温拌橡胶沥青混合料施工和易性研究

文章编号:１００１Ｇ９７３１(２０１５)２０Ｇ２０１０２Ｇ０６温拌橡胶沥青混合料施工和易性研究∗何　亮１,２,３,何兆益３,凌天清３,马　涛４,黄晓明４(１．长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室,西安７１００６４;２．长沙理工大学道路结构与材料交通行业重点实验室,长沙４１０００４;３．重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室,重庆４０００７４;４．东南大学交通学院,南京２１００９６)摘　要:　为了研究温拌橡胶沥青混合料施工和易性,首先根据不同温拌技术机理选择３种典型温拌剂制作了温拌橡胶沥青,并通过技术指标测试确定了该橡胶沥青的温拌剂掺量,然后通过温拌沥青胶浆粘温关系实验以及不同出料温度下混合料旋转压实特性实验研究了温拌橡胶沥青混合料的施工和易性.结果表明,表面活性温拌剂对橡胶沥青技术指标没有明显影响,有机降粘温拌剂对橡胶沥青各项性能指标有明显影响,推荐该橡胶沥青的Sasobit掺量为２％、EvothermM１为０．６％与EvothermDAT为１１．１％;温拌橡胶沥青胶浆实验可作为判别表面活性温拌剂温拌效果的一种方法,温拌剂不仅可以改善较低出料温度旋转压实试件的体积参数,还可提高橡胶沥青裹腹率,３种温拌剂都能降低橡胶沥青混合料施工温度２０℃以上.关键词:　道路工程;温拌技术;橡胶沥青;粘温关系;旋转压实中图分类号:　U４１６．２１７文献标识码:ADOI:１０．３９６９/j．issn．１００１Ｇ９７３１．２０１５．２０．０２２１　引　言橡胶沥青路面优良的高温稳定性、低温抗裂性能、抗老化性能、抗疲劳性能以及其环保再生等特点一直受到道路工程师们的高度关注,但是其施工阶段的粘度高、温度高等特点可能带来橡胶沥青与矿料不易充分裹覆、压实度不足孔隙率偏大等问题,制约着橡胶沥青路面修筑技术的发展[１Ｇ５].将温拌技术应用于橡胶沥青路面,不仅能降低其混合料施工温度,还同时保持橡胶沥青混合料优良的路用性能,将会极大地推广橡胶沥青技术在我国高速公路的应用,促成路面延寿与环保再生的共赢局面.温拌橡胶沥青混合料是一种新兴的技术,目前国内外一些研究者率先开展了实验性的探索,Chandra、Xiao最早对温拌橡胶改性沥青展开了研究,但其胶粉掺量均为１０％的低掺量橡胶改性沥青[６Ｇ７];商淑杰与Liu均研究的是单一品种温拌剂的温拌橡胶沥青[８Ｇ９],Wang较为深入地研究了温拌橡胶沥青的高温粘度与储存稳定性[１０],Cao研究了两种低熔点有机添加剂温拌橡胶沥青混合料的压实温度[１１].总的来说,温拌橡胶沥青相关的理论、实验及应用技术尚不完善,因此在铺筑温拌橡胶沥青路面之前,有必要首先对有代表性的温拌剂开展温拌橡胶沥青混合料施工和易性的深入研究.本文对国际上使用较为广泛的３类代表性温拌剂制作了温拌橡胶沥青,从多因素出发得出了不同温拌剂对橡胶沥青混合料施工和易性的改善程度,为温拌橡胶沥青路面技术的推广提供参考依据.２　不同温拌技术的机理分析温拌沥青混合料主要通过一定的技术措施使得沥青能够在相对较低的温度下很好地裹覆在集料上,使沥青混合料能在相对较低的温度下进行拌和及施工,同时保证混合料依然具有良好的路用性能.从沥青的粘结和润滑作用出发,目前的温拌技术可以大致分成３类.２．１　低熔点添加剂降粘技术低熔点有机添加剂加入沥青或者混合料中,可改变沥青的粘温曲线,降低混合料拌和与压实温度,其中以Sasobit为代表.Sasobit是一种新型聚烯烃类石油沥青改性剂,其滴熔点为１１５℃,在温度低于熔点时,在沥青中形成网状的晶格结构,增大了沥青的粘度,这有利于增强沥青的稳定性;在温度高于熔点时,Sasobit以液体的形式存在于沥青中,极大地降低了沥青的粘度[１２].２．