.png

    圖片6.png

      

     


    結果與討論

    改性瀝青性能分析

    (1)高溫流變性能

    瀝青路面的車轍或永久變形是瀝青混合料在高溫反復荷載作用下,剪切流動變形中不可恢復部分累積的結果,與瀝青在高溫時的動黏彈特性密切相關。因此,通過DSR試驗研究高溫下瀝青的流變特性已成為評價瀝青高溫性能的有效手段[10-12]。由DSR試驗可以得到復數剪切模量G*和相位角δ。G*表征瀝青抵抗剪切變形的能力,G*越大,抗剪切變形能力越強;δ反映了瀝青黏性與彈性間的比例,δ越大,瀝青黏性成分越大,變形不可恢復部分越大。SHRP計劃采用車轍因子G*/Sinδ作為高溫穩定性的評價指標,高溫條件下,若G*越大、δ越小,則G*/Sinδ越大,抵抗剪切流動變形能力越強,高溫穩定性越好。SHRP規范中規定,在高溫設計溫度下,原樣瀝青的G*/Sinδ不得小于1.0kPa,經RTFOT后殘留瀝青的G*/Sinδ不得小于2.2kPa。

     

    ①復數模量G*與相位角δ。瀝青DSR試驗結果如表5所示。由表5可知,經直投式改性劑改性后,不同溫度下瀝青的復數模量G*較基質瀝青均有明顯提高,瀝青抗剪切變形能力得到增強。G*的提高效果與改性劑用量相關,相同溫度下,改性劑用量越大,G*的增強效果越顯著。對于相位角δ,改性劑的加入使瀝青的相位角減小,且改性劑用量越多,減小幅度越大。δ為損失模量G″與貯存模量G′之比的量度,SBP改性劑使瀝青貯存模量G′的增加幅度高于損失模量G″,瀝青彈性成分增加,黏性損耗成分降低,即變形可恢復的部分增多,抵抗永久變形能力變強。

     

    ②車轍因子G*/Sinδ。原樣瀝青和RTFOT短期老化瀝青的車轍因子計算結果見表6。在同一溫度下,加入直投式改性劑后,瀝青的車轍因子變大,高溫穩定性得到提高,改性劑用量越多,改性越充分,高溫穩定性的提高幅度越大。當溫度為64℃時,添加6%直投改性劑后,車轍因子由基質瀝青的1925Pa提高到11050Pa,高溫穩定性提高了4.74倍,是SBS改性瀝青的2.64倍,遠遠優于SBS改性瀝青。根據SHRP規范對5種瀝青進行高溫性能分級,3種用量下,直投式改性瀝青高溫分級,溫度由基質瀝青的64℃分別提高到70℃、76℃和82℃。6%直投改性瀝青可達到SBS改性瀝青的高溫性能分級,9%直投瀝青高溫分級高于SBS改性瀝青。這是因為,直投式改性劑加入基質瀝青后,其交聯的網狀結構對高溫下瀝青的流動起到約束作用,由此提高了瀝青在高溫狀態下的黏度和抗剪切流動變形能力,且改性劑用量變多,交聯網狀結構的形成越充分,改性效果越顯著。直投式改性劑可有效改善基質瀝青的高溫穩定性能,就高溫穩定性而言,改性劑的有效摻量應在6%以上。

     

    (2)高溫區間溫度敏感性

    瀝青混合料的高溫區間感溫特性影響瀝青混合料的路用性能強弱,若感溫性強,則溫度升高瀝青黏度有所減小,抵抗剪切的能力下降,容易產生永久變形。在64℃~82℃的高溫區間,瀝青車轍因子與溫度在半對數坐標下符合較好的線性關系,因此可以用此線性關系的斜率k評價瀝青的感溫性能。斜率的絕對值越大,車轍因子隨溫度變化的幅度越大,瀝青對溫度越敏感,相應擬合結果見表7和圖1(R^2為擬合優度)。由表7可知,SBS改性瀝青對溫度的敏感性Z弱,70?;|瀝青Z強,直投式改性瀝青較基質瀝青有所改善,但對溫度仍較不敏感,其原因可能是因為回收PE性能退化,隨著溫度升高,改性劑網狀結構逐漸破壞,失去了對瀝青的約束作用,故表現為車轍因子隨溫度升高下降較快,但在高溫范圍內,摻量6%以上直投式改性瀝青的高溫穩定性能仍優于SBS改性瀝青。

