粉膠比對(duì)橡膠瀝青膠漿高溫性能的影響研究

鐘志鋒， 郭興文， 周 浩

(1.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福建 福州 350002)

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粉膠比對(duì)橡膠瀝青膠漿高溫性能的影響研究

鐘志鋒1， 郭興文1， 周 浩2

(1.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福建 福州 350002)

摘要：為了研究不同粉膠比對(duì)橡膠瀝青膠漿高溫性能的影響，選擇石灰?guī)r礦粉作為填料，粉膠比摻量為0.2、0.4、0.6、0.8。膠漿高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇Fail temperature和ZSV，通過DSR試驗(yàn)對(duì)不同膠漿進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著粉膠比的增加，橡膠瀝青膠漿的Fail temperature和ZSV值均逐漸變大，而且增大幅度較大，橡膠瀝青膠漿的高溫性能得到明顯的改善；利用環(huán)境掃描電鏡對(duì)膠漿進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)添加礦粉的橡膠瀝青膠漿光滑、細(xì)膩，礦粉被橡膠瀝青裹覆均勻。

關(guān)鍵詞：粉膠比；橡膠瀝青膠漿；高溫性能；石灰?guī)r礦粉；Fail temperature；ZSV

廢舊輪胎粉制成的橡膠瀝青混合料應(yīng)用于路面，不僅可以有效改善路面的使用狀況、提高路面平整度、延長(zhǎng)路面壽命，還可以降低車輛行使噪音和增加路面的美觀度。但在橡膠瀝青應(yīng)用過程中，也逐漸出現(xiàn)了高溫性能改善不明顯、水損害等問題，在高溫季節(jié)極易產(chǎn)生車轍等病害[1]，嚴(yán)重地威脅著瀝青路面的適用性和耐久性。因此對(duì)橡膠瀝青膠漿在高溫下的性能研究，一直都是瀝青路面耐久性研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。目前，學(xué)者[2-5]多從各個(gè)因素研究如何改善橡膠瀝青膠漿高溫的穩(wěn)定性能。石灰?guī)r礦粉作為一種堿性耐熱性能高的填料，研究其不同摻量對(duì)橡膠瀝青膠漿高溫性能的影響，對(duì)于橡膠瀝青混合料的運(yùn)用和推廣將產(chǎn)生較大的推動(dòng)作用，為此本文將研究在實(shí)際工程中石灰?guī)r礦粉摻量對(duì)橡膠瀝青膠漿高溫性能的影響。

1 原材料

1.1道路石油瀝青

采用韓國(guó)雙龍70#道路石油瀝青，根據(jù)規(guī)范及SHRP試驗(yàn)方法，對(duì)其進(jìn)行性能檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 70#道路石油瀝青的性能檢測(cè)結(jié)果

1.2橡膠粉

采用的廢膠粉是江蘇常州生產(chǎn)的貨車輪胎膠粉(20目)，以廢舊輪胎為原材料，在常溫下經(jīng)過粉碎、分離、除金屬、篩選等活化和脫硫工序處理制成的黑色粉末狀物質(zhì)[6]。

1.3填料

采用的礦粉為實(shí)際工程中使用的石灰?guī)r礦粉。按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)相關(guān)試驗(yàn)的要求進(jìn)行試驗(yàn)，其基本技術(shù)性能測(cè)定結(jié)果如表2所示。

表2 礦粉的基本技術(shù)性能測(cè)定結(jié)果

所用礦粉外觀無團(tuán)粒結(jié)塊，制備膠漿的礦粉都是過0.075 mm篩以下的礦粉。

1.4橡膠瀝青膠漿的制備

選取外摻18%的橡膠粉作為改性劑，將20目的橡膠粉分3次緩慢加入到70#道路石油瀝青中制備橡膠瀝青，其中攪拌溫度控制在(175±5)℃，攪拌速率控制在1 000轉(zhuǎn)/min，拌制時(shí)間約為45 min[7]。在制備好的橡膠瀝青中人工加入礦粉，采用人工攪拌，不斷攪拌到橡膠瀝青膠漿混合料均勻即可[8]。由于不同礦粉摻量對(duì)橡膠瀝青膠漿高溫性能影響不同，本文分別選擇0.2、0.4、0.6、0.8礦粉粉膠比(礦粉質(zhì)量/橡膠瀝青質(zhì)量)的橡膠瀝青膠漿。

