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生产工艺参数对胶粉改性沥青混合料强度影响的试验研究

发布日期:2015-05-28 11:57:17
沥青混合料的力学性能依赖于生产工艺参数粘聚力和内摩阻 力,而粘聚力是由沥青与填料形成的胶浆提供。研 究发现,将废旧轮胎磨制成的橡胶粉作为外掺剂加 人到沥青中形成的胶粉改性沥青,其与矿质填料形 成的胶粉改性沥青胶浆的粘聚力大大增加,从而改 善了混合料的路用性能[|-2],因此其在国内外公路 工程中应用较为广泛。但是,实际应用中发现,由于 生产工艺较为复杂,胶粉改性沥青常常出现质量波 动现象,一些研究者认为生产工艺参数选择不合理 是质量差的根本原因。
根据美国材料与试验协会(ASTM)对胶粉改性 沥青的定义,形成胶粉改性沥青的条件为:废橡胶粉渗量要达到一'定的量,且要有特殊的揽梓方式和一' 定的反应时间使橡胶粉在热沥青中充分反应与溶 胀,并达到相应的技术指标[3-4]。可见胶粉改性沥 青在生产过程中涉及到的参数因素较多,如搅拌方 式、搅拌时间、反应温度以及胶粉掺量等。这些参数 的选择直接影响橡胶粉与沥青的反应溶胀效果,进 而影响混合料的力学性能[5-7]。本文采用不同生产 工艺参数制备胶粉改性沥青混合料,并通过力学强 度试验来分析生产工艺参数的选择对胶粉改性沥青 混合料强度的影响。
1间接拉伸(IDT)强度与混合料性能关系
沥青混合料的力学强度直接影响沥青路面的路 用性能和使用寿命,混合料强度不足,路面易发生破 坏,可见沥青混合料的路用性能是其力学性能的外 在表现。沥青混合料是由沥青结合料和矿料组成的 颗粒性复合材料,其力学特性除了与矿料摩擦阻力 有关外,还与具有明显流变特性的沥青有关,而沥青 对混合料力学特性的贡献主要依靠混合料粘聚力来 体现。
一些研究者对间接拉伸(IDT)强度与混合料粘 聚力之间的关系进行了研究,发现IDT强度与沥青 混合料的内粘聚力有非常好的相关性,两者线性相 关系数达0.98,如图1所示。从图1可以看出,IDT 强度越大,沥青混合料的粘聚力越大。沥青混合料 的整体强度有很大一部分由沥青胶浆粘聚力贡献, 所以,IDT强度增大使混合料的整体强度性能越 好[5,7]。IDT强度之所以与混合料粘聚力有很好的 相关性,是因为IDT试验是使用加载条按一定的变 形速率加载于圆柱形试件的径向,能较好地模拟车 辆作用在沥青路面上时,在混合料内部产生的两向 受拉状态。试件加载状态和破坏状态如图2所示。
胶粉改性沥青的制备有湿法和干法2种工艺。 实践表明,按干法工艺生产的胶粉改性沥青混合料 其性能达不到预期效果,所以目前通常采用湿法工 艺。湿法工艺能使橡胶粉更好地与沥青进行溶胀反
应,直接改善沥青胶浆的性能,而与矿料级配无关。 因此,选择能较好反映胶浆粘聚力的IDT强度来评 价不同工艺参数生产的胶粉改性沥青混合料的性能 是合理的。
2生产工艺参数影响分析 2.1试验原材料及配合比
基质沥青采用SK90#,废胎胶粉采用40目规 格,粗、细集料均采用石灰岩,矿粉为石灰岩矿粉,各 原材料基本技术性能均满足要求。本次试验主要研 究生产工艺参数对胶粉改性沥青混合料强度性能的 影响,因此,为了保证不同参数条件下的试验结果有 对比性,研究时采用相同的配合比。采用马歇尔方 法设计的AC-13C型矿料级配如表1所示,最终确 定的胶粉改性沥青混合料油石比为7. 1%。
2.2试验结果及分析 2.2.1参数选择
本次试验主要研究胶粉改性沥青生产过程中涉 及到的搅拌方式、搅拌温度、搅拌时间和胶粉产量4 种参数,且保持3种参数不变,改变某一种参数进行 对比试验。