     

    (3)DSC分析

    瀝青DSC試驗結果見圖2、3。在30℃~60℃范圍內,2種瀝青DSC曲線上均出現了一個吸熱峰,這是因為在此溫度區間內,瀝青發生了由黏彈態到黏流態的轉變,瀝青內一部分組分發生了由固態到液態的聚集態轉變,這種轉變程度越大,對瀝青宏觀性能的影響越顯著。而此溫度區間正是瀝青路面開始發生車轍等高溫永久變形的溫度區間,由此可知,對該溫度區間瀝青吸熱特性進行研究,有助于瀝青混合料高溫性能的評定。將此溫度區間內的吸熱峰曲線對時間積分,得到吸熱峰所對應的吸熱量,結果見表8。

    圖片7.png

    圖片8.png

    由圖2、3可知,在瀝青由黏彈態轉變為黏流態的高溫區間,70?;|瀝青的平均吸熱量大于直投式瀝青,吸熱量較大則說明瀝青中發生較大程度的聚集態轉變,故液相之間的轉化增多?;|瀝青中混入改性劑后,在相同的溫度區間內,瀝青聚合態組分有所降低,相較于基質瀝青而言,混合料的高溫穩定性有所提升。而溫度區間則反映了瀝青聚集態的溫度范圍,直投式改性瀝青聚集態溫度范圍變窄,說明聚集態轉變受溫度的影響更小,改性瀝青具有更低的溫度敏感性。這一結果與DSR試驗一致。

     

    (4)低溫流變性能

    BBR試驗結果如表8所示,利用S和m兩個指標來反應瀝青材料的低溫流變性能。蠕變勁度模量S同材料脆性之間呈現明顯的正相關關系,且S越大,路面發生損壞的可能性就越大。然而m越大,則溫度下降時路面會產生收縮反應,降低了材料勁度,材料之間的拉力值降低,增加了瀝青低溫開裂的可能性。由表8可知,加入直投改性劑后,瀝青的勁度模量S變小,m增大,應力松弛能力得到提高,低溫性能得到改善,且改性劑用量為6%時改善效果Z佳。SHRP計劃PG低溫分級要求S<300MPa,m>0.3。按此標準進行低溫分級,則直投式改性瀝青與70?;|瀝青均為-22℃,這是由于低溫PG分級以-6℃為間隔,溫度間隔較大,不能有效區分瀝青的低溫性能差異,同時也表明直投式改性劑雖然可以改善瀝青的低溫性能,但改善效果有限,并不能改善基質瀝青的低溫性能分級。

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    改性瀝青混合料的性能分析

    (1)高溫穩定性

    車轍試驗結果見表9。由表9可知,在標準情況下,直投式混合瀝青的穩定度高達9000次·mm^-1,且高溫穩定性是普通瀝青混合料的8.1倍,是SBS改性瀝青的1.5倍。浸水及70℃、0.8MPa條件下的動穩定度均有所降低,但在此苛刻條件下,直投式瀝青混合料仍表現出優于SBS改性瀝青混合料的抗車轍性能。車轍試驗結果與DSR試驗結果表現出較高的契合性,通過試驗研究可知,直投式改性劑的應用極大提升了瀝青混合料的高溫穩定性。
     

    (2)低溫抗裂性

    低溫彎曲試驗結果見表10。由表10可知,直投式改性劑對于混合料的低溫抗裂性正向作用效果不明顯。

     

    (3)水穩定性

    凍融劈裂試驗結果見表11。由表11可知,直投改性劑可明顯提高混合料的力學性能,水穩定性也有所提升。這是由于加入改性劑后,通過骨料的高溫傳熱作用和混合料之間的摩擦作用,改性劑分散后黏附在集料表面形成改性劑薄膜,提升了集料和瀝青材料之間的黏結力,有助于提升混合料的抗水損害能力。

    圖片11.png


    結語

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