2 高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 Fail temperature

SHRP中提出采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)，測(cè)定瀝青膠結(jié)料的復(fù)數(shù)模量(G*)和相位角(δ)來評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料的粘彈特性。對(duì)于瀝青路面而言，希望瀝青路面在溫度較高時(shí)具有足夠的彈性，以便于路面恢復(fù)變形，因而G*越大、δ越小越好。因此，Superpave中規(guī)定原樣瀝青車轍因子至少為1.0 kPa[9]。而礦粉作為橡膠瀝青膠漿的組分之一，對(duì)膠漿的車轍因子有必然的影響。因此定義當(dāng)未老化的瀝青膠漿G*/(sinδ)=1.0 kPa時(shí)的溫度為fail temperature[10-11]。因?yàn)镚*/(sinδ)越大越好[12]，所以fail temperature越大越好。通過頻率掃描試驗(yàn)得到10 rad/s時(shí)的G*/(sinδ)。

2.2零剪切粘度

高溫下車轍變形是一個(gè)緩慢的過程，因此用零剪切粘度來評(píng)價(jià)橡膠瀝青膠漿的高溫性能比較合理。得到零剪切粘度的方法有很多[13]，本文采用C.Desmazes[14]等人提出的蠕變恢復(fù)試驗(yàn)法得到橡膠瀝青膠漿的零剪切粘度。張肖寧[15]等人研究發(fā)現(xiàn)只有剪應(yīng)力不超過牛頓流體范圍，膠結(jié)料才能達(dá)到穩(wěn)定的粘流狀態(tài)。C.Desmazes等人發(fā)現(xiàn)只有蠕變應(yīng)力不高于30 Pa時(shí)，瀝青才能獲得足夠低的剪切速率進(jìn)入牛頓流體區(qū)域。因此，本試驗(yàn)采用25 Pa的應(yīng)力，60℃的溫度，蠕變1 000 s，恢復(fù)1 h。

本文采用fail temperature、零剪切粘度對(duì)摻加礦粉(粉膠比為0、0.2、0.4、0.6、0.8)的橡膠瀝青膠漿進(jìn)行高溫流變性評(píng)價(jià)及分析。其中，兩種評(píng)價(jià)方法的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均是通過美國(guó)TA-AR1500EX型動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR得到的，25 mm平行板間距均取3.5 mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 Fail temperature試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對(duì)不同橡膠瀝青膠漿進(jìn)行不同溫度下的頻率掃描試驗(yàn)(40℃～80℃，步長(zhǎng)為10℃)，確定不同溫度下10 rad/s時(shí)的G*/(sinδ)。然后建立車轍因子對(duì)數(shù)(log(G*/(sinδ)))與溫度T的半對(duì)數(shù)關(guān)系曲線圖，對(duì)得到的曲線進(jìn)行回歸分析，如圖1所示。

根據(jù)擬合的回歸直線，得到不同橡膠瀝青膠漿在G*/(sinδ) = 1.0 kPa時(shí)的fail temperature(如表3所示)。據(jù)fail temperature來評(píng)價(jià)不同橡膠瀝青膠漿的高溫性能。

表3 不同礦粉橡膠瀝青膠漿的fail temperature(℃)

從表3可以看出，不同橡膠瀝青膠漿的車轍因子與溫度的半對(duì)數(shù)曲線相關(guān)性很高，均大于0.99，添加礦粉制備的橡膠瀝青膠漿隨著粉膠比的增加，fail temperature逐漸增大，表明橡膠瀝青膠漿的高溫性能逐漸得到改善，如粉膠比為0.8時(shí)的fail temperature較粉膠比為0時(shí)的fail temperature增加了20.1%。

3.2零剪切粘度試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對(duì)不同橡膠瀝青膠漿進(jìn)行蠕變及蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，其中，柔量與時(shí)間的關(guān)系見圖2。

表4 不同礦粉橡膠瀝青膠漿在蠕變恢復(fù)階段的ZSV(Pa·s)

從圖2和表4可以看出，隨著粉膠比的增加，橡膠瀝青膠漿在蠕變恢復(fù)階段的ZSV逐漸變大。當(dāng)粉膠比為0.8時(shí)的ZSV值約是粉膠比為0.25時(shí)的10倍，說明隨著粉膠比的增加，橡膠瀝青膠漿的高溫性能明顯提高。

3.3高溫性能的改善機(jī)理分析

為了清晰地分析石灰?guī)r礦粉對(duì)橡膠瀝青膠漿微觀形態(tài)的影響，本文還將通過對(duì)不同橡膠瀝青膠漿進(jìn)行環(huán)境掃描試驗(yàn)(ESEM)，從微觀角度分析總結(jié)瀝青膠漿高溫性能提高的原因。試驗(yàn)掃描照片如圖3所示。

從圖3可以看出，添加礦粉的橡膠瀝青膠漿光滑、細(xì)膩，礦粉被橡膠瀝青裹覆均勻，這正是因?yàn)榈V粉與瀝青會(huì)發(fā)生體積增強(qiáng)作用和物化反應(yīng)。而隨著粉膠比的增加，瀝青與礦粉生成的“結(jié)構(gòu)瀝青”數(shù)量增多，形成的相體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，粘附作用更強(qiáng)，從而使橡膠瀝青膠漿的高溫性能更好。

