彩色瀝青混合料的設計及路用性能的影響因素

孔令云, 李春萍, 顧 韜

(1.重慶交通大學， 交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室， 重慶 400074； 2.重慶交通大學材料科學與工程學院, 重慶 400074； 3.重慶通力高速公路養護工程有限公司, 重慶 400074)

隨著中國道路建設的不斷發展和完善,彩色路面逐漸進入人們的視野,因其發揮的獨特作用而得到了人們的大力推廣[1-3]。彩色瀝青,又稱彩色膠結料,是彩色路面的重要組成成分之一。目前,彩色瀝青多為人工合成物質,多以石油化工產品為基礎,摻加一定量的改性物質,合成出一種能夠與道路石油瀝青性質相似的一種材料[4-5],因此彩色瀝青的原材料組成及摻配比例各家略有不同。唐儀興等[6]通過馬歇爾試驗、多輪車轍儀(rotary loaded wheel tester,CPN)和紫外線輻射室內模擬等方法,研究了彩色瀝青混合料的常規路用性能指標。唐新德等[7]利用鈦酸酯偶聯劑對彩色膠結料進行改性,提高了彩色膠結料與集料的粘附性及混合料的路用性能。趙亮等[8]通過采用SBS(styrene-buta-diene-styrene)和EVA(ethyl vinyl acetate)復合改性了C9樹脂和芳烴油,得到了性能良好的淺色瀝青膠結料。周月明[9]通過對三種目前中國主要的彩色路面公交專用道的性能進行對比分析,提出了雙組分彩色陶瓷顆粒公交專用道彩色路面的相關技術要求和方法。趙小彥[10]通過添加SBS對彩色瀝青進行性能提高,制備了3種顏色的彩色瀝青,并對改性后的混合料路用性能進行了研究。徐鵬等[11]基于測力延度試驗方法對車彩色瀝青的低溫流變性進行了研究分析。王永清等[12]基于凝膠滲透色譜法,對比分析了基質瀝青與彩色瀝青的相對分析質量及分布特性、相變溫度、熱失重溫度等關系。

由前人研究成果可知,目前關于彩色膠結料、路用性能方面的標準尚未有統一的規范,依舊沿用道路瀝青的標準進行要求,可以看出當前彩色膠結料和彩色混合料方面的研究工作較為豐富,而關于顏料與膠結料性能對于彩色瀝青混合料的性能影響方面研究較少。考慮到重慶地區高溫顯著,通過四組分原材料:基礎油A、樹脂B、改性劑C、脫色劑D,通過大量試錯性實驗及正交試驗,確定出四種原材料的組分配比為40∶35∶3.5∶5,通過變化改性劑的型號(100號、105號、110號、115號),加入4種不同顏色的無機顏料:氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鉻綠和氧化鐵藍,制備出4種彩色膠結料Cb-a、Cb-b、Cb-c和Cb-d,結合礦料篩分試驗結果,確定混合料類型為AC-13,采用規劃求解的方法,對混合料進行配合比設計,制備出4種彩色瀝青混合料,并對其路用性能進行了研究。

1 彩色膠結料制備機理

一般來說,高分子共聚物的制備方法包括互穿聚合物網絡法、機械共混法及共聚-共混法[13]等。彩色瀝青的制備通常是采用機械共混法,通過選擇熔融溫度相接近、彈性模量相接近的高聚物,通過高速剪切機的強剪切力,使一部分高聚物降解成一定數量的接枝聚合物或者嵌段聚合物,從而使得不同的聚合物基團直接相容。目前在彩色膠結料制備方面,普遍是采用樹脂加基礎油共混體系,通過加入不同的改性劑、不同粒徑顏料提高彩色膠結料的綜合性能,通過設備強力剪切,形成顏料-基礎油-改性劑三者穩定體系,從而制得高分子聚合物:彩色膠結料。熒光顯微鏡下通過機械共混法混合均勻的彩色膠結料如圖1所示。

2 試驗材料

2.1 原材料

2.1.1 彩色膠結料

采用彩色膠結料為自制,原材料中,基礎油A是一種芳烴油,起著飽和分和芳香分的作用,樹脂B可以增加膠結料的黏性,起著膠質的作用,改性劑C是一種蠟,起著改善膠結料的高、低溫性能的作用,脫色劑D起著改善膠結料顏色的作用,這4種物質的性能指標如表1～表4所示。4種無機顏料分別是氧化鐵紅、氧化鐵黃、氧化鉻綠和氧化鐵藍,其平均粒徑分別為1.07、1.52、0.81、1.21 μm,彩色膠結料原材料如圖2所示。