２　界面润滑技术界面润滑温拌技术是应用表面活性剂改变集料与沥青界面体系润湿性质降低混合料拌和与压实温度的主要手段,其中以EvothermM１为代表[１３].EvothermM１表面活性剂的两亲分子吸附于固体表面,形成定向排列的吸附层,降低界面自由能,从而有效地改变固体表面的润湿性质,如图１所示.２０１０２２０１５年第２０期(４６)卷∗基金项目:国家自然科学基金资助项目(５１３０８５７２);中国博士后基金面上资助项目(２０１４M５６２３６１);道路结构与材料交通行业重点实验室(长沙)开放基金资助项目(kfj１４０３０３);交通土建工程材料国家地方联合工程实验室开放基金资助项目(LHSYSＧ２０１４Ｇ０１０)收到初稿日期:２０１４Ｇ１０Ｇ２０收到修改稿日期:２０１５Ｇ０５Ｇ２８通讯作者:何　亮,EＧmail:[e-mail]作者简介:何　亮　(１９８３－),男,重庆人,副教授,博士后,硕士生导师,主要从事沥青路面材料与养护技术研究.图１　表面活性剂温拌橡胶沥青混合料固Ｇ液界面Fig１SolidＧliquidinterfaceofasphaltＧrubbermixＧturewithsurfactantwarmmixadditives２．３　沥青发泡降粘技术在混合料拌和时通过载体或者直接引入的水分,与热熔状的沥青接触产生大量蒸气,造成沥青体积膨胀形成泡沫沥青,沥青的和易性增加使其可以在较低的温度下充分包裹集料[１４].表面活性剂水溶液EvothermDAT中除了表面活性剂外还含有大量水分,将EvothermDAT水溶液倒在沥青液面上,同时又和集料一起拌和,在高温和水分的作用下沥青就会产生泡沫,沥青的暂时粘度会降低,这将更有利于沥青混合料的低温施工.３　实验概况３．１　实验材料基质沥青:７０号A级道路石油沥青.废旧橡胶粉:常温研磨法生产废胎胶粉,４０目.温拌剂:SasoＧbit、EvothermM１、EvothermDAT.集料:玄武岩集料.３．２　橡胶沥青制备与主要技术指标橡胶沥青制备采用湿法工艺,将基质沥青加热到１８０℃,加入２０％的普通橡胶粉(内掺),采用高速剪切机进行搅拌,速度为１０００r/min,反应时间为６０min.制得橡胶沥青(AR).橡胶沥青基本技术指标测试结果如表１所示,均符合交通部公路科学研究院«橡胶沥青及混合料设计施工技术指南»[１５]中橡胶沥青技术要求.表１　橡胶沥青技术指标测试结果Table１TechnicalindexstestresultofasphaltＧrubber实验参数AR技术要求针入度(２５℃)/０．１mm４０．３３０~７０软化点/℃７６＞６５弹性恢复(２５℃)/％８４＞６０粘度(１８０℃)/Pa􀅰s２．７２．５~５．０３．３　实验方案３．３．１　不同温拌剂对橡胶沥青技术指标的影响实验首先通过Sasobit、EvothermM１、EvothermDAT３种温拌剂不同掺量下温拌橡胶沥青的２５℃针入度、软化点、５℃延度、１８０℃粘度、２５℃弹性恢复实验研究温拌剂掺量对橡胶沥青基本技术指标的影响,然后结合温拌剂产品各自推荐掺量确定针对不同温拌橡胶沥青的温拌剂各自最佳掺量.３．３．２　温拌橡胶沥青胶浆和易性实验要精确有效地验证表面活性剂在混合料拌和过程中对沥青与集料界面的润滑作用并不容易,因此本文设计了温拌橡胶沥青胶浆粘度实验来测试表面活性剂对混合料和易性的改善效果,该方法同样适用于其它温拌剂.３．３．３　温拌橡胶沥青混合料旋转压实实验首先,采用旋转压实方法进行橡胶沥青混合料配合比设计;然后在不同出料温度下成型３种温拌橡胶沥青与原样橡胶沥青混合料,并进行混合料试件体积参数测试;最后采用ImageＧProPlus７．０图像分析软件对不同出料温度下成型的混合料试件进行了橡胶沥青对集料的裹覆率分析.４　实验结果分析４．１　温拌剂掺量对橡胶沥青技术指标的影响Sasobit、EvothermM１、EvothermDAT３种温拌剂厂商的基质沥青推荐产量分别为３％,０．６％和１１．１％.橡胶沥青粘度远高于基质沥青,且同体积的橡胶沥青中橡胶粉的体积占了一定比例,因此温拌橡胶沥青中的温拌剂掺量需要重新确定.