搅拌方式分别选取:简单搅拌(300 r/min)、高 速剪切(3 750 r/min,筛孔状剪切内环)、高速搅拌 (2 500 r/min)、简单搅拌(15 min)+高速剪切(1 875 r/min,长孔状剪切内环)。简单搅拌米用普通液体 搅拌器,高速剪切机采用进口 fluko可调速高速乳化
表1沥青混合料AC-13C矿料级配
A rnr •试验级而3通过下列筛孔(mm1)的质量百分率/%
AC丄3 C试、与也级目L16.013.29.5 4.752. 361. 180. 6 0. 30. 150. 075
级配范围10090 〜10068 〜85 38 〜6824 〜5015 〜3810 〜28 7 〜205〜154〜8
试验级配10095.674. 0 52. 537. 524. 017. 0 10. 58. 55. 5
+ 6%胶粉掺量 12%胶粉掺量 —17.6%胶粉掺量 + 22%胶粉掺量 + 28%胶粉掺量
 
剪切机。其他参数设定为:搅拌温度180丈,搅拌时 间1 h,胶粉掺量为17. 6% (外掺)。
反应温度是影响聚合物改性沥青反应效果的一 个重要因素。本次试验还研究了在胶粉改性沥青加 工过程中,反应温度是否会直接影响混合料的性能。 试验选取170、180、190、200以及210丈五个温度, 其他参数设定为搅拌时间1 h,胶粉掺量17. 6% (外 掺),搅拌方式米用高速搅拌(2 500 r/min)。
搅拌时间和胶粉掺量是影响胶粉改性沥青性能 的另外2个重要因素,将其放在一块进行研究有如 下2条原因:一是从聚合物改性沥青的反应机理考 虑;二是参考国内外对SBS改性沥青的研究。试验 选取0.5、1.0、1.5、2.0匕四个搅拌时间,6%、12%、 17. 6%、22%、28%五个胶粉掺量(外掺)。其他参 数设定为:搅拌温度为180丈,搅拌方式采用高速搅 拌(2 500 r/min)。
2.2.2试验结果及分析
不同参数条件下生产的胶粉改性沥青混合料的 IDT试验结果如图3 ~5所示。
从图3可以看出,4种搅拌方式中,高速搅拌方 式生产的胶粉改性沥青混合料IDT强度最大,可达 0.81 MPa;简单搅拌方式最小,仅为0.66 MPa;高速 剪切与简单搅拌+高速剪切方式效果相当,表明搅 拌方式的选择对胶粉改性沥青混合料的强度有较为
I 0.9
g 0:6
Q 0.5
0.9 (2 0.85 赛0.8 ^ 0.75 g 0.7 Q 0.65 0.6
显著的影响。
4种搅拌方式IDT强度出现差异的原因在于不 同的搅拌方式造成橡胶粉在热沥青中的溶胀分散程 度不同,影响了胶粉改性沥青的粘结力,从而造成混 合料内粘聚力的差异。采用简单搅拌方式时,胶粉 在沥青中分散溶胀程度较低,生产的胶粉改性沥青 粘结力偏低;采用高速剪切方式时,虽然使胶粉分散 程度高,但剪切过程中含量较大且颗粒较粗的胶粉 会在剪切机定子和转子之间反复高速摩擦并产生大 量热量,使橡胶发生部分脱硫和裂解,这2种化学反 应均会降低胶粉对沥青的改性作用;高速搅拌方式 则不同,其不仅能使废胶粉在沥青中分散均质,还可 避免橡胶粉发生严重的脱硫和裂解反应,能够较快 地让胶粉融人沥青中,制成的胶粉改性沥青成品指 标较佳。所以,从提升混合料强度考虑,应该选择高 速搅拌方式。
分析图4发现,随着搅拌温度升高,混合料的 IDT强度基本也趋于增大,从170丈的0. 75 MPa增 大到210丈的0.86 MPa,增大较为明显。温度的升 高使废胎胶粉和沥青之间发生的物理化学反应更为 快速和高效,生产的胶粉改性沥青粘度增大,故混合 料内聚力增大,IDT强度增大。但是,沥青是感温性 材料,反应温度过高时,沥青老化较为严重,同时胶 粉内部的脱硫和裂解反应也会更严重,会致使胶粉 失去部分弹性性能,且使生产的胶粉改性沥青变硬 变脆,从而降低其低温性能。所以,生产胶粉改性沥 青时,对于搅拌温度的选择既不能太低,也不能过 高。笔者结合混合料强度的试验结果,建议搅拌温 度为180〜200丈。