4 結(jié)論

1)隨著礦粉粉膠比的增加，橡膠瀝青膠漿的fail temperature和蠕變恢復(fù)階段的零剪切粘度均逐漸變大，而且增加的幅度比較大，橡膠瀝青膠漿的高溫性能得到明顯的改善。

2)添加礦粉的橡膠瀝青膠漿光滑、細(xì)膩，礦粉被橡膠瀝青裹覆均勻，這正是因?yàn)榈V粉與瀝青會(huì)發(fā)生體積增強(qiáng)作用和物化反應(yīng)。隨著粉膠比的增加，瀝青與礦粉生成的“結(jié)構(gòu)瀝青”數(shù)量增多，形成的相體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，粘附作用更強(qiáng)，從而使橡膠瀝青膠漿的高溫性能更好。

參考文獻(xiàn)：

[1]凌天清，肖 川，夏 瑋.高溫下橡膠瀝青膠漿特性及礦料級(jí)配優(yōu)化分析[J].土木建筑與環(huán)境工程，2010，32(5)：47-52.

[2]劉 麗.瀝青膠漿技術(shù)性能及評(píng)價(jià)方法研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

[3]楊躍煥，吳英彪，喬建剛.泡沫瀝青溫拌再生混合料試驗(yàn)研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，31(1)：32-35.

[4]黃衛(wèi)東，王 偉，黃 巖，等.橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素試驗(yàn)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，38(7)：1023-1028.

[5]徐歐明，韓 森，于靜濤.露石混凝土改善橋面鋪裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(1)：22-24.

[6]劉日鑫.膠粉改性瀝青材料[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2002.

[7]YU XIN，WANG YUHONG，LUO YILIN.Impacts of types and application rates of warm mix additives on CRMA[J].Journal of Materials in Civil Engineering, 2013,7(25)：939-945.

[8]李智慧.瀝青膠漿高低溫性能評(píng)價(jià)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

[9]方伽俐，黃衛(wèi)東.瀝青結(jié)合料零剪切粘度簡(jiǎn)介[J].中外公路，2003，23(6)：83-86.

[10]SHEN J，AMIRKHANIAN S.The influence of crumb rubber modifier (CRM) microstructures on the high temperature properties of CRM binders[J].The International Journal of Pavement Engineering，2005，6(4)：265-271.

[11]APEAGYEI A K，GRENFELL J R A，AIREY G D.Application of Fickian and non-Fickian diffusion models to study moisture diffusion in asphalt mastics[J].Materials and Structures，2015，48(5)：1461-1474.

[12]吳慧彥，同 鑫.瀝青高溫性能評(píng)價(jià)新指標(biāo)[J].中外公路，2011，31(3)：263-266.

[13]羅怡琳，于 新，孫文浩.橡膠瀝青零剪切粘度確定方法的研究[J].公路工程，2012，37(5)：218-221.

[14]DESMAZES C，LECOMTE M，LESUEUR D，et al.A protocol for reliable measurement of zero-shear- viscosity in order to evaluate the anti-rutting performance of binders[C]// Proceedings of the papers submitted for review at 2nd eurasphalt and eurobitume congress,Barcelona,Spain.2000: 20-22.

[15]張肖寧.瀝青與瀝青混合料的粘彈力學(xué)原理及應(yīng)用[M].北京: 人民交通出版社，2006.

(責(zé)任編輯王利君)

Study of the influence about the high temperature performance of crumb rubber modified asphalt mortars by powder/asphalt ratio

ZHONG Zhi-feng1, GUO Xing-wen1,ZHOU Hao2

(1.College of Mechanics and Materials, Hohai University, Jiangsu Nanjing 211100,China；2.Fujian Research Institute of Communications Science and Technology,Fujian Fuzhou 350002,China)

Abstract：In order to study different powder/asphalt ratios effect on high temperature performances of mortar, this paper chooses limestone as the filler, and powder/asphalt ratio is 0.2, 0.4 ,0.6, 0.8. Mortar high temperature performance evaluation index selects Fail temperature and ZSV through DSR test. The test results show that with the increase of powder/asphalt ratio, Fail temperature and ZSV value of the mortar increase gradually, and the amplitude is larger. High temperature performance of the mortars improves obviously. By using environmental scanning electron microscopy search for those mortars, the results show that crumb rubber modified asphalt mortar of powder is smooth and delicate, the powder is covered uniformity by crumb rubber.

Key words：powder/asphalt ratio; crumb rubber modified asphalt mortar; high temperature performance; limestone powder; Fail temperature；ZSV

中圖分類號(hào)：U41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9469(2016)01-0020-04

doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.01.005

作者簡(jiǎn)介：鐘志鋒(1990-)，男，廣東梅州人，碩士，從事混凝土破損修補(bǔ)材料方面的研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAD10B02)

收稿日期：2015-10-31