高胶粉含量改性沥青的稳定化制备及路用性能

发布日期:2015-05-04 15:21:06
混合料
近些年来,国外学者对橡胶沥青混合料的作用机理 报道较多,Abdelrahman等⑴论述并验证了橡胶 沥青的作用机理:胶粉溶胀与降解的关系;Shen 等[2]报道了在橡胶沥青中添加橡胶活化剂对橡 胶沥青的加工工艺及性能的影响。国内的橡胶沥 青研究起步较晚但发展迅速,很多学者对橡胶沥 青的改性机理及生产工艺设计等进行了研 究,但是技术路线差异较大,不同的应用需要带来 不同的工艺参数和配方设计,因而限制了橡胶沥 青的规模化推广应用。此外,高温储存稳定性差 也制约了橡胶沥青的工业化生产,因此提高高温 储存稳定性也是橡胶沥青发展亟待解决的问 题i5]。随着石油资源的不断减少,沥青的价格越 来越高,而胶粉由于源自废弃轮胎而价格较低。 如果能在保证总体性能的前提下提高胶粉的用 量,不仅可以降低沥青的成本,而且可以加大废旧 胶粉的利用率,将会带来较好的经济和环保效益。 本工作即采用活化胶粉,通过对橡胶沥青工艺和 配方的优化探讨制备高温储存稳定、性能良好且 胶粉用量较高橡胶沥青的途径。
 
1试验部分 1-1原材料胶粉,26目,载重胎活化胶粉,南京橡胶厂 生产,基本组成为填充油8. 6% (质量分数,下同)、硫化天然橡胶48.4%、炭黑33. 6%及无机 填料9.4%。沥青,51^-70*重交沥青,韩国51^ 公司生产,基本性能指标为软化点47针人度(25 "C )70 x 10 mm、延度(15 <€ ) 150 cm 及 RTFOT质量损失0.05%,老化后的延度(1〇丈) 和针人度(25 1:)分别为15 cm和60 x 10 mm。 交联剂由上海吴泾化工厂提供。活化剂由上海 理高化工有限公司提供。集料,镇江茅迪实业 有限公司生产的玄武岩。矿粉,江苏如皋吴窑 地区出产。
 
1.2试验过程将活化胶粉在160尤的基质沥青中浸泡 45 min,使其充分分散溶胀,然后用Fluk〇公司 生产的FM 300型剪切乳化机剪切预定时间,转 速为4 000 r/min。首先在配方—定的情况下考 察剪切时间和剪切温度对胶粉改性沥青性能的 影响,确定最佳的工艺条件。其次在最佳的工 艺条件下,考察胶粉、交联剂及活化剂用量对胶 粉改性沥青性能的影响,综合平衡工艺条件和 配方设计制备出综合性能良好的胶粉改性沥 青。最后,在沥青混合料密级配AC-16中选取合适的油石比进行混合料设计,对其路用性能 进行检测。
 
1.3分析与测试按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规 程》(JTJ 052—2000)的要求对改性沥青进行分析 与测试。
 
黏度称取10.5 g热沥青并置于Brookfield 黏度管中,用Brookfield黏度计分别在指定温度下 测定其布氏旋转黏度。
 
针入度将1〇〇 g沥青试样置于针人度器皿 中,在室温下放置1 h后放人25 t的水浴中恒温 1 h,将试样置于针入度仪中,记录针入度测试针 在5 s内扎人试样的深度,测试3次后取平均值 作为最终结果。
 
延度将沥青试样浇人延度模具中,于室 温下放置30 min,然后于5丈的水浴中放置 30 min后取出切样,再放人5丈的水浴中静置 60 min后在延度仪中进行拉伸,拉伸速率为 5 cm/min,记录其被拉断时的长度,测试3次后取 平均值作为最终结果。
 
软化点将沥青浇人软化点模具中,在室温 下放置30 min后热切,然后于5 T的水浴中静置 15 min后,在软化点仪中程序升温速率为 5 ■C/min的条件下,利用环球法测定软化点,取 2次测定的平均值作为最终结果。
 
耐老化性能(RTF0T)在旋转薄膜烘箱的 2个玻璃管中各自放置35 g的沥青试样,在旋转 薄膜烘箱中旋转85 min,并维持一定的气流,测 定其老化后的延度、针人度及质量损失并计算 其与老化前的比值,以此表征沥青试样的耐老 化性能。
 
储存穗定性在胶粉改性沥青的离析实验中 (T0661 —2000),将装满胶粉改性沥青的铝管在 163 *€下存放48 h后切成3段,取上下两部分,测 其软化点之差(A71),用以表征胶粉改性沥青的储 存稳定性。
 