1)对于每种胶粉掺量,随着搅拌时间延长,混 合料的IDT强度先增大后减小,基本在1 ~ 1. 5 h范 围内达到最大值。分析认为,当胶粉与基质沥青刚 开始作用时,胶粉吸收沥青中的轻质油分并使基质 沥青变稠;随着反应时间延长,在高温下,胶粉开始 产生脱硫反应,向塑状转变,沥青变软,混合料的粘 聚力也相应减小。这说明搅拌时间并非越长越好, 而是有一个合适的范围。
2)随着胶粉掺量增大,混合料的IDT强度增 大,每个搅拌时间条件下都是如此。因为胶粉掺量 低时,胶粉和沥青组成的两相体系主要显示出基质 沥青的一些性能,改性程度较低,故混合料强度较 低;但随着胶粉掺量的增大,经过一定温度下的搅拌 作用,有更多胶粉均质地分散、溶胀在热沥青中,改 性效果大幅提升,因此生产的胶粉改性沥青混合料 的强度也有所增大。
3)胶粉掺量为17. 6%和22%时,4个搅拌时间 的混合料IDT强度比较接近,但当胶粉掺量增加到 28%时,IDT强度却又明显增大。这是因为胶粉掺 量从6%增大到22%的过程中,胶粉在热沥青中的 分散和溶胀量在不断增加,沥青的改性程度不断加 深,当达到17. 6%时,溶胀程度接近饱和,且混合料 强度会出现一个峰值,当胶粉掺量继续增大到22% 时,混合料强度增大不再明显。当胶粉掺量增大到 28%时,多的胶粉含量使胶粉改性沥青的稠度急剧 增大,混合料强度因此也明显增大。但是试验发现, 此种情况下混合料的拌和与压实和易性不良,往往 需要更高的温度,但如此又会加剧能源的消耗和污 染气体的排放,得不偿失。所以,本研究认为 17.6%〜22%胶粉掺量比较合理。
3参数影响的灰关联分析 3.1灰关联理论
灰色关联分析主要是根据因素之间发展态势的 相似或相异程度,将发展态势进行量化比较分析来 衡量因素间的程度,且通过计算目标值(参考数列) 与影响因素(比较数列)的关联度,及关联度的排 序,来寻求影响目标值的主要因素。由于关联度分 析方法是按发展趋势进行分析,对样本量没有过多 要求,也无需典型的分布规律,计算量小,可以从众 多因素中提炼影响系统的主要因素、主要特征和因 素间系统影响的差异,且不会出现量化结果与定性 分析结果不符的情况,因此该方法具有广泛的适用 性。
关联度分析主要关心的是各相关因素行为序列 关联度的大小次序,而不完全是关联度在数值上的 大小。根据关联度的大小次序,可以对各因素的地 位作出判断。关联度按大小排列,Xi与x〇的关联度 r,越大A与x〇的发展趋势越接近,Xi对x〇的影响 越大。本文灰关联分析的一般步骤如下。
1)定参考数列:
x0= { x0(k),k = 1,2,3^rej
2)定比较数列:
x,( i= 1 ,2 ,3…m)
式中:x0(k)代表不同生产工艺参数组合的TDT强 度数列;x,代表搅拌方式、搅拌温度、搅拌时间以及 胶粉掺量4种影响因素数列;k、n、m均为自然数。 根据本文研究参数选择及其相互组合情况,取n = 18,m = 4。
3)上述原始数列作如下初值化处理。
参考数列:
>0= {x0(k)/x0(1),k=i,2,3 …18 }
比较数列:
y, =,左二1,2,3…^“二1,2,3,4}
式中:>0与y,分别是对参考数列与比较数列的初值 化,具体方法是对一个数列中的所有数据均用它的 第一个数据去除,目的在于保证各因素具有等效性 和同序性,使之无量纲化及归一化。
4)关联系数计算。关联系数计算公式为:
^(k) = (Amill +p Amax) /(A。' k) +p Amai)
