預處理膠粉改性瀝青性能影響研究

李 洋,賀晶晶,包想軍,陳書軍,陳雙蠻,郝如升

(1. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;2. 中國水利水電第三工程局有限公司,西安 710024)

0 前 言

水工瀝青混凝土目前使用的瀝青多為國產70號或90號基質瀝青,低溫脆高溫淌的特性顯著,不能滿足黏度高、耐老化、溫度敏感性低的要求[1-2],因此需要對瀝青進行改性。而道路工程多使用聚合物改性劑調整瀝青性能,比如SBS、膠粉等高聚物彈性體[3-4]。研究表明[5-7],對比基質瀝青,膠粉改性瀝青高低溫性能和水穩定性均大幅提高。此外,王國清等人[8]對大摻量膠粉改性瀝青進行疲勞性能研究,膠粉(AR)摻量為30%～50%,經過瀝青加速老化試驗后,疲勞性能排序為:AR40>AR30>AR50>SBS>70號基質瀝青。脫硫處理后的膠粉,對瀝青的全項性能尤其是儲存穩定性有利。董大偉[9]發現脫硫膠粉制備的改性瀝青綜合性能進一步大幅提升。李純等人[10]采用力化學制備脫硫膠粉并制備改性瀝青,結果表明力化學脫硫膠粉改性瀝青的高低溫性能、彈性和儲存穩定性增強。王朝輝等人[11]為解決穩定性差的問題,制備了SBS/膠粉復合改性新疆瀝青,評價了不同光熱和凍融條件下的耐久性能,結果表明,SBS/CR-S瀝青和SBS/CR-N瀝青具有良好的儲存穩定性、高低溫性能和耐久性。

在大陸性季風氣候條件下,抽水蓄能電站工程面臨低溫施工困境[12],并且瀝青混凝土面板及心墻需承受復雜水力條件和水壓力沖擊[13]。因此,低溫下瀝青混凝土抗裂性能尤為重要。閆景晨等人[14-15]通過小梁彎曲實驗及數字圖像相關技術探究了玄武巖纖維復合布敦巖瀝青改性瀝青混凝土在寒冷地區的適用性,結果表明,該混凝土凍斷溫度及轉化點溫度低,裂縫寬度小,開裂關鍵節點延緩,低溫抗裂性能優異。姜鑫龍等人[16]基于半圓彎曲試驗研究了5種抗裂性能指標的適用性,結果表明:J積分能夠更好地區分具有不同特征的瀝青混凝土。李小斌[17]采用抗裂性能優良的新型SBS/橡膠復合改性瀝青與RAP料拌合發現,復合改性瀝青再生瀝青混合料可延伸路面的服役溫度范圍6℃。付軍等人[18]采用基于二維細觀有限元模型和基于非接觸式光學的劈裂實驗方法,分析裂紋產生過程的應變狀態,結果表明瀝青混凝土的破壞通常始于粘結料。目前,膠粉改性瀝青相關研究均以道路工程的性能指標為基準,與水利水電工程施工與應用環境適配度不高。已有的低溫抗裂性能研究主要對象是瀝青混凝土,膠粉改性瀝青的相關研究較少,而瀝青性質對混凝土低溫性能至關重要。

基于此,本文選擇糠醛抽出油以及微波輻射方法進行膠粉預處理,制備膠粉改性瀝青,旨在分析糠醛抽出油摻量及微波輻射功率對膠粉改性瀝青性能的影響以及膠粉改性瀝青的低溫抗裂性能,通過針入度試驗、軟化點試驗分別表征糠醛抽出油對膠粉改性瀝青中溫、高溫性能的影響,通過延度試驗和低溫彎曲蠕變試驗分析低溫抗裂性能,并采用布氏黏度試驗、離析軟化點差試驗檢驗其工作性能,為膠粉改性瀝青混凝土施工提供技術支持。

1 原材料及方法

1.1 試驗原材料

(1) 研究選用的基質瀝青為70號石油瀝青,其主要技術性質見表1。

表1 基質瀝青主要技術性質

(2) 本文選用30目廢舊輪胎膠粉,其主要技術性質見表2。

表2 廢舊輪胎膠粉主要技術性質

(3) 糠醛抽出油為草綠色,耐高溫、高黏、低揮發、低蠟含量。是潤滑油生產過程中使用溶劑提取法得到的芳烴副產品,可作為石油系橡膠油、調和瀝青組分、改性瀝青相容劑,其主要技術性質見表3。

表3 糠醛抽出油主要技術性質

(4) 粗集料和細集料為玄武巖軋制而成,填料為石灰巖磨細礦粉,其物理指標分別見表4、5和表6。

表4 粗集料物理指標

表5 細集料物理指標

表6 礦粉物理指標

1.2 試驗方法

本文根據DL/T 5362-2018《水工瀝青混凝土試驗規程》進行瀝青針入度、軟化點、延度實驗,分別表征膠粉改性瀝青的中溫性能、高溫性能、低溫性能。參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混凝土試驗規程》進行布氏黏度試驗、離析軟化點差試驗及彎曲蠕變勁度試驗,表征低溫抗裂性能以及工作性。