2.1.2 集料

選用玄武巖骨料,骨料規格為碎石,參考《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)[14]、《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[15]測定集料各項指標,粗細集料基本性能指標符合規范要求。

圖1 熒光顯微鏡下的彩色膠結料體系Fig.1 Color binder system under fluorescence microscope

表1 基礎油A的性能指標

表2 樹脂B的性能指標

表3 改性劑C的技術指標

表4 脫色劑D的性能指標

圖2 彩色膠結料原材料圖Fig.2 Raw material drawing of color cementing material

2.1.3 填料

填料由礦粉和無機顏料構成。礦粉的主要成分是CaCO3和Ca(OH)2,加入混合料后,它們顯現堿性,可以中和彩色膠結料和玄武巖中的酸性組分,從而增加膠結料對集料的黏附性；4種無機顏料試驗前進行加熱處理,以防止水分存在。

2.2 彩色膠結料的制備

將烘箱、油浴鍋溫度設置在170 ℃,預熱10～15 min；按預定比例,稱取原材料裝于容器中,均勻攪拌。攪拌均勻后將容器置于烘箱中,加熱使之呈流動狀；然后將容器置于油浴鍋中,設置鍋內溫度170 ℃,開啟高速剪切機進行高速剪切,時間為30～60 min,使各成分充分融合反應,直至剪切成流動液體狀,即制備出彩色膠結料。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試規程》(JTG E20—2011)[16]的相關試驗方法及《彩色瀝青結合料》(JT/T 1128—2017)[17]的指標要求,對制備的4種彩色膠結料進行針入度、延度、軟化點、黏度等常規性能試驗,試驗結果如表5所示。

3 彩色瀝青混合料配合比設計

3.1 礦料級配的確定

結合礦料篩分試驗結果,確定混合料類型為AC-13,采用規劃求解的方法,擬定級配Ⅰ、級配Ⅱ,以油石比為5%為基礎,發現在空隙率方面,級配Ⅱ<級配Ⅰ,且在規范要求外,故選用級配I進行后續試驗,集料級配曲線如圖3所示。

圖3 級配曲線Fig.3 Grading curve

3.2 最佳膠結料用量的確定

由于4種膠結料中,采用的改性劑C軟化點不同,所以每種膠結料都應確定其最佳膠結料用量。以彩色瀝青混合料-A(colored asphalt mixture-A，CAM-A)彩色瀝青混合料為例,以0.3%為間隔,分別采用4.6%、4.9%、5.2%、5.5%、5.8%這5種油石比成型馬歇爾試件,試驗結果如表6所示,混合料體積參數如圖4所示,通過獲取密度最大值(a1)、穩定度最大值(a2)、空隙率中值(a3)、飽和度中值(a4),求得OAC1=5.51,OAC2=5.11[最佳瀝青用量(optimum asphalt content,OAC)],CAM-A的最佳油石比為5.31%,同理對CAM-B、CAM-C、CAM-D3種混合料采用同樣的方式,確定出4種彩色瀝青混合料的最佳油石比,其具體體積參數和馬歇爾指標如表7所示。

3.3 最佳顏料用量的確定

表5 彩色膠結料性能指標

表6 CAM-A彩色瀝青混合料試驗結果匯總表

圖4 油石比與馬歇爾試驗指標的關系曲線Fig.4 Relation curve between bitumen aggregate ratio and Marshall test index

表7 最佳油石比下,各試件的馬歇爾指標

以料粉比(顏料與礦粉的比例)指標進行顏料用量控制,以CAM-D彩色瀝青混合料為例,在最佳油石比5.27%下,探究不同顏料、不同料粉比與馬歇爾試驗結果間的關系,部分馬歇爾試件如圖5所示,試驗結果如圖6所示。考慮到流值和穩定度,決定采用25%為最佳料粉比進行后續研究。

圖5 4種馬歇爾試件Fig.5 Four Marshall test pieces

圖6 不同料粉比下彩色瀝青穩定度和流值Fig.6 Stability and flow value of colored asphalt under different material powder ratio

4 彩色瀝青混合料路用性能

4.1 高溫性能

圖7 彩色瀝青混合料動穩定度試驗結果Fig.7 Dynamic stability test results of colored asphalt mixture

