熱解炭黑改性瀝青復(fù)合料路用性能測試研究

張夢蕾

（昌吉市華路工程材料試驗檢測有限公司,新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

廢棄輪胎熱解炭黑（PCB）是一種從廢棄輪胎中通過熱解處理得到的碳黑材料，輪胎經(jīng)過高溫?zé)峤夥磻?yīng)，其中一個主要的固體產(chǎn)物就是熱解炭黑，具有很高的碳含量和一定的結(jié)構(gòu)特性，表面覆有碳質(zhì)沉積物，粗糙不平，存在多種酯類基團(tuán)令其更加具有親油性。將廢棄輪胎熱解炭黑作為改性劑摻進(jìn)瀝青，所獲得的炭黑改性瀝青復(fù)合料具有優(yōu)于基質(zhì)瀝青復(fù)合料的高低溫性能和力學(xué)性能。廢棄輪胎熱解炭黑再生用作公路建設(shè)材料，既改善瀝青性能，又可以廢物利用，優(yōu)化改善環(huán)境，符合環(huán)保型、經(jīng)濟(jì)型公路工程建設(shè)理念。某高速公路工程將該技術(shù)應(yīng)用于瀝青路面建設(shè)，為保證工程質(zhì)量，路用前加強(qiáng)了熱解炭黑改性瀝青復(fù)合料的路用性能分析研究。這里介紹的是該研究所進(jìn)行的熱解炭黑改性瀝青復(fù)合料的抗車轍性能和動態(tài)模量的檢測分析成果，希望為改性瀝青復(fù)合料的工程應(yīng)用提供技術(shù)參考，以助力實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)適用的廢棄輪胎熱解炭黑瀝青復(fù)合料應(yīng)用工程。

1 材料簡介

（1）基質(zhì)瀝青。瀝青是將不同粒度的骨料黏合在一起的關(guān)鍵成分，它在瀝青復(fù)合料中起著至關(guān)重要的作用。瀝青對復(fù)合料性能具有非常高的貢獻(xiàn)率，其低溫性能貢獻(xiàn)率甚至可以達(dá)到90.00%，高溫性能貢獻(xiàn)率也達(dá)到40.00%。研究復(fù)合料所用基質(zhì)瀝青為質(zhì)量優(yōu)異的地產(chǎn)A級70#基質(zhì)瀝青，其主要性能參數(shù)檢測結(jié)果如表1 所示[1]。

表1 所用基質(zhì)瀝青的主要性能參數(shù)

（2）廢棄輪胎熱解炭黑。所用廢棄輪胎熱解炭黑為工程所在地區(qū)某環(huán)保科技公司用廢棄輪胎所生產(chǎn)的熱解炭黑，其主要性能參數(shù)檢測結(jié)果如表2 所示。

表2 所用廢棄輪胎熱解炭黑主要性能參數(shù)

（3）集料及礦粉。粗集料采用地方石料廠所生產(chǎn)的粒度5～10 mm 和10～15 mm 的2 種規(guī)格石灰?guī)r，細(xì)集料采用同廠生產(chǎn)的粒度0～5 mm 的石灰?guī)r細(xì)料，該細(xì)集料干燥、無雜質(zhì)、棱角性好、無風(fēng)化，粗細(xì)集料主要性能參數(shù)如表3 所示，礦粉為地區(qū)另一建材廠所生產(chǎn)的礦粉，該礦粉無雜質(zhì)、干燥、無結(jié)塊團(tuán)粒[2]。

表3 粗細(xì)集料主要性能參數(shù)

（4）級配與最佳油石比。以15%摻量的熱解炭黑進(jìn)行瀝青改性，以級配為0～5 mm ∶5～10 mm ∶10～15 mm ∶礦粉=29%∶41%∶26%∶4%，熱解炭黑改性瀝青復(fù)合料最佳油石比4.70%，構(gòu)成熱解炭黑AC-13 改性瀝青復(fù)合料。作為對比的基質(zhì)瀝青復(fù)合料，除最佳油石比采取4.60%以外，級配和改性摻量參數(shù)相同。

2 抗車轍分析

瀝青路面分析儀APA（Asphalt Pavement Analyzer）是一種用于評估瀝青路面性能的多功能測試儀器，由加荷系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、浴水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)組成，它通過模擬車輛在路面行駛時的力學(xué)荷載作用，對瀝青路面在不同溫度條件下的變形行為進(jìn)行測量和分析。APA 主要用于開展動態(tài)剪切測試，以評估瀝青路面材料在實(shí)際交通荷載下的變形性能。在測試中，瀝青路面試件被置于APA 儀器上，并施加周期性的負(fù)荷，模擬車輛經(jīng)過時對路面產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。同時，通過控制溫度來模擬不同的環(huán)境條件，儀器會記錄并分析路面試件的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，從而得出關(guān)于路面材料變形特性和抗剪性能的數(shù)據(jù)。利用APA 進(jìn)行瀝青路面分析可以提供對路面性能的定量評估，包括疲勞壽命、塑性變形、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等方面。這有助于確定合適的瀝青復(fù)合料配方和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高路面的耐久性、承載能力和駕駛舒適度。該設(shè)備采用浴水系統(tǒng)，可確保試模與試件全部一起浸入水中，并采用控溫系統(tǒng)在40～160 ℃范圍控制測試溫度。配備有3 個平行鋼輪，可同時對3 個試件開展平行測試，對避免測試誤差功效明顯。

