辛烯聚合物橡胶反应剂(TOR)对湿法橡胶沥青混合料的性能及改性机理.pdfVIP

第 卷 第 期 年 月 公路工程 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金资助项目 作者简介 赵 洁 女 内蒙古呼和浩特人 讲师 研究方向 建筑工程研究方面 辛烯聚合物橡胶反应剂 T 对湿法橡胶沥青 混合料的性能及改性机理 赵 洁 内蒙古建筑职业技术学院 内蒙古 呼和浩特 摘 要 为改善橡胶沥青施工难度大 对沥青混合料高温性能改善有限等问题 采用 软化点 黏度 储存稳定性试验研究了 和橡胶粉掺量对橡胶沥青性沥青针入度的体系指标和 分级的影响 确定 了适宜的 掺量 基于车辙 低温弯曲 浸水马歇尔 冻融劈裂和四分点加载疲劳试验系统评价了 橡胶沥青 混合料的路用性能 试验结果表明 掺加 可以有效提高橡胶沥青的高温和低温性能 而且可以改善橡胶沥青 的相容性 提高施工和易性 掺加 后橡胶沥青混合料的高温稳定性 低温抗裂性 抗水损害能力和抗疲劳性能 均有较大提高 实体工程和试验段检测结果表明 掺加 可改善橡胶改性沥青混凝土的综合路用性能 延长了 道路的使用寿命 推荐最佳橡胶粉掺量为 掺量为橡胶粉掺量的 对橡胶改性沥青 的改性机理在于 与橡胶粉改性沥青 双键结构可以与橡胶粉发生交联反应和接枝反应 形成环状和链状 聚合物组成的网状结构 关键词 道路工程 橡胶粉改性沥青 辛烯聚合物橡胶反应剂 改性机理 路用性能 中图分类号 文献标识码 文章编号 公路工程 卷 引言 国际公认橡胶沥青应用于沥青路面中具有优良 低温性能 疲劳韧性 降噪和再生环保性能优势 能 减少废旧轮胎污染 加大资源的循环使用 改善路面 受力状态 抗老化 延长使用寿命 降噪 分贝 减振 行 车舒 适 是 真正意 义上 的 绿色 环 保型 路 面 目前橡胶沥青路面技术已经形成较为完善 的湿法和干法两大工艺 橡胶粉改性沥青混合料技 术相对成熟 但仍有不足 传统干法中橡胶粉仅是一 种填料 胶粉与沥青拌合时间较短的情况下 化学反 应并不充分 湿法橡胶粉改性沥青存在高温存储稳 定性差 黏度大 易离析 质量不稳定 此外干湿法橡 胶沥青混合料对路面的高温性能改善效果不明显 这些都成为其规模化推广应用的技术瓶颈 为了解 决湿法 干法橡胶沥青混合料存在的问题 国内外不 少学者进行了关于橡胶粉与沥青储存稳定性 通过 添加纤维 高模量剂等措施综合改善橡胶沥青 路用性能方面的研究 取得了一些成果 使湿法橡胶 沥青的性能得到提高 但是将这些成果用于干法橡 胶沥青混合料时存在对橡胶沥青综合路用性能效果 不明显 对橡胶改性沥青储存稳定性改善不彻底 施 工成本高等问题 橡胶反应剂 简称 是一种具有双键结构的聚合物 目前 国内关于 橡胶改性沥青的研究较少 也鲜见 橡胶改性沥青混合料实体工程应用 为此 本 文研究了 橡胶改性沥青及混合料性能 改性机 理等可以支撑其工程规模化推广应用的技术 为该 项技术在国内的推广应用提供技术支撑 掺加 橡胶沥青制备及性能 原材料及试验方案 选用克拉玛依 号 