速溶胶粉改性沥青混合料的研究

2020-06-05于晓晓1梁亚军1琚利平3谢艳玲王仕峰

石油沥青 2020年2期

于晓晓1，，梁亚军1，琚利平3，谢艳玲，王仕峰

（1.上海市市政规划设计研究院有限公司，上海 200031；2.上海交通大学化学化工学院，上海 200240；3.浙江省交通集团检测科技有限公司，杭州 310002）

采用废旧轮胎磨制的橡胶胶粉改性沥青混合料是一种优质的可持续道路建设方案。与普通沥青路面相比，胶粉改性沥青（CRMA）路面不但路面厚度可减薄一半[1]，而且CRMA 路面寿命更长，可降低道路的全周期建设能耗，提高石料等自然资源利用率。CRMA 的加工工艺主要有湿法和干法两种。湿法工艺既可现场生产也可工厂化加工，技术已趋于成熟，但仍存在加工温度高、环境污染严重且工艺复杂等问题；干法工艺相对简洁，但该工艺制备的混合料难压实且粘结性较差，易发生局部损害。CRMA 干湿法工艺难点的根源在于胶粉的三维化学交联结构，限制了其分散，难于跟沥青发生快速相互作用。

目前，为提高CRMA 的加工和应用性能，研究者们从材料和工艺两个方面分析探索不同条件下CRMA 的路用性能。材料因素主要包括胶粉来源及种类、胶粉表面特性、胶粉尺寸及用量和沥青种类等，比如为提高胶粉与沥青相互作用程度，常使用40 目及以上的细胶粉［2-6］；工艺因素主要包括级配、拌和温度和时间、发育时间及压实温度等，比如干法中常使用焖料来强化相互作用等［7-9］。这些研究虽然取得较大进展，但由于忽略胶粉三维化学交联的热固性弹性的本质，还未能全面解决实际工程应用的变异性和环保问题。三维化学交联结构使得胶粉在沥青中难以溶胀溶解，在混合料中难以快速分散，继而引起难压实、粘结性差、能耗高及污染严重等问题。高效解交联破坏胶粉的三维化学交联结构，可以促进胶粉的快速溶解分散［10-17］。

因此，本研究选用高效解交联后的速溶胶粉，采用干法和湿法两种工艺分别制备干法、湿法速溶胶粉改性沥青混合料，并以相同工艺下制备的原胶粉改性沥青混合料为对照样，进行了速溶胶粉改性沥青混合料的路用性能研究。

1 试验原料和级配

1.1 基质沥青

本试验所用沥青为埃索70#道路石油沥青，具体性能指标见表1。

表1 基质沥青性能指标

1.2 胶粉和速溶胶粉

普通原胶粉采用24 目废旧大卡车轮胎胶粉，溶胶含量8.5%；速溶胶粉由前述24 目原胶粉通过中温常压催化解交联法制备，添加剂含量小于1%，溶胶含量58.3%，门尼黏度为46（ML1001+4）。

1.3 矿料级配及其它

矿料配合比和试验矿料级配采用AC-13，具体组成如表2、表3（石料均为辉绿岩）所示，集料密度见表4。

表2 矿料配合比

表3 试验矿料级配组成

表4 集料密度

2 试验方案

2.1 干法制备改性沥青混合料

基质沥青、集料、矿粉和击实模具置于鼓风干燥烘箱中预热，拌和锅预热。将热集料倒入拌和锅，适当混合后倒入胶粉（1%，以集料为基数），拌和30 s 后倒入基质沥青（X%，以集料为基数），拌和30 s 后倒入矿粉，拌和5 min后保温焖料或直接成型。称取适量混合料制备马歇尔试件，相关技术要求见表5。试样编号：DRMA-X（原胶粉）或DSRMA-X（速溶胶粉），其中X表示基质沥青用量。

表5 混合料室内试验温度

2.2 湿法制备改性沥青混合料

将胶粉（内掺20%）加入热基质沥青后，于180 ℃（原胶粉）或160 ℃（速溶胶粉）下搅拌45 min，速度500 r/min 制得改性沥青。改性沥青、集料、矿粉和击实模具置于鼓风干燥烘箱中预热，拌和锅预热。将热集料倒入拌和锅，适当混合后倒入改性沥青（5%，以集料为基数），拌和30 s 后倒入矿粉，拌和30 s 后直接制备马歇尔试件，无需焖料，相关技术要求见表5。试样编号：WRMA（原胶粉）和WSRMA（速溶胶粉）。

2.3 性能测试

沥青混合料的基本体积指标、标准马歇尔稳定度、肯塔堡飞散性能检测参照JTG E20—2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行。

2.4 显微结构观察

将沥青混合料溶于甲苯中，用10 目筛网过滤得胶浆溶液或悬浮液，取少量混合液置于载玻片，待其自然晾干后，再加热至140 ℃，涂布均匀，通过光学显微镜观察，拍摄显微照片。