2结果与讨论2.1加工工艺对胶粉改性沥靑性能的彩响 2.1.1剪切时间表1为在添加量25%、剪切温度丨8〇 ^的 条件下,分别剪切30,45,60 min后胶粉改性沥 青的性能。从表1可以看出,随着剪切时间的 延长,胶粉改性沥青的黏度先增大后减小,针人度逐渐增大,延度先增大然后基本保持不变,软 化点变化不大,储存稳定性变好。随着剪切时 间延长,体系的均一化程度增大,胶粉在沥青相 中的溶胀程度增大,体积膨胀明显,与沥青的相 容性变好;同时,剪切时间延长胶粉的降解程度 增大,其交联网络结构被进一步破坏,胶粉被研 磨及降解成碎片存在于沥青相中,就会使体系 的黏度先增大后变小。胶粉一方面被研磨,一 方面降解,胶粉与沥青体系由硬变软,因此针人 度和延度均呈现增大的趋势。随剪切时间延 长,橡胶沥青体系的均一化程度变好,胶粉更均 匀、稳定地分散在沥青相中,导致其高温储存稳 定性变好。剪切60 min后,胶粉改性沥青AT的 绝对值已经小于5 但是加工时间过长将增 大生产设备的损耗和能耗,进而提高胶粉改性 沥青的成本。综合胶粉改性沥青的各项性能指 标,在生产中宜选择剪切时间为45 min。时间 过短,胶粉不足以磨细,颗粒明显,胶粉改性沥 青的高温热稳定性较差;时间过长,胶粉会发生 过度的脱硫降解,能耗和设备损耗也较大。
 
Table 1 Influence of shearing time on properties of crumb rubber modified asphaltShearing time/miti304560Viscosity(175 X.)/(?a- s)4.5634.8154.725Penetration ( 25 ) x 10 ~1 /mm53.456.259.7Ductility (5 ^ )/cm10. 113.813.6Softening point/^78.478.278. 7LT/X.-8.3-6.3-4.52.1.2剪切温度表2为在胶粉添加量25%、剪切时间45 min 的条件下,剪切温度对胶粉改性沥青性能的影 响结果。从表2可以看出,随着加工温度升髙, 胶粉改性沥青的黏度呈现减小的趋势,针人度 明显增大,在230 "C时针人度已经达到1〇9 x 10 nun,这可能是因为在高温条件下剪切胶粉会 脱硫裂解,甚至发生橡胶分子链的断裂,溶胀后 的胶粉被降解研磨成碎片,橡胶网络失去固有 的弹性,使得胶粉改性沥青变软,导致黏度变 小,针人度变大;同时,加工温度升高使胶粉改 性沥青的软化点降低,髙温性能受损。由延度 的变化可知其低温性能变化不大。较高的加工 温度使两相的相容性变好,从而能明显提高橡 胶沥青的高温储存稳定性。
 
Table 2 Influence of shearing temperature on properties ofcrumb rubber modiHed asphaltShearing temperature/180200210230Viscosity( 175 )/(Pa ? s)4. 8154.2023. 6232. 457Penetration(25 ^ ) xlO'Vmm56. 285.688.9109.4Ductility (5 X )/cm13. 815.214.012.2Softening point/^78.257.450.551.4AT/X-6. 3-4. 8-3.5-1.4从以上讨论可知加工时间和温度对胶粉改性 沥青性能的影响,主要需考虑胶粉的溶胀和降解 脱硫程度在加工过程中的平衡。加工初期胶粉在 沥青中吸收轻质油分发生溶胀,溶胀后的胶粉在 沥青中进一步脱硫降解,部分脱硫降解可以提高 胶粉与沥青的相容性,而降解过度胶粉将失去对 沥青的改性效果。因此胶粉在沥青中的最佳状态 是部分降解、部分保持弹性核心的中间状态。
 