级道路石油沥青 沥青 各项技术性能均满足规范要求 橡胶粉为徐州橡胶 粉加工厂生产的 目硫化胶粉 其由常温粉碎法生 产工 艺 制 备 初 选 的 橡 胶 粉 掺 量 为 试 验 采 用 德 国 公 司 研 发 的 橡胶反应剂 简 称 反应剂是一种具有双键结构的聚合物 它可以将硬 沥青质和软沥青质中的硫与橡胶屑表面的硫交联起 来 形成环状和链状聚合物组成的网状结构 根据厂 商提供的 最佳掺量 本文选择 共 种 掺量 研究不同橡胶粉和 掺量下改性沥青的针入度指标性能和 分级 优 化出最佳的 和橡胶粉掺量 掺加 橡胶沥青制备 采用 美 国 进 口 的 胶 体 磨 生 产 橡胶粉改性沥青 生产工艺流程主要包括 先 将基质沥青到加热到 加热温度视所 加入的冷橡胶屑数量多少而定 然后加入预定质 量的橡胶粉和 连接剂与橡胶屑应分别按 比例称量后再混合在一起加入搅拌容器 为避免 一次性加入改性剂过多导致沥青温度下降过低 提 高加热装置的试验温度 同时边加入橡胶粉边快速 搅拌 使加入的橡胶粉能在短时间内与基质沥青混 合均匀 并快速加热到所需的试验温度 待胶粉颗 粒 全部加入后以 剪切速率剪切反 应 然后在 条件下发育 制成 橡胶粉改性沥青后备用 掺加 橡胶沥青性能 橡胶沥青评价指标 我国现行 公路沥青路面施工技术规范 采用 针入度体系评价改性沥青技术性能 研究室内试验 发现 由于橡胶粉中所含的灰分并不能完全被沥青 所溶解 灰分大量聚集处于一种不均匀状态 沉淀于 针入度试件底部 在用湿法工艺进行沥青混合料设 计时改性沥青稳定性差 离析问题严重 此外 针入 度试验过程中 试验针头在下降时可能会碰到灰分 聚集区 影响试验结果 针人度试验和低温延度试验 并不能真实地衡量橡胶粉的改性效果 延度指 标并不能很好表征橡胶沥青的低温延展性 同时延 度作为评价改性沥青低温指标的合理性还有待进一 步研究和完善 基于我国现行针入度指标评价橡胶 改性沥青性能的局限性 采用 和 试验研 究不同改性剂掺量的复合改性沥青 分级 同时 采用针入度评价指标中的黏度 软化点指标综合评 价橡胶粉和 掺量对复合改性沥青高低温性能 的影响 试验方法严格按照 公路工程沥青及沥青 混合料试验规程 和 相关标准进行 橡胶改性沥青性能试验结果及分析 试验结果见表 分级试验结果见表 第 期赵 洁 辛烯聚合物橡胶反应剂 对湿法橡胶沥青混合料的性能及改性机理 表 试验结果 掺 量 橡胶粉掺 量 劲度模量 蠕变斜率 表 橡胶改性沥青 分级 掺量 橡胶粉掺量 改性沥青 针入度指标体系试验结果见图 图 从表 图 可知 相同 掺量下随着 橡胶粉掺量增大 橡胶改性沥青蠕变劲度模量 减小 同时弯曲蠕变速率增大 劲度模量越小 沥青 相对更有柔性 同时劲度模量变化率 值较大 说 明该沥青的温度应力能够更快地释放 相应的沥青 低温抗裂性能越好 因此可认为掺加橡胶粉会对基 质沥青低温性能有明显的改善作用 相同橡胶粉掺 量情况下 随着 掺量增大 复合改性沥青蠕变 劲度模量减小 同时蠕变速率增大 可见增大 掺量可改善 橡胶改性沥青的低温抗裂性 双因 