WTR/EVA复合改性沥青及沥青混合料性能研究

2021-08-16陈世英潘勤学

公路工程 2021年3期

陈世英,谢虎,潘勤学

(1.青海省交通工程技术服务中心, 青海西宁 810008; 2.中大检测(湖南)股份有限公司, 湖南长沙 410205; 3.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410114)

0 引言

沥青路面具有低噪音、施工便捷以及行车舒适等优点，我国的高等级公路普遍使用沥青混合料铺筑面层[1-2]。然而，沥青路面在自然环境下出现的高温车辙、低温开裂以及沥青剥落和重复荷载作用下的疲劳损伤等病害是影响沥青路面服务水平主要因素，病害的存在极大缩短了沥青路面使用寿命和行车舒适度[3]。已有研究表明，应用聚合物对沥青进行改性可有效改善沥青及沥青混合料的性能[4-7]。

轮胎是众多橡胶制品中橡胶耗量较大的一种[8-9]，在生产橡胶轮胎的同时也产生了相当数量的废旧轮胎。然而，废旧橡胶降解慢、回收率低，对大气、水以及土地等自然环境造成严重污染[10]。废胶粉(Waste Tire Rubber Powder，简称WTR)是废旧轮胎经粉碎颗粒化后的产物，将废胶粉应用到道路工程领域，在提升沥青路面性能的同时有利于缓解环境污染压力。相关研究表明，WTR改性沥青具有较好的抗车辙性能，高温状态下的抗永久变形能力较强[11-13]。然而，橡胶颗粒与沥青之间的相容性一般，由此造成的应力集中使得WTR改性沥青在低温状态下易发生断裂[11]。为解决WTR和沥青相容性的问题，文献[14]对WTR改性沥青进行了复合改性的研究。相比于WTR，乙烯醋酸乙烯酯(Ethylene-Vinyl Acetate，简称EVA)作为橡胶类热塑性聚合物[15]，在塑料领域用途广泛。然而，降解能力差使得该材料依旧面临严峻的环保问题[16]。研究表明，高分子聚合物EVA与沥青可形成较为稳定的结构，因此EVA可显著提升沥青的低温柔韧性[17]。基于此，为提升沥青及沥青混合料性能，同时缓解环境污染的压力，本文将应用WTR和EVA两种改性剂对基质沥青进行复合改性，研究WTR/EVA复合改性沥青，以及沥青混合料的性能。

1 试验原材料及方法

1.1 沥青、改性剂以及集料

70-A级石油沥青作为基质沥青，80目国产废旧橡胶粉(WTR)和EVA(其中VA含量为28%，密度为0.96 g/cm3)作为沥青改性剂，粗细集料采用本领域广泛使用的石灰岩。本文所用两种沥青改性剂的外观形态如图1所示，70-A级沥青的常规指标如下：针入度(25 ℃, 100 g, 5 s)为68.5(0.1 mm)，软化点为50.8 ℃，延度(15 ℃, 5 cm/min)为>150 cm，黏度(135 ℃)为0.45 Pa·s，黏度(180 ℃)为0.10 Pa·s。

(a)WTR

1.2 主要试验方法

本文主要研究WTR、EVA两种改性剂对沥青和沥青混合料性能的影响，试验选取了5个WTR掺量(0%，5%，10%，12%，15%)和4个EVA掺量(0%，2%，4%，6%)制备复合改性沥青，试验方案分为沥青试验与沥青混合料试验两部分。首先，采用动态剪切流变仪(Dynamic Shear Rheometer,简称DSR)和布氏黏度仪评估WTR/EVA改性沥青的高温抗车辙性能和施工和易性，低温弯曲梁试验(Bending Beam Rheometer, 简称BBR)用于表征改性沥青的低温性能。其次，研究沥青混合料的路用性能主要从4个方面分析：高温抗车辙性能、低温抗裂性、水稳定性能以及耐老化性能。高低温性能的表征分别采用车辙试验和低温劈裂试验，水稳定性能及耐老化性能均采用马歇尔试验。

2 试样制备

WTR/EVA复合改性沥青制备流程如图2所示。首先，应用烘箱将70#基质沥青在160 ℃的条件下加热30 min，使基质沥青完全熔融处于流体状态并将其倒入沥青搅拌桶内。随后，将WTR倒入搅拌桶内在170 ℃温度下以3 000 r/min的转速高速剪切10 min。之后，倒入EVA在剪切速率不变的情况下高速剪切20 min。最后，在170 ℃温度下普通旋转10 min，以去除改性沥青中多余的气泡。