2 膠粉改性瀝青制備

2.1 預處理膠粉制備

本文對膠粉進行糠醛抽出油-微波復合預處理,以改善膠粉與瀝青相容性,緩解施工過程中的離析問題。具體操作過程如下:將糠醛抽出油按照一定比例摻配到膠粉中,攪拌均勻放置在55～60℃的烘箱中保溫,期間需多次攪拌;保溫3 h后,取出膠粉置于瓷碗中,進行微波輻射;預處理后的膠粉溫度約為50～80℃,將膠粉取出晾涼后備用。

2.2 預處理膠粉改性瀝青制備

預處理膠粉改性瀝青的制備過程如下:① 將桶裝基質瀝青置于150℃烘箱中軟化至流動,分裝到缸子中;② 使用恒溫加熱臺將瀝青加熱至160℃左右,分次加入預處理膠粉,質量為瀝青質量的18%,繼續升溫至175～190℃,轉子速度為1 000 rad/min,攪拌時間1 h;③ 放入165℃烘箱中發育0.5 h,得到預處理膠粉改性瀝青,用于后續試驗。

預處理膠粉改性瀝青工藝參數及試驗方案見表7。

表7 預處理膠粉改性瀝青工藝參數及試驗方案

3 試驗結果及分析

3.1 針入度試驗

針入度是表征中溫下(25℃)瀝青的稠度,針入度越大,代表稠度越小。糠醛抽出油對膠粉改性瀝青針入度的影響如圖1所示。

圖1 膠粉改性瀝青針入度

圖1表明,隨糠醛抽出油摻量增加,CA瀝青的針入度逐漸增大。這是因為,糠醛抽出油預溶脹膠粉,減少了膠粉對瀝青輕質組分的直接吸收,避免了因瀝青中大量輕質組分流失導致的稠度過高,因此,糠醛抽出油預溶脹處理增大了膠粉改性瀝青的針入度。糠醛抽出油摻量不超過3%時,針入度增大的幅度較大,大于3%時,針入度增加幅度較平緩。另外,糠醛抽出油摻量相同時,微波功率增大,針入度也會增大。這是因為微波破壞了膠粉的交聯網狀結構,膠粉與瀝青互溶的過程中,膠粉更易分散。同時,從試驗結果發現,調整不同的微波功率和糠醛抽出油摻量,預處理膠粉改性瀝青可以達到相同的針入度,該現象表明,微波功率和糠醛抽出油摻量對膠粉改性瀝青針入度的影響具有可替代性。

3.2 軟化點試驗

軟化點一定程度上可以表征瀝青的高溫穩定性,軟化點越高,代表瀝青在高溫環境下越穩定。糠醛抽出油對膠粉改性瀝青軟化點的影響如圖2所示。

圖2 膠粉改性瀝青軟化點

圖2表明,隨糠醛抽出油摻量增加,CA瀝青的軟化點逐漸減小。這是因為,糠醛抽出油預溶脹作用使膠粉表面蓬松,與瀝青混溶程度增加,導致膠粉改性瀝青變軟。值得注意的是,糠醛油摻量增大的過程中,微波功率對改性瀝青軟化點的影響變小。

3.3 延度試驗

延度表示瀝青在-5℃水浴下受到拉力時抵抗斷裂的能力,與瀝青內聚力大小相關。糠醛抽出油對膠粉改性瀝青延度的影響如圖3所示。

圖3 膠粉改性瀝青延度

圖3表明,隨糠醛抽出油摻量增加,CA瀝青的延度逐漸增大。這是因為經糠醛抽出油預溶脹的膠粉,與瀝青相容性更好,形成了膠粉改性瀝青的勻質混合物;糠醛抽出油含量越多,混合程度越均勻,膠粉核心周圍過渡區薄弱面越少。糠醛抽出油摻量一定時,隨微波功率增大,CA瀝青延度逐漸增大。這是因為微波能定向斷裂膠粉中的雙硫鍵和碳硫鍵,剛性的大分子鏈斷裂成小分子鏈,使膠粉在瀝青中更容易分散均勻。

3.4 布氏黏度試驗

黏度表征瀝青抵抗剪切變形的能力。糠醛抽出油對膠粉改性瀝青180℃布氏黏度的影響如圖4所示。

圖4 膠粉改性瀝青布氏黏度

圖4表明,隨糠醛抽出油摻量增加,CA瀝青的布氏黏度平穩降低。這是因為,糠醛抽出油補充了膠粉改性瀝青中的輕質組分,可以起到降低黏度的作用。糠醛抽出油摻量不變時,微波功率對CA瀝青的黏度影響顯著。糠醛油摻量在0～3%時,微波功率600～1 000W,CA瀝青黏度出現了大幅度降低。在1 000 W時,黏度最低,1 200 W對應的黏度略有上升,這是因為微波破壞了膠粉的交聯網狀結構,微波功率越大,膠粉顆粒更小,進而黏度降低在1 200 W時,黏度略微上升是因為細小的膠粉顆粒出現團聚現象;當糠醛油摻量為4%時,黏度并未出現最低點,這是因為糠醛抽出油弱化了微波輻射對膠粉的影響。