2.2配方设计对胶粉改性沥青性能的影响 2.2.1胶粉用置根据上述讨论,在180 T下剪切45 min,活化 胶粉用量分别为 17. 5% ,20. 0% ,22. 5% ,25.0% 时胶粉改性沥青的性能见表3。从表3可知,胶 粉用量的增加增大了体系的黏度,限制了沥青胶 体的流动性,提高了胶粉改性沥青的内聚力和柔 韧性。同时胶粉用量增加使胶粉改性沥青的针人 度减小,延度下降,这是因为随着胶粉用量的增 加,体系的弹性增大,但胶粉颗粒相对较粗,当胶 粉的大小和数量超过了某一临界值后,胶粉聚集 在改性体系中容易形成应力集中点,应力集中造 成的应力损失要远大于体系弹性的增加,因而橡 胶沥青的延度表现为减小的趋势,并且延度一般 维持在10 ~20 cm。胶粉改性沥青软化点的提高 是因为在黏性沥青中加人胶粉后,降低了沥青的 温度敏感性所致。储存稳定性随着胶粉用量增加 先升高后降低,这可能与胶粉在沥青相中的溶胀 而形成的结构有关。胶粉分散在浙青相中后,被 沥青中的轻质油分溶胀,体积膨胀到原来的2 ~3倍[6],胶粉用量较低时其被充分溶胀,溶胀后的 胶粉体积虽然膨胀但不足以占据沥青相中的有效 空间,况且两相存在密度差,长时间储存就会出现 离析的现象;随着胶粉用量的增加,存在着一个临 界点,在此临界点附近胶粉被充分溶胀,并且溶胀 后的胶粉能占据沥青相中的有效空间,胶粉颗粒 之间相互牵制,储存稳定性能就会变好;但是胶粉 用量过多时其不足以被充分溶胀,未溶胀的胶粉颗粒更容易发生沉淀离析,因此体系的储存稳定 性变差,从表3的数据中可以发现这个临界点在 22.5% ~ 25.0%之间。本工作中选择胶粉用量为 25% 0Table 3 Influence of crumb rubber amount on properties of crumb rubber modified asphaltMass fraction of crumb ru!)ber/%17.520.022.525.0Viscosity( 175t)/( Pa ? s)2. 5552.0753.9254.815Penetration ( 25 ) x 10 -I/mm87.783.367.256.2Ductility (5 X, )/cm18.516.815. 113. 8Softening point/Tl59.663.569.378.2AT/X-8. 3-7.3-5.3-6.32.2.2交联剂用量在胶粉用量为25%、于丨80 t剪切45 min的 条件下,选择加人交联剂分别占胶粉质量0.2% 和0. 5%的2个配方,考察交联剂用量对胶粉改 性沥青性能的影响,结果见表4。表4数据表明, 随着交联剂用量的增加,胶粉改性沥青的黏度增 大,这是因为交联剂提高了体系的固化交联程度, 胶粉被研磨时表面产生的活性自由基在交联剂的 作用下再次通过化学作用连接起来,因而体系黏 度增大。针人度随交联剂用量的增加呈现略微下 降的趋势,这是因为体系发生交联变硬的缘故。 随交联剂用量增加,表征胶粉改性沥青低温抗开 裂性能的延度呈现增大趋势,这说明胶粉改性沥 青的低温黏弹性能得以提高,交联剂有助于在体 系内部形成网络加劲结构,交联后胶粉改性沥青 的耐老化性能也有所提高。交联剂用量在0.5% 以内时,胶粉改性沥青的软化点并没有发生很大 的变化。从高温储存稳定性来看,交联剂用量的 增加能够减小离析试样的A7提高胶粉改性沥青 的储存稳定性。因而在配方设计中选择加人占胶 粉质量0.5%的交联剂。
 
Table 4 Influence of crosslinking agent amount on properties of crumb rubber modified asphaltCrosslinking agent( by crumb rubber mass)/%00.20.5Viscosity(175T:)/(Pa- s)4.8155.4507.287Penetration(25 *C) xlO-1/mm56.252.550.0Ductilify(5 )/cm13.818. 122.9Softening point/78.275.677. 1HTFOT/%74.886.480.0A77T:-6.3-5, 1-4.02.2.3活化剂用置在胶粉用量为25%、于180 t剪切45 min的 条件下,选择加人活化剂分别占胶粉质量〇。 3%和0.6%的2个配方,考察活化剂用量对胶粉改性沥 青性能的影响,结果见表5。表5结果表明,活化剂 的加人可以活化胶粉,进一步使胶粉降解脱硫,从 而提髙胶粉与沥青的相容性;活化剂用量越多胶粉 被活化降解的程度越大,胶粉与沥青的黏滞阻力变 小,导致体系黏度降低;由于胶粉被细化降解,因而 体系变软,所以其针人度和延度均增大;从软化点 和RTF0T的数据变小可以得知,活化剂的加人降 低了胶粉改性沥青的耐感温和耐老化性能,但是高 温储存稳定性得以改善。因此在胶粉改性沥青的 配方设计中有必要加人少量的活化剂。
 