素方差分析结果表明橡胶粉和 掺量均对复合 改性沥青低温性能有显著影响 以反映复合改性 沥青高温性能的抗车辙因子和软化点来看 抗车辙 因子用来表征沥青抵抗高温永久变形的能力 其值 越大表明沥青的高温性能越好 由表 试验结果可 知 相同橡胶粉掺量下 随着 掺量增大抗车辙 因子增大 再者相同 掺量下 抗车辙因子随着 橡胶粉掺量的增大而增大 掺加 后橡胶改性 沥青的 分级普遍可达到 可见其具有优良 图 软化点试验结果 的高温性能 软化点是一个等黏温度的概念 能 够反映沥青的高温性能 由图 可知 相同 掺量条件下 随着橡胶粉掺量增大复合改性沥青软 化点增大 和橡胶粉掺量均对复合改性沥青软 化点有显著的影响 旋转黏度用于表征复 合改性沥青的施工和易性 由图 试验结果表 明 橡胶粉和 掺量均对复合改性沥青的 旋转黏度有显著影响 相同橡胶粉掺量情况下 随着 橡胶掺量增大 橡胶改性沥青旋转黏度呈二次 函数关系增大 掺量相同条件下 尤其橡胶粉 公路工程 卷 图 橡胶改性沥青 和储存稳定性黏度试验结 果 掺量超过 后黏度增加幅度较大 相同橡胶粉掺 量情况下 随着 掺量增大 黏度越大沥青在高 温荷载作用下的剪切变形越小 黏度与混合料的高 温性能有一定的关系 同时黏度增大 沥青混合料的 施工和易性变差 施工难度增大 对复合改性沥青的 黏度上限有一定的要求 参考国内外对聚合物改性 沥青旋转黏度的要求 以改性沥青黏度 作为评判标准 复合改性沥青方案中橡胶粉 掺量不宜超过 适宜的 掺量 从反映沥青储存稳定性指标 软化点差来看 相同橡胶粉掺量下 由图 可知 随着 掺量增 大 橡胶改性沥青软化点差减小 此外增大橡胶粉掺 量 橡胶粉复合改性沥青软化点差增大 可见增 大橡胶粉可降低复合改性沥青的均匀性 而增大 掺量可改善复合改性沥青的储存稳定性 橡胶改性沥青体系热稳定性较好 掺加 可改善 橡胶沥青的热储存稳定性 这与其各成分间表面张 力降低有关 橡胶改性沥青马歇尔试验 沥青性能指标满足要求并不能确保混合料性能 一定最佳 复合改性沥青的性能最终要以改性沥青 混合料的路用性能来体现 选用实体工程中采用的 断级配橡胶改性沥青混合料 混合料试 验级配见表 粗集料选用玄武岩 细集料采用石灰 岩机制砂 矿粉由石灰岩磨制而成 试验选取 种 不同 和橡胶粉掺量的改性沥青用于试验研究 按照 公路沥青路面 施工 技 术规 范 马歇尔法试验流程确定 橡胶改性沥青混 合料的最佳油石比 马歇尔试验结果见表 表 表 混合料试验级配组成 筛孔 合成级配规范上限规范下限 表 橡胶粉改性沥青混合料室内马歇尔试验参数 控制 施工环节控制参数 矿料加热温度 橡胶改性沥青加热温度 改性沥青与集料拌合时间 出料温度 马歇尔击实温度 表 马歇尔试验结果 沥青复配方案 橡胶粉 橡胶改性沥青混合料路用性能 路用性能试验时固定橡胶改性沥青的掺量为 按照现行施工规范要求采用车辙试验评价 沥青混合料的高温稳定性 采用 小梁弯曲试 验评价沥青混合料的低温抗裂性 采用浸水马歇尔 和冻融劈裂试验评价复合改性沥青混合料的水稳定 性 车辙试验参数为 试验温度 