按温拌剂各自产品手册推荐值为添加量中值,以中值的１/３为间隔前后各选取２个点,总共５个点为各种温拌剂的添加量(分别为掺量代号１,２,３,４,５)添加到橡胶沥青中,通过恒温１８０℃加热搅拌器搅拌均匀,EvothermDAT需要将其中的水分蒸发出去获取残留物,然后再进一步测试各种温拌沥青的技术指标.温拌剂具体添加量为(占橡胶沥青质量百分比):Sasobit:　　　(１％,２％,３％,４％,５％)EvothermM１:(０．２％,０．４％,０．６％,０．８％,１．０％)EvothermDAT:(３．７％,７．４％,１１．１％,１４．８％,１８．５％)首先对各种温拌橡胶沥青在不同掺量下的基本技术指标测试,并与原样橡胶沥青Ori进行对比,相应的结果如图２所示.从图２中各指标的变化情况可以看出:(１)表面活性剂EvothermM１与表面活性剂水溶液EvothermDAT对橡胶沥青技术指标没有明显影响,随着掺量的变化指标均保持稳定;(２)EvothermDAT对橡胶沥青延度有一定影响,这可能是与其本身含有大量液体,水分蒸发过程中在橡胶沥青内部形成微小空隙有关.微小空隙会在拉伸过程中造成应力集中,导致低温延度测试提前断裂;(３)有机降粘温拌剂Sasobit对橡胶沥青各项性能指标有明显影响,随着掺量增加,橡胶沥青施工粘度降低,掺量达到２％后趋于平稳,大于４％后又有明显的降低;软化点显著提高,掺量大于３％后软化点超过９０℃;延度与弹性恢复逐渐降低,预示着橡胶沥青的低温柔性变差.综合降粘效果、对沥青技术指标的影响以及成本３０１０２何　亮等:温拌橡胶沥青混合料施工和易性研究因素,推荐该橡胶沥青的Sasobit掺量为２％,EvoＧthermM１与EvothermDAT均选择各厂商推荐掺量,分别为０．６％和１１．１％.图２　不同温拌剂掺量的温拌橡胶沥青技术指标Fig２TechnicalindexsofwarmmixasphaltＧrubberwithdifferentadditivesdosage４．２　温拌橡胶沥青胶浆粘温关系分析温拌橡胶沥青粘度测试无法测试表面活性剂的界面润滑作用,因此设计了温拌橡胶沥青胶浆粘度实验来测试表面活性温拌剂的温拌效果.温拌橡胶沥青胶浆是由矿粉和温拌橡胶沥青胶结在一起形成的混合物,其中粉胶比直接影响着胶浆的性质以及混合料的施工和易性,因此实验的粉胶比应接近实际的混合料设计.按交通部公路科学研究院ARHM１３推荐级配设计结果的最佳油石比为６．５％,０．０７５mm空隙范围以下的矿粉为６．７％,因此选择温拌橡胶沥青胶浆实验的粉胶比为１∶１.将已烘至１８０℃的填料按粉胶比１∶１加入制好的不同温拌橡胶沥青中,在１８０℃下搅拌均匀后立刻浇注样品于布氏粘度试模中,进行１２０,１４０,１６０和１８０℃粘度测试,并与原样橡胶沥青胶浆进行对比,绘制粘温关系图如图３所示,具体数值见表２.从图３与表２可以看出,在粉胶比为１∶１的温拌橡胶沥青胶浆实验中,有机降粘温拌剂与表面活性温拌剂都起到了明显的降粘作用,１６０℃温拌橡胶沥青胶浆粘度值与１８０℃橡胶沥青胶浆值相当,表明均能有效降低橡胶沥青施工温度２０℃,同时随着温度的降低温拌剂的降粘幅度越大,该方法可作为判别表面活性温拌剂温拌效果的一种判别方法.图３　温拌橡胶沥青胶浆粘温关系Fig３ViscosityＧtemperaturedependencyofwarmmixasphaltＧrubbermastic由此判断,在混合料拌和过程中由于加入了粗、细集料,矿料沥青表面积比将会进一步增加,EvothermM１与DAT温拌效果会达到甚至超越Sasobit.４０１０２２０１５年第２０期(４６)卷表２　温拌橡胶沥青胶浆粘温关系值Table２ViscosityＧtemperaturevalueofwarmmixasＧphaltＧrubbermastic粉胶比温拌剂粘度/Pa􀅰s１２０℃１４０℃１６０℃１８０℃０∶１Ori２４．３９．２５．１２．７Sasobit１２．２４．６２．７１．６M１１７．９８４．６２．７DAT１９．７８．７４．４２．８