Table 5 Influence of activator amount on properties of crumb rubber modified asphaltActivator( by crumb rubber mass)/%00.30.6Visc〇8ity( 175*1: )/( Pa,8>4.8152.5551.732Penetration (25 ) x 10 "1 /mm56.277.782.0Ductility {5 )/cro13.818. 5Y9.3Softening poinl/^78.255.650.3RTFOT/%74.855.648.5AT/X-6.3-5-3-5.02.3胶粉改性沥靑的性能综合平衡工艺及配方设计等因素,在180 t 下于4 000 r/min的剪切乳化机中剪切45 min,采 用活化胶粉用量为25%、交联剂用量占胶粉质量 的0.5%及少量的活化剂制备了胶粉改性沥青, 其常规性能测试结果见表6,从中可以看出所制备 胶粉改性沥青的高温储存稳定性及其他性能良好。
 
Table 6 Conventional properties test results of crumb rubber modified asphaltPropertyExperimen?tal valueTechnical index valueMethodViscosity (175 ^ )/2. 0501.5 -4.0T 0625—2000(Pa-s)
 
Penetration (25 t ) x54.4>25T 0604—2000Ductility ( 5 ) /cm25>18T 0605—1993Softening point/^C83,5>54T 0606—2000Elastic recovery76>60T 0662—2000(25 X:)/%Relative density1.062T 0603—1993Ar/t:-2.41 Ar| <sT 0661—20002.4橡胶沥青混合料的性能本工作选择密级配AC - 16作为设计级配, 级配的矿料比例见表7,目标级配曲线见图1。
 
Table 7 Mineral aggregate list of aense-graded mixture AC-16Sieve/mm00.0750. 150.300. 601. 182. 364.759.513.216.0Upper limit/%081418263648628092100Lower limit/%04579132034607690Middle value/%06.09.512.517.524, 534.048.070.084.095.0Target design/%07. 18.510.715.323.833. 149.980.296.0100.0试验(击实温度165 ~ not,击实次数双面各O—upper limit}—lower limit j A 一middle value $A 一target designFig 1 Grade graph of crumb rubber modified asphalt concrete根据橡胶沥青路面工程的经验及相关报 道[7],空隙率一般在5%左右。在马歇尔稳定度75次)目标空隙率为5%时对应的油石比是6.1% ,以6. 1%的油石比设计橡胶沥青混合料, 对其路用性能进行测试,结果见表8。由表8可 看出,浸水马歇尔试验残留稳定度为88.5% ,大 于技术指标要求的80% ,表明橡胶沥青能够与矿 料紧密黏附,并且密级配混合料空隙率小,因而具 有较好的抗水损害性能。同时劈裂强度比为 86. 1% ,满足规范要求,这也说明橡胶沥青混合料 具有较好的耐水敏感性能。在(60 ± 1)<C、0.7 MPa条件下进行的车辙实验表明车辙动稳定 度为每毫米4 875次,这说明胶粉改性沥青混合 料的耐高温车辙性能较好。低温下沥青混合料的 小梁弯曲试验可以看作是弹性材料破坏的过程,从试验数据中得出胶粉改性沥青的破坏应变远高 于技术要求,沥青在吸收橡胶粉复合之后的弹性 提高,韧性变好,材料内部储存了较大的弹性形变 能量,因而具有较好的低温抗裂性。从抗疲劳性 能来看,在控制应变为600 fjue时能够达到 16. 88 x 104次说明橡胶沥青的抗疲劳性能良好。
 
Table 8 Properties test results of crumb rubber modified asphalt mixturePropertyExperimentalvalueTechnical index valueReferencemethodSubmerged Marshall stability/%88.5彡85JTJ 052—2000Split strength ratio/%86. 1彡80AASHTO T 283—03Dynamic stability/ (times ? mm ~1 )4 875^3 000JTJ 052—2000Beam bending test (strain}/从e4 674^2 500JTJ 052—2000Four points fatigue test x 10 ~4/times16.88AASHTO T 321—033结论a)采用活化胶粉可以制备高胶粉用量、高温 储存稳定性强且综合性能良好的胶粉改性沥青。 使用预先活化的胶粉可以缩短加工时间,降低加 工温度。
 
b)胶粉改性沥青性能随组成的变化规律表 明,不可以一味地提高胶粉用量,应该兼顾其生产成本、设备要求及使用性能等,并宜加人适量的交 联剂和活化剂以提高胶粉改性沥青的高温性能、 耐老化性能和高温储存稳定性。
 
c)采用本工作制备的胶粉改性沥青所配制 橡胶沥青混合料的抗水损害性能、高温抗车辙性 能、低温抗裂性能及抗疲劳性能等均能满足相关 技术标准的要求,路用性能良好。