试验轮行走 第 期赵 洁 辛烯聚合物橡胶反应剂 对湿法橡胶沥青混合料的性能及改性机理 速率 次 试件尺寸为 长 宽 高 低温弯曲试验参数为 试验温度为 加载速率为 试验 时采用单点加载方式 支点间距 浸水马歇 尔和冻融劈裂试验试件制备和试验方法严格按照 公路沥青路面施工规范 和 公 路工程沥青及沥青混合料试验规程 执行 橡胶改性沥青混合料路用性能试 验结果见图 图 表 图 车辙试验结果 图 低温弯曲试验结果 车辙试验结果表明 随着 和橡胶粉掺量增 大 橡胶改性沥青混合料车辙试验动稳定度增 大 掺加 可显著改善橡胶沥青混合料的高温稳 定性 橡胶改性沥青的车辙试验动稳定可满足 施工规范不小于 次 的要求 低温弯曲试 验结果表明 相同橡胶粉掺量 随着橡胶粉掺量的增 大 改性沥青混合料抗弯拉强度增大 而弯曲应变增 表 橡胶改性沥青混合料水稳定性试验结果 掺量 橡胶粉 掺量 浸水马歇尔试验冻融劈裂试验 大 弯曲劲度模量减小 可见增大 掺量会增强 橡胶改性沥青混合料的柔性 提高释放应力的能力 掺量下橡胶沥青混合料的破坏应变普遍可 达到 甚至超过 改性沥青混合料 这主 要与 增强了沥青混合料的抗破坏强度 而橡胶 改性剂增强了沥青混合料的释放荷载的能力和提高 了柔韧性有关 浸水马歇尔 冻融劈裂试验结果表 明 橡胶改性沥青混合料的浸水马歇尔残留强 度比和冻融劈裂强度均可达到 以上 满足规范 要求 抗疲劳性能 目前评价沥青混合料疲劳性能的试验方法有四 点弯曲法 简支梁法 悬臂梁法 扭剪法 旋转法 贯 入剪切法和三轴压力法等 加载方式有控制应力和 控制应变两种形式 每种疲劳试验方法都有其 优缺点 其中四点弯曲控制应变疲劳试验方法过程 中沥青混合料的受力状态更接近沥青路面的实际情 况 沥青层底拉应变也是计算路面结构厚度的重要 控制指标之一 且试验方法可操作性强 对沥青结合 料敏感性强 本部分疲劳试验采用中四分点加载弯 曲试验法 加载模式为应变控制方式 按照现行沥青 及沥青混合料试验规程 中的要求成 型大车辙板试件 室温放置 后切割尺寸为 小梁试件 在 疲劳试验 机上采用三点加载方式 试验选用 公路工程 卷 共 个应变水平 试验温度为 疲劳试验结果见表 表 疲劳试验结果 改性沥青类型 应变水平 橡胶粉 橡胶粉 橡胶粉 橡胶粉 改性沥青 表 试验结果表明 各应变水平下 橡胶粉和 橡胶粉两种 橡胶 改性沥青混合料疲劳性能相当 二者疲劳性能均较 好 橡胶粉和 改性沥青混 合料疲劳性能次之 橡胶粉改性沥青混合料的 抗疲劳性能最差 可见在适宜的 和橡胶粉掺量 情况下 橡胶改性沥青混合料的疲劳性能要优 橡胶粉单一改性沥青 且优于 改性沥青 混合料 分析 对橡胶粉改性沥青混合料抗疲 劳性能的改善作用主要与 其本身也具有双键 结构 可与橡胶改性沥青硫化产生交联 形成共混网 络体系 起到改性沥青的作用有关 由图 可见 在 橡胶粉改性沥青体系中 加速了胶粉脱 硫和降解速度 橡胶粉部分溶解后分布更加均匀 与橡胶粉改性沥青发生交联反应和接枝反应 从而降低基质沥青 橡胶粉 改性剂三者之间 橡胶颗粒形貌 