2.1 測試原理

在APA 車轍測試中，需要先設(shè)置浴水溫度，將試模和試件放在試臺上，然后將浴水槽升起，使試件浴水充分。在測試溫度下到達(dá)所需浴水時間后，鋼輪將以預(yù)調(diào)的壓力在充氣軟管上做往復(fù)運(yùn)動，采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)定時自動采集車轍形變量，并繪制運(yùn)行次數(shù)與車轍的關(guān)系曲線。當(dāng)周期達(dá)到8 000 個時，加荷輪自動收回，測試自動停止。干法測試則是將預(yù)熱至少6～24 h 的試件直接置于試臺，不需要浴水和設(shè)置水溫。

在測試中，鋼輪反復(fù)碾壓充氣橡膠軟管，模擬胎路作用，使得充氣軟管受到壓力不斷發(fā)生變形。當(dāng)鋼輪移至某個區(qū)域時，此處充氣軟管受到的壓力最大，同時表面水也被擠出，形成了動水沖刷移走鋼輪，此處充氣軟管變形恢復(fù)，對試件的壓力便隨之消失或變得最小。周圍水重新流至試件與充氣軟管之間，鋼輪反復(fù)作用，軟管被反復(fù)壓擠和恢復(fù)，構(gòu)成了動水沖刷。雖然在測試中試件內(nèi)部的水沒有流動沖刷，但是在鋼輪載荷影響下，會使試件孔隙中發(fā)生壓力或負(fù)壓，形成孔隙水壓力，最終導(dǎo)致瀝青從骨料表面剝離，造成集料松散等現(xiàn)象。

2.2 測試方案

因為梁式試件的成型相對復(fù)雜，而且難以控制空隙率，所以研究以SGC 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型圓柱體試件。先制作了2 組柱體試件，規(guī)格φ75×150 mm±2 mm，每組3 個，共計12 個，目標(biāo)空隙率4.00%。其中一組為基質(zhì)瀝青試件，記為AB 組，另一組為熱解炭黑改性瀝青試件，記為CD組。為了利于對比分析，對AC 組開展APA 車轍干法測試，BD 組開展APA 浴水車轍測試。根據(jù)ASTM 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，APA 車轍干法測試溫度應(yīng)與該瀝青PG 分級規(guī)定的高溫級別等同，浴水車轍測試溫度應(yīng)比對應(yīng)的PG 級別的高溫低一級別。動態(tài)剪切流變測試得出，15.00%劑量的熱解炭黑改性瀝青其PG 為PG70-22，因此浴水車轍測試溫度取為64 ℃，干法車轍測試溫度取為70 ℃。為了方便比較測試結(jié)果，將浴水和干法車轍測試的溫度均設(shè)為64 ℃，測試輪載荷445 N±22 N，運(yùn)行頻率取60 Hz，加荷周期設(shè)8 000 個，軟管壓力690 kPa±35 kPa。將AC 組試件置入測試箱內(nèi)，在64 ℃溫度條件下預(yù)熱6 h 后開展測試，BD 放入64 ℃浴水槽中浴水2 h。加載周期、運(yùn)行頻率、軟管壓力、輪荷載和溫度等條件與APA 車轍測試相同。

2.3 測試結(jié)果分析

測試數(shù)據(jù)用于評價瀝青復(fù)合料的高溫穩(wěn)定性能，采用APA 浴水車測試來評價其水穩(wěn)性，即通過干濕車轍深度比來衡量。因此，通過車轍深度和干濕車轍比這兩個指標(biāo)來評估熱解炭黑對瀝青復(fù)合料的影響程度，測試結(jié)果如表4 所示。