3 结果与讨论

3.1 干法胶粉改性沥青混合料的结构与性能

相同油石比和胶粉用量下的原胶粉DRMA-4.8与速溶胶粉DSRMA-4.8 的基本性能指标见表6。

表6 干法工艺胶粉改性沥青混合料的基本性能指标

由表6可见，无论焖料与否，DRMA-4.8 的空隙率较大，超出要求范围，而DSRMA-4.8 的空隙率较小，试件密度和有效沥青饱和度值更大，表明使用速溶胶粉比原胶粉容易压实。抗飞散能力大小一定程度上可表征沥青混合料的粘结情况，DSRMA-4.8 的标准飞散损失明显小于DRMA-4.8，表明速溶胶粉可提高混合料的粘结力，有利于防止松散、掉粒等病害；DSRMA-4.8 的标准稳定度略小于DRMA-4.8，这与胶粉解交联后交联键的破坏有关，但马歇尔稳定度仍在11 kN 以上。DSRMA-4.8 易压实且具有较好的粘结力，是由于速溶胶粉易形变、弹性降低和粘性增强，速溶胶粉改性沥青对集料有较好的裹覆作用，这得益于三维网络结构的破坏。除此外，增加焖料工艺可使原胶粉改性沥青混合料的抗飞散性能提高，说明焖料有利于提高混合料的粘结力。图1是干法工艺胶粉改性沥青混合料胶浆的光学显微照片。

从图1中可以观察到较透明白色颗粒为矿粉，黑色颗粒为胶粉。矿粉仍保持原有形状，尺寸从几微米到几十微米不等。黑色原胶粉和速溶胶粉由原来的毫米级大颗粒转变成尺寸不等的微颗粒，较均匀地分散在混合料体系中。原胶粉和速溶胶粉分散情况有所不同，DRMA 中胶粉虽然在焖料的过程中颗粒减小，但仍存在大尺寸胶粉（大约0.2 mm），而DSRMA 中微细胶粉明显增多，且尺寸显著较小（10 um 左右），甚至小于矿粉尺寸，并分散于矿粉中。这表明速溶胶粉在混合料拌和过程中更易变细且分散更均匀，起到同沥青一起粘结矿粉的作用。由于分子结构的不同，速溶胶粉的三维化学交联结构已在前期部分解开，更容易在混合料体系中实现微细化分散。

图1 干法工艺胶粉改性沥青混合料的微观结构

3.2 湿法胶粉改性沥青混合料的结构与性能

WRMA 和WSRMA 的基本性能指标见表7。

WSRMA 的空隙率、标准飞散损失小于WRMA，表明速溶胶粉具有较好的压实性和对石料的裹覆能力。WSRMA 的马歇尔标准稳定度略小于WRMA，但仍较高达13.3 kN。稳定度均高于干法的胶粉改性沥青混合料，可能与湿法工艺中沥青用量比干法工艺中用量少有关，这也导致了较高的飞散损失率。总的来说，速溶胶粉比原胶粉容易压实并可提高混合料的粘结力，这与干法工艺中得出的结论一致。值得提出的是，WSRMA 制备过程中所用的搅拌温度为160 ℃，比WRMA 搅拌温度低20 ℃，这有利于降低能耗和减少污染物排放。

图2是湿法工艺胶粉改性沥青混合料胶浆的光学显微照片。

表7 湿法工艺胶粉改性沥青混合料的基本性能指标

图2 湿法工艺胶粉改性沥青混合料的微观结构

原胶粉经过在180 ℃下与沥青的预拌和以及与沥青混合料的拌和后仍存在大尺寸胶粉组分（大约0.1 mm）且胶粉尺寸范围宽、大尺寸胶粉比例高。然而，速溶胶粉在经过了温度仅为160 ℃的预拌和以及180 ℃下沥青混合料拌和后可以以较小尺寸胶粉（10 um）的形式存在。这与干法工艺中的现象一致，速溶胶粉在混合料制备过程中更易变细且分散更均匀。对于胶粉而言，与干法工艺相对比，湿法工艺下胶粉的颗粒尺寸分布更均匀且大尺度组分尺寸较小，这说明湿法工艺更利于胶粉颗粒的分散。对于速溶胶粉而言，体系中胶粉颗粒尺寸在几微米到几十微米，在此基础上干法和湿法工艺对颗粒尺寸影响不大，这说明胶粉解交联结构对分散尺度的影响更大。

3.3 沥青用量对DSRMA 性能的影响

由于胶粉改性沥青混合料过程中一直存在溶胀、降解及溶胀降解反复作用过程，沥青最佳用量较难确定，下面采用速溶胶粉，在不同沥青含量下与石料干拌，观察其拌和状态，以获得较佳沥青含量，指标见表8。拌和结束（左）、焖料2 h（中）及混合料冷却后（右）的照片见图3。

由图3可见，不同用油量的DSRMA 中沥青和胶粉均可均匀分散，而随着用油量的提高，混合料状态由稍干、适中逐渐变成泛油，对沥青用量的使用范围较宽。焖料也影响着混合料状态，焖料前DSRMA-4.3 稍干；焖料2 h 后混合料呈现出微微泛油的状态，光亮度增加，稍加翻动可发现集料间粘结力有一定提高，这与提高沥青用量效果相似。焖料冷却后，混合料泛油程度未改变，进一步说明了焖料工艺对提高泛油程度的有效性。不同用油量下干法工艺DSRMA 的基本性能指标见表8。

随着油石比提高，空隙率基本呈现下降趋势，试件密度和VFA基本呈上升趋势，其中DSRMA-4.8 和DSRMA-5.6 的空隙率符合范围要求；标准飞散损失和稳定度略有下降。表明沥青用量的提高可以使得混合料易压实，提高混合料粘结性能，同时稳定度略有下降。