基质沥青形貌 橡胶粉在基持沥青中的溶胀 橡胶粉改性沥青形貌 复合改性沥青形貌 荧光电镜图 图 橡胶改性沥青 图像 的表面张力 提高改性沥青的性能和热稳定性 这也 是 橡胶粉改性沥青改性效果更好 掺加 改性剂后橡胶改性沥青储存稳定的主要原因 现场试验 为评价 橡胶改性沥青的实际应用效果 课 题组于 年在赤锡高速 赤峰段铺设了 橡胶改性沥青混凝土 试验段采用 橡胶粉 铺设厚度 相比 普通橡胶改性沥青混合料 每吨 橡胶改性沥青 需增加成本 元 铺设完成 周后现场检测压实 度 平整度等各项指标均符合设计要求 经过长达 的试验路检测 橡胶粉改性 沥青混合料有效地减少了沥青路面的早期破坏 目 前没有明显的车辙和开裂病害 路面使用状况良好 可见采用 橡胶改性沥青混凝土延长了道路的 使用寿命 经济 社会效益显著 结论 系统研究了 和橡胶粉掺量对 橡胶 改性沥青针入度和 分级体系的影响 提推荐了 橡胶改性沥青生产工艺流程的关键控制参数 提出采用针入度和 分级双指标控制 橡胶改 性沥青的性能 结合室内试验结果 橡胶改性 沥青中推荐最佳橡胶粉掺量为 掺 量为橡胶粉掺量的 掺加 可以有效提高橡胶沥青的高温和 低温性能 而且可以改善橡胶沥青的相容性 提高施 工和易性 路用性能试验结果表明 掺加 后橡 胶沥青混合料的高温稳定性 低温抗裂性 抗水损害 能力和抗疲劳性能均有较大提高 通过长达 的试验路观测 橡胶改性 沥青混凝土延长了道路的使用寿命 经济 社会效益 显著 与橡胶粉改性沥青发生交联反应和接 枝反应 从而降低基质沥青 橡胶粉 改性剂 三者之间的表面张力 提高改性沥青的性能和热稳 第 期赵 洁 辛烯聚合物橡胶反应剂 对湿法橡胶沥青混合料的性能及改性机理 定性 这也是 橡胶粉改性沥青改性效果更好 掺加 改性剂后橡胶改性沥青储存稳定的主要 原因 参考文献 房建宏 硫化杜仲胶改性沥青在西部高寒地区的应用探讨 公路工程 耿巍 蒋玲 废橡胶改性 老化机理的红外分析 公 路工程 任瑞波 耿立涛 稳定型橡塑改性沥青混合料路用性能研究 公路 何亮 黄晓明 马育 橡胶改性沥青储存稳定性试验研究 东南大学学报 自然科学版 肖鹏 陈洋洋 吴帮伟 橡胶沥青性能试验研究 扬州 大学学报 自然科学版 王宏 聚酯纤维对 改性沥青及其混合料抗裂性能研究 公路 李志刚 李聪 蔡敏东 接枝杜仲胶对干法橡胶沥青混合料的 改性机理与效果 东南大学学报 自然科学版 刘玉龙 王旭 李洪峰 粉胶比对沥青混合料路用性能影响的 试验研究 森林工程 李志刚 卓义金 旷鹏 接枝杜仲胶改性沥青路用性能 东 南大学学报 自然科学版 周礼 凌天清 陈丽 废塑料橡胶粉复合改性沥青制备方案的 优选及性能研究 公路与汽运 郑俊杰 阳宴 废轮胎胶 粉 复 合 改 性 沥 青 的 试 验研究 新型建筑材料 张洪伟 橡胶颗粒沥青混合料破冰试验 合成橡胶工业 刘文俊 连续级配橡胶颗粒沥青混合料抗剥落性能研究 森林工程 王志刚 杜英 向丽 废橡胶粉 复合改性沥青制备研究 石油炼制与化工 交通运输部公路科学研究所 废旧橡胶粉用于筑路技术的推 广应用技术