4種彩色瀝青混合料CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D在最佳油石比條件下,料粉比為25%,進行車轍試驗,其動穩定度結果如圖7所示,結果均大于2 400次/min,符合技術要求。同時從圖7可以看出，CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D彩色瀝青混合料在不同顏料下均呈現一種相同的規律:①從膠結料性能來看,軟化點依次為Cb-D>Cb-C>Cb-B>Cb-A,Cb-D膠結料加入了軟化點較高的樹脂,從而使得聚合物的分子鏈及長鏈段發生交聯、擴散效果,提高了彩色瀝青膠結料從玻璃態轉變溫度及黏流態轉變溫度,從而使得軟化點越高的膠結料,混合料動穩定度越高；②顏料平均粒徑依次為:黃色顏料>藍色顏料>紅色顏料>綠色顏料,而動穩定度數據,黃色混合料>藍色混合料>紅色混合料>綠色顏料混合料相對應,顏料粒徑較大的,其具有的表面自由能相對較小,因此綠色顏料可能在制備過程中相對其他顏料存在聚團和分散不均勻現象,從而使得混合料高溫性能弱于其他幾種顏色的混合料。因此在研究條件下發現顏料平均粒徑越大,混合料動穩定度越高；③除綠色混合料極少數數據與無色混合料無明顯差異,從圖7可以看出,顏料的加入,能與膠結料具有良好的相容性,改善其高溫性能,能夠提高彩色瀝青混合料的動穩定度。

4.2 低溫性能

圖8 彩色瀝青混合料抗彎拉強度試驗結果Fig.8 Test results of flexural tensilestrength of colored asphalt mixture

圖9 彩色瀝青混合料最大彎拉應變試驗結果Fig.9 Test results of maximum bending tensile strain of colored asphalt mixture

圖10 色瀝青混合料彎曲勁度模量試驗結果Fig.10 Bending stiffness modulus test results of colored asphalt mixture

CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D在最佳油石比條件下,料粉比為25%,進行彎曲蠕變試驗,其彎拉強度、最大彎拉應變、彎曲勁度模量結果如圖8～圖10所示,其中最大彎拉應變均大于2 000 με,滿足技術要求。最大彎拉應變大、勁度模量小,則彩色瀝青混合料的低溫性能就更好。從圖8～圖10可以看出CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D彩色瀝青混合料在不同顏料下均呈現一種相同的規律:①從膠結料本身性能來看,5 ℃延度依次為:Cb-C>Cb-D>Cb-A>Cb-B,而抗彎拉強度、最大彎拉應變依次為:CAM-C>CAM-D>CAM-A>CAM-B，因此5 ℃延度越高的膠結料,其在低溫條件下抵抗變形能力就越強,混合料抗彎拉強度、最大彎拉應變越高；②在顏料粒徑方面:顏料平均粒徑越小,混合料抗彎拉強度、最大彎拉應變越高；③氧化鐵系列顏料對混合料的抗彎拉強度、最大彎拉應變有一定的降低作用。

4.3 水穩定性

圖11 彩色瀝青混合料殘留穩定度試驗結果Fig.11 Residual stability test results of colored asphalt mixture

圖12 彩色瀝青混合料劈裂強度比試驗結果Fig.12 Test results of splitting strength ratio of colored asphalt mixture

4種彩色瀝青混合料CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D在最佳油石比條件下,料粉比為25%,進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗,其試驗結果如圖11、圖12所示。4種顏色和無色彩色瀝青混合料浸水馬歇爾試驗的殘留穩定度均滿足設計要求(不小于80%),凍融劈裂試驗的凍融劈裂強度比滿足最低設計要求(不小于75%)。

彩色混合料在不同顏料下呈現共同規律:①軟化點、135 ℃旋轉黏度越高的膠結料,樹脂發生增黏效果就越明顯,混合料殘留穩定度、劈裂強度比越高；②氧化鐵系列平均粒徑與混合料的殘留穩定度、劈裂強度比成正比；③相比有色混合料,無色混合料的殘留穩定度、劈裂強度比最低,因此顏料的添加能提高混合料的殘留穩定度、劈裂強度比。

5 結論

基于4組分的原材料,通過變化改性劑C的軟化點,制備出4種不同型號的彩色膠結料；基于料粉比的概念,控制最佳顏料的用量；通過對不同顏料下的4種彩色瀝青混合料進行路用性能對比試驗,得出如下結論。

(1)顏料的加入能夠有效提高混合料的高溫穩定性、水穩定性。

(2)在提高混合料高溫穩定性方面,可以選用軟化點更好的膠結料,平均粒徑更大的顏料來制備混合料；在提高混合料低溫性能方面,選用5 ℃延度更好的膠結料,平均粒徑更小的顏料效果較好；在提高混合料水穩定性方面,可以選用軟化點更高、135 ℃旋轉黏度更高的膠結料,同系列顏料采用平均粒徑更大的顏料來制備混合料。

(3)氧化鐵系列顏料對混合料的抗彎拉強度、最大彎拉應變有一定的降低作用。