图2 WTR/EVA复合改性沥青制备流程

在已有WTR/EVA改性沥青的基础上，根据Marshall 体积设计法进行沥青混合料的制备。图3为集料的合成级配曲线图，应用粗集料(10～15档)，细集料(5～10档)，石屑以及矿粉所占总重的比例分别为16%、41%、40%和3%制备AC-13C型密级配沥青混合料作为研究对象。根据规范对沥青混合料空隙率的要求(4%～6%)，最终确定基质沥青混合料和改性沥青混合料的最佳油石比分别为4.8%和5.1%。

图3 合成级配曲线

3 WTR/EVA复合改性沥青流变性能研究

3.1 WTR/EVA复合改性沥青高温流变性能研究

为研究改性沥青在高温状态下的性能表现，采用DSR试验研究高温流变性能，黏度试验用于评价沥青的施工和易性。图4(a)为沥青在60 ℃时的车辙因子，车辙因子与改性剂掺量呈正相关变化趋势，且WTR对车辙因子增长的影响更显著。值得注意的是，当WTR掺量为15%时，60 ℃车辙因子在EVA掺入后有较为明显的提升，但4%EVA比6%EVA掺量的车辙因子增长了约47.1%，两者分别是基质沥青的18.7倍和13.7倍。图4(b)是沥青在180 ℃温度下的旋转黏度，该指标可用于评价沥青的施工和易性和高温性能。如图所示，黏度随着WTR掺量的增加呈不同的增长趋势，EVA掺量越高，增长趋势越明显，这是由于掺入EVA后，改性沥青形成了更稳定的结构。此外，15%WTR+4%EVA具有最大的旋转黏度，这点与车辙因子相类似。当WTR掺量为15%时，4%EVA和6%EVA掺量的黏度，比WTR单一改性沥青分别增长了313.9%和204.3%。

(a)60 ℃车辙因子

车辙因子以及旋转黏度结果表明，掺入WTR和EVA有利于沥青黏度和车辙因子的提升，高温状态下的抗永久变形能力得到了显著改善，且15%WTR+4%EVA具有较佳的高温性能。为进一步验证改性剂对高温性能的影响，将进行沥青混合料试验。

3.2 WTR/EVA复合改性沥青低温流变性能研究

图5为改性沥青的BBR试验结果，得到评价沥青低温性能的两个重要指标：劲度模量(S值)和m值。根据AASHTO规范，劲度模量可表征沥青在低温下的刚度，而m值表示应力分散能力。通常来说，较小的S与较大的m表示沥青在低温下具有良好的柔韧性以及较强的抗裂性能。由图5(a)可知，温度越低S越大，当温度达到-18 ℃时，基质沥青的S值已大于300 MPa。值得注意的是，3个温度状态下(-6 ℃，-12 ℃，-18 ℃)改性沥青的S值均小于基质沥青，表明改性剂的掺入提升了沥青的柔韧性。在-18 ℃试验条件下，当WTR掺量为12%时，6%EVA比2%EVA的S值降低了23.4%；当EVA掺量为4%时，5%WTR比15%WTR的S值下降了19.8%，这表明两种改性剂均可提升沥青的低温柔韧性，但EVA的改善效果更明显。此外，图5(b)显示了改性沥青在不同试验温度下的应力分散能力。由图可知，所有试样在-18 ℃时的m值都不满足m≥0.3的规范要求。对于12%WTR单一改性沥青，掺入2%EVA后m值(-6℃试验条件)增加了13.7%，表明EVA的掺入提升了沥青的应力分散能力。当EVA继续增加时，m值呈现下降趋势。然而，当EVA掺量为4%时，m值随着WTR掺量的增加而减小，15%WTR比5%WTR的m值在-6 ℃和-12 ℃温度下分别降低了9.2%和7.1%，表明WTR会削弱应力消散水平，但影响并不明显。综上，EVA的掺入增加了沥青的低温柔韧性，缓解了WTR应力集中对沥青低温性能的损伤。这将有利于沥青在低温状态下的抗裂表现。两者对沥青进行复合改性有利于沥青低温抗裂性能的改善，后文将进一步开展沥青混合料低温抗裂性能研究。