式中:A0,(k)= Iy0(k)-y,(k) I,为 k 时刻 IDT 强度数 列与影响因素数列的绝对差;A„m、A„lm分别为各时 刻绝对差的最大值与最小值,一般取Amm =0;P为分 辨系数,作用在于提高灰关联系数之间的差异显著 性,一般取值为0.5。
5)关联度计算。关联度计算公式为:
r0i = (f0i(1) +f0i(2) + …f0i(k) + …+f0i(n) )/n, n =18
式中:^(k)代表k时刻因素x,对参考数列IDT的 关联系数。
3.2灰关联分析
选取胶粉改性沥青生产工艺参数搅拌方式、搅 拌温度、搅拌时间和胶粉掺量作为比较因素,选取混 合料IDT强度作为参考因素,用灰色关联方法分析 以上因素对混合料强度的影响水平,各因素的参量 值汇总如表2所示。
表2不同生产参数的混合料IDT强度结果
因素1#2#3#4#5#6#7#8#9#
IDT 强度(x„)/MPa0. 620. 70. 780.80. 890. 660. 720. 810. 71
搅拌方式(x,)333331234
搅拌温度(A)/尤180180180180180180180180180
搅拌时间(X3)/h111111111
胶粉掺量(X4)/%61217. 6222817. 617. 617. 617. 6
因素10#11#12*13#14#15#16#17#18#
IDT 强度(x„)/MPa0. 750. 790. 830.810. 860. 660. 780. 810. 72
搅拌方式(xj333333333
搅拌温度(X2)/尤170180190200210180180180180
搅拌时间(X3)/h111110. 511. 52
胶粉掺量(X4)/%17. 617. 617. 617.617. 617. 617. 617. 617. 6
注:1# ~ 18#代表试验组数。
 
按照3. 1节步骤,对影响胶粉改性沥青混合料 IDT强度的生产工艺因素进行了灰色关联分析,得 到各工艺参数的灰关联度,如表3所示。从表3中 数据可以看出,对胶粉改性沥青混合料强度性能影 响最大的是胶粉掺量和搅拌时间,搅拌温度次之,影 响最小的为搅拌方式。
表3生产工艺参数的灰关联度
参数胶粉掺量搅拌时间搅拌方式搅拌温度
灰色关联度0. 920. 880. 620. 73
影响排序1243
上述分析表明,生产工艺参数特别是胶粉掺量 和搅拌时间对胶粉改性沥青混合料的性能有较大影 响。胶粉掺量影响胶粉在沥青中的分散量,搅拌时 间影响胶粉与沥青之间的溶胀程度,因此在胶粉改 性沥青生产过程中,必须选择合理的胶粉掺量与搅 拌时间。按照本次研究结果,胶粉掺量最好在 17.6%〜22%之间,搅拌时间约为1 h。对于搅拌温 度和搅拌方式这2个相对较为次要的因素也不能忽 略,笔者建议搅拌温度为180〜200丈,搅拌方式为 高速搅拌。
4结论
本文通过不同生产工艺参数条件下生产的胶粉 改性沥青混合料的IDT试验,分析了生产工艺参数 对沥青混合料强度的影响,并通过灰关联分析了各 参数的影响程度,得到如下结论。
1) 4种搅拌方式中,高速搅拌方式生产的胶粉 改性沥青混合料强度最大,简单搅拌方式最差,推荐 采用高速搅拌方式;搅拌温度为180〜200 T;时,对 于胶粉在沥青中的热溶胀最为有利,能得到强度较 好的混合料,但超过200丈会加速沥青老化,不利于 混合料的低温性能;搅拌时间并非越长越好,而是有 一个合理的范围,建议选择1〜1.5 h; 17. 6%〜22% 的胶粉掺量比较合理,胶粉掺量较低会导致对沥青 的改性程度不够,但过高则会使沥青急剧变稠,不利 于施工和易性。
2)在影响胶粉改性沥青生产的工艺参数中,胶 粉掺量和搅拌时间是最关键的因素,搅拌温度次之, 搅拌方式影响不大。