3.5 離析軟化點試驗

離析試驗通常用來表征改性瀝青的儲存穩定性,離析軟化點差越小,膠粉改性瀝青儲存穩定性越好,在存儲運輸過程中均勻性越好。糠醛抽出油對膠粉改性瀝青離析軟化點差的影響如圖5所示。

圖5 膠粉改性瀝青離析軟化點差

圖5表明,隨糠醛抽出油摻量增加,CA瀝青的離析軟化點差先減小后增大。這是因為糠醛抽出油預溶脹膠粉改善了膠粉與瀝青相容性,使膠粉改性瀝青儲存穩定性提高。當劑量過大時,糠醛抽出油不能完全被膠粉吸收,導致膠粉改性瀝青中自由的輕質組分含量增加,聚集到鋁管上層;當糠醛抽出油摻量在0～3%時,CA瀝青離析軟化點差下降較快;當摻量大于3%時,軟化點差略微增大;當糠醛抽出油摻量不變時,隨微波功率增大,CA瀝青離析軟化點差先減小后增大;當糠醛油3%,微波功率1 000 W時,CA瀝青的離析軟化點差最低,為2.5℃,這表明適當的糠醛抽出油以及微波輻射功率對改善膠粉改性瀝青離析有積極作用。

3.6 低溫彎曲蠕變試驗

低溫彎曲蠕變試驗是評價瀝青低溫抗裂性能常用的室內試驗方法,基于以上瀝青基本技術性質試驗,糠醛抽出油為0時,CA-1000W瀝青的延度最大,黏度和離析軟化點差最低,3%糠醛抽出油的CA瀝青離析軟化點差最好,因此本節選擇CA-3%瀝青和CA-0%-1000W瀝青(對照組),采用彎曲梁流變儀進行了3個溫度下的低溫彎曲蠕變試驗,得到蠕變速率m和蠕變勁度S兩個低溫指標,m值越大,瀝青應力松弛性能更好,抗裂性能越好;S值越小,瀝青低溫變形能力越好。膠粉改性瀝青低溫彎曲蠕變試驗結果如圖6所示。

圖6 膠粉改性瀝青低溫彎曲蠕變試驗結果

圖6(a)展示微波功率對蠕變速率m的影響規律。隨微波功率增大,CA瀝青蠕變速率先增大后減小。減小的原因是,膠粉經1 200 W輻射功率處理后,顆粒減小反而容易團聚成大顆粒,薄弱面增大,低溫下容易破壞。微波功率一定時,蠕變速率隨溫度降低而降低,溫度越低,m降低程度更大。這是因為,低溫導致瀝青硬脆,進而變形能力降低。對比兩種瀝青,CA瀝青蠕變速率較大,表明糠醛抽出油可提高瀝青低溫抗裂性能。

圖6(b)描述了微波功率對彎曲勁度模量S的影響規律。同一溫度下,勁度模量隨微波功率增大先減小后增大,其最小值出現在1 000 W處。這表明,在低溫下,CA-1000 W瀝青抗變形能力最好。試驗溫度為-12℃時,不同微波功率對應的勁度模量相差較小,溫度越低,微波功率對勁度模量的影響越顯著。隨溫度減小,CA勁度模量值迅速增加,并且-24～-18℃的勁度模量增長較多,大約是-18～-12℃勁度模量增長量的兩倍,這說明溫度越低其抗裂性能降低越快。對比A瀝青,CA瀝青勁度模量更低,蠕變速率更大,表明糠醛抽出油的加入改善了應力松弛,提高了抗變形能力。

4 結 論

本文對膠粉進行糠醛抽出油與微波復合預處理,制備了膠粉改性瀝青,分析了預處理方式對膠粉改性瀝青中溫、高溫、低溫性能以及工作性,主要結論如下:

(1) 糠醛抽出油-微波復合處理膠粉改性瀝青軟化點均大于55℃,黏度均大于1.5 Pa·s,且低溫下勁度模量均小于300 MPa,表明該瀝青具有黏度高、溫度敏感性低特性,適用于抽水蓄能電站工程。

(2) 糠醛抽出油摻量對工作性能及低溫抗變形能力有利,對膠粉改性瀝青高溫性能不利,但軟化點均大于55℃,表明其高溫性能仍滿足性能要求。

(3) 考慮工作性和低溫抗裂性能,推薦膠粉改性瀝青的最佳糠醛抽出油摻量為3%,最佳微波功率為1 000 W。