(a)劲度模量

4 WTR/EVA改性沥青混合料性能研究

4.1 WTR/EVA复合改性沥青混合料高温性能分析

为进一步研究WTR和EVA对沥青混合料高温性能的影响，本研究进行沥青混合料车辙试验，用动稳定度指标评价其抗车辙性能。如图6所示，动稳定度随掺量的增加，整体呈线性增长趋势。相比于基质沥青混合料，掺量为15%WTR+4%EVA和15%WTR+6%EVA时的动稳定度分别增长了225.4%和213.7%，这是由于改性剂可增强混合料内部的黏结力。另外，当WTR掺量为15%时，EVA掺量从0%增加到6%的过程中，动稳定度呈现先增后减的趋势，表明当EVA的掺量并非越大就越好，超出一定范围后，对沥青混合料的高温性能反而会削弱。由此可知，WTR和EVA可有效提高沥青混合料的高温抗车辙性能，但EVA的掺量不宜过高。动稳定度与车辙因子具有相似的试验结果，15%WTR+4%EVA具有最优的高温性能。

图6 沥青混合料车辙试验结果

4.2 WTR/EVA复合改性沥青混合料低温性能分析

对于沥青路面而言，低温状态下的抗裂性能也尤为重要[18]。应用低温状态下的劈裂强度作为低温抗裂性能评价指标具有一定的可行性。如图7所示，WTR和EVA的掺入使得劈裂抗拉强度有所提升，但效果并不显著。与高温性能不同的是，15%WTR+6%EVA改性沥青混合料具有最佳的低温劈裂强度，相比于基质沥青混合料提升了34.8%。值得注意的是，当WTR掺量为15%时，劈裂抗拉强度随EVA的增加而稳步提升，6%EVA比0%EVA掺量的劈裂抗拉强度增长了22.0%；当EVA掺量为4%时，劈裂抗拉强度随WTR的增加而稳步提升，15%EVA比5%EVA掺量的劈裂抗拉强度增长了6.2%。由此可知，WTR和EVA对提升低温性能具有积极作用，且EVA比WTR的效果更明显，这得益于EVA对低温柔韧性的改善。

图7 沥青混合料低温劈裂试验结果(-10℃)

4.3 WTR/EVA复合改性沥青混合料水稳定性能分析

沥青路面在自然环境下因水的作用易产生剥落等病害，直接影响沥青路面的使用寿命和行车舒适度[19]。因此，本文采用浸水马歇尔残留稳定度作为研究沥青混合料抗水损害能力的评价指标。如图8所示，沥青混合料的浸水残留稳定度是马歇尔稳定度与浸水后稳定度的比值。从整体上来看，掺入改性剂后残留稳定度有较大幅度的增加。当EVA掺量为4%时，15%WTR(93.4%)比5%WTR(84.3%)掺量时的残留稳定度增长了10.8%；当WTR掺量为15%时，6%EVA(89.6%)比0%EVA(86.4%)掺量时的残留稳定度增长了3.7%，结果表明WTR掺量对水稳定性能的提升效果更明显。值得注意的是，15%WTR+4%EVA沥青混合料的残留稳定度最接近100%，说明改善效果最佳。因此，WTR和EVA可增强沥青的黏附性能，减少沥青的空隙率，其水稳定性能也得到了一定程度的改善。

图8 沥青混合料水稳定性能试验结果

4.4 WTR/EVA复合改性沥青混合料抗老化性能分析

沥青的老化是沥青路面在自然环境中使用一段时间后不可避免出现的现象。老化后的沥青会变硬变脆，且沥青与集料之间的黏附力会降低[20]，极大影响沥青路面的服务水平[21-22]。本文中采用长期老化后的马歇尔稳定度比来评价沥青混合料的抗老化性能，其中将试件在85 ℃的温度下放置5 d，用以模拟道路在自然环境下老化10 a的状态。老化后试件的稳定度都有不同程度的升高，这是由于沥青轻质组分减少、沥青变硬所致，因此稳定度比越大表明沥青混合料的抗老化性能越差。如图9所示，改性剂的添加可有效降低稳定度比，表明其抗老化性能的提升。15%WTR+4%EVA的稳定度比最小(105.2%)，比基质沥青(144.7%)降低了 39.5%，表明抗老化性能有较大的提升。同时，分析稳定度比值随着改性剂掺量变化的趋势可以发现，WTR对沥青混合料抗老化性能的影响要大于EVA。