通常車轍比越大，意味復(fù)合水穩(wěn)性更好；車轍深度越小，意味復(fù)合料抗高溫形變性能越好。干法轍測試結(jié)果顯示，炭黑改性瀝青復(fù)合料具有較好的高溫穩(wěn)定性。此結(jié)果與浴水馬歇爾測試、凍融劈裂測試得出的結(jié)論一致，浴水車轍測試結(jié)果顯示，炭黑改性瀝青AC-13 復(fù)合料的水穩(wěn)性比基質(zhì)瀝青AC-13 復(fù)合料更優(yōu)。此結(jié)果與浴水馬歇爾測試、凍融劈裂測試得出的結(jié)論相反。測試過程中，基質(zhì)瀝青復(fù)合料試件的輪跡帶剝落比炭黑改性瀝青復(fù)合料試件的更明顯，浴水車轍測試更利于模擬現(xiàn)場載荷和環(huán)境條件，所以認(rèn)為熱解炭黑可以增強(qiáng)瀝青復(fù)合料的水穩(wěn)性。

3 動態(tài)模量分析

3.1 溫度選擇

單軸壓縮的動態(tài)模量測試溫度，國外有規(guī)范采取5 ℃、25 ℃、40 ℃，也有國外規(guī)范采取4.4 ℃、21.1 ℃、37.8 ℃、54.4 ℃。基于我國瀝青公路試驗規(guī)程，該次測試采取-10 ℃、5 ℃、20 ℃、35 ℃、50 ℃等5 個溫度級別[3]。

3.2 頻率選擇

車速是影響載荷作用頻率的主要因素之一，因此載荷測試頻率的選擇應(yīng)盡可能涵蓋各種應(yīng)用場景。在長陡坡、收費(fèi)站、城市平交路口等特殊路段，車輛速度相對較低，與0.10 Hz 載荷頻率相當(dāng)；當(dāng)車速30～40 km/h 時，與5.00 Hz 的荷載作用頻率相當(dāng)，我國絕大部分城市道路及二級以下公路的車速多處于此范圍；當(dāng)車速為60～65 km/h時，與10.00 Hz 的荷載作用頻率相當(dāng)；當(dāng)車速高于120 km/h時，與25.00 Hz 的荷載作用頻率相當(dāng)。因此選擇0.10 Hz、0.50 Hz、1.00 Hz、5.00 Hz、10.00 Hz、25.00 Hz 作為該次測試的荷載頻率，可以涵蓋應(yīng)用場景的行車速度。

3.3 測試結(jié)果與分析

根據(jù)JTGE20—2011 公路瀝青復(fù)合料測試規(guī)程中的T0738 方法，分別制備AC-13 基質(zhì)瀝青AC-13 熱解炭黑改性瀝青復(fù)合料試件，并開展SPT 單軸壓縮動態(tài)模量測試。在不同的測試條件下進(jìn)行了3 次平行測試，通過數(shù)據(jù)處理確定有效數(shù)值，采用t 分布法，按95%的保證率，整理計算動態(tài)模量代表值。國家標(biāo)準(zhǔn)70 號基質(zhì)瀝青復(fù)合料在10 Hz、20 ℃的條件下的動態(tài)模量為0～12 000 MPa，改性瀝青同條件下的動態(tài)模量為0～12 500 MPa。該次測出熱解炭黑改性瀝青和70 號基質(zhì)瀝青的動態(tài)模量分別為10 932.20 MPa 和9 056.20 MPa，而均在規(guī)定范圍內(nèi)，測試結(jié)果如表5 所示。

表5 瀝青復(fù)合料動態(tài)模量檢測結(jié)果

4 結(jié)語

該文介紹了某公路工程應(yīng)用的熱解炭黑改性瀝青復(fù)合料技術(shù)。

（1）介紹了該改性瀝青復(fù)合料構(gòu)成。以15%摻量的熱解炭黑進(jìn)行瀝青改性，以級配為0～5 mm ∶5～10 mm ∶10～15 mm ∶礦粉=29%∶41%∶26%∶4%，熱解炭黑改性瀝青復(fù)合料最佳油石比4.70%，構(gòu)成熱解炭黑AC-13改性瀝青復(fù)合料。

（2）介紹該炭黑改性瀝青復(fù)合料的抗車轍分析測試分析結(jié)果。干法車轍檢測顯示，熱解炭黑可以增強(qiáng)瀝青復(fù)合料的水穩(wěn)性；浴水車轍測試結(jié)果顯示，炭黑改性瀝青AC-13 復(fù)合料的水穩(wěn)性比基質(zhì)瀝青AC-13 復(fù)合料更優(yōu)。

（3）介紹了動態(tài)模量分析結(jié)果。炭黑AC-13 的抗高溫性能和抗低溫性能均強(qiáng)于AC-13（基質(zhì)瀝青）；在測試頻率0.10～25.00 Hz 范圍內(nèi)，熱解炭黑對復(fù)合料性能的改善作用十分顯著。在0.10～1.00 Hz 內(nèi)低頻范圍內(nèi)，炭黑AC-13 動態(tài)模量增長速度明顯高于基質(zhì)AC-13，表明在低頻條件下，炭黑改性瀝青復(fù)合料能夠更好地承受低荷載頻率的作用。