彩色沥青混合料的设计及路用性能的影响因素

孔令云, 李春萍, 顾 韬

(1.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； 2.重庆交通大学材料科学与工程学院, 重庆 400074； 3.重庆通力高速公路养护工程有限公司, 重庆 400074)

随着中国道路建设的不断发展和完善,彩色路面逐渐进入人们的视野,因其发挥的独特作用而得到了人们的大力推广[1-3]。彩色沥青,又称彩色胶结料,是彩色路面的重要组成成分之一。目前,彩色沥青多为人工合成物质,多以石油化工产品为基础,掺加一定量的改性物质,合成出一种能够与道路石油沥青性质相似的一种材料[4-5],因此彩色沥青的原材料组成及掺配比例各家略有不同。唐仪兴等[6]通过马歇尔试验、多轮车辙仪(rotary loaded wheel tester,CPN)和紫外线辐射室内模拟等方法,研究了彩色沥青混合料的常规路用性能指标。唐新德等[7]利用钛酸酯偶联剂对彩色胶结料进行改性,提高了彩色胶结料与集料的粘附性及混合料的路用性能。赵亮等[8]通过采用SBS(styrene-buta-diene-styrene)和EVA(ethyl vinyl acetate)复合改性了C9树脂和芳烃油,得到了性能良好的浅色沥青胶结料。周月明[9]通过对三种目前中国主要的彩色路面公交专用道的性能进行对比分析,提出了双组分彩色陶瓷颗粒公交专用道彩色路面的相关技术要求和方法。赵小彦[10]通过添加SBS对彩色沥青进行性能提高,制备了3种颜色的彩色沥青,并对改性后的混合料路用性能进行了研究。徐鹏等[11]基于测力延度试验方法对车彩色沥青的低温流变性进行了研究分析。王永清等[12]基于凝胶渗透色谱法,对比分析了基质沥青与彩色沥青的相对分析质量及分布特性、相变温度、热失重温度等关系。

由前人研究成果可知,目前关于彩色胶结料、路用性能方面的标准尚未有统一的规范,依旧沿用道路沥青的标准进行要求,可以看出当前彩色胶结料和彩色混合料方面的研究工作较为丰富,而关于颜料与胶结料性能对于彩色沥青混合料的性能影响方面研究较少。考虑到重庆地区高温显著,通过四组分原材料:基础油A、树脂B、改性剂C、脱色剂D,通过大量试错性实验及正交试验,确定出四种原材料的组分配比为40∶35∶3.5∶5,通过变化改性剂的型号(100号、105号、110号、115号),加入4种不同颜色的无机颜料:氧化铁红、氧化铁黄、氧化铬绿和氧化铁蓝,制备出4种彩色胶结料Cb-a、Cb-b、Cb-c和Cb-d,结合矿料筛分试验结果,确定混合料类型为AC-13,采用规划求解的方法,对混合料进行配合比设计,制备出4种彩色沥青混合料,并对其路用性能进行了研究。

1 彩色胶结料制备机理

一般来说,高分子共聚物的制备方法包括互穿聚合物网络法、机械共混法及共聚-共混法[13]等。彩色沥青的制备通常是采用机械共混法,通过选择熔融温度相接近、弹性模量相接近的高聚物,通过高速剪切机的强剪切力,使一部分高聚物降解成一定数量的接枝聚合物或者嵌段聚合物,从而使得不同的聚合物基团直接相容。目前在彩色胶结料制备方面,普遍是采用树脂加基础油共混体系,通过加入不同的改性剂、不同粒径颜料提高彩色胶结料的综合性能,通过设备强力剪切,形成颜料-基础油-改性剂三者稳定体系,从而制得高分子聚合物:彩色胶结料。荧光显微镜下通过机械共混法混合均匀的彩色胶结料如图1所示。

2 试验材料

2.1 原材料

2.1.1 彩色胶结料

采用彩色胶结料为自制,原材料中,基础油A是一种芳烃油,起着饱和分和芳香分的作用,树脂B可以增加胶结料的黏性,起着胶质的作用,改性剂C是一种蜡,起着改善胶结料的高、低温性能的作用,脱色剂D起着改善胶结料颜色的作用,这4种物质的性能指标如表1～表4所示。4种无机颜料分别是氧化铁红、氧化铁黄、氧化铬绿和氧化铁蓝,其平均粒径分别为1.07、1.52、0.81、1.21 μm,彩色胶结料原材料如图2所示。

2.1.2 集料

选用玄武岩骨料,骨料规格为碎石,参考《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)[14]、《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[15]测定集料各项指标,粗细集料基本性能指标符合规范要求。

图1 荧光显微镜下的彩色胶结料体系Fig.1 Color binder system under fluorescence microscope

表1 基础油A的性能指标

表2 树脂B的性能指标

表3 改性剂C的技术指标

表4 脱色剂D的性能指标

图2 彩色胶结料原材料图Fig.2 Raw material drawing of color cementing material

2.1.3 填料

填料由矿粉和无机颜料构成。矿粉的主要成分是CaCO3和Ca(OH)2,加入混合料后,它们显现碱性,可以中和彩色胶结料和玄武岩中的酸性组分,从而增加胶结料对集料的黏附性；4种无机颜料试验前进行加热处理,以防止水分存在。

2.2 彩色胶结料的制备

将烘箱、油浴锅温度设置在170 ℃,预热10～15 min；按预定比例,称取原材料装于容器中,均匀搅拌。搅拌均匀后将容器置于烘箱中,加热使之呈流动状；然后将容器置于油浴锅中,设置锅内温度170 ℃,开启高速剪切机进行高速剪切,时间为30～60 min,使各成分充分融合反应,直至剪切成流动液体状,即制备出彩色胶结料。参照《公路工程沥青及沥青混合料试规程》(JTG E20—2011)[16]的相关试验方法及《彩色沥青结合料》(JT/T 1128—2017)[17]的指标要求,对制备的4种彩色胶结料进行针入度、延度、软化点、黏度等常规性能试验,试验结果如表5所示。

3 彩色沥青混合料配合比设计

3.1 矿料级配的确定

结合矿料筛分试验结果,确定混合料类型为AC-13,采用规划求解的方法,拟定级配Ⅰ、级配Ⅱ,以油石比为5%为基础,发现在空隙率方面,级配Ⅱ<级配Ⅰ,且在规范要求外,故选用级配I进行后续试验,集料级配曲线如图3所示。

图3 级配曲线Fig.3 Grading curve

3.2 最佳胶结料用量的确定

由于4种胶结料中,采用的改性剂C软化点不同,所以每种胶结料都应确定其最佳胶结料用量。以彩色沥青混合料-A(colored asphalt mixture-A，CAM-A)彩色沥青混合料为例,以0.3%为间隔,分别采用4.6%、4.9%、5.2%、5.5%、5.8%这5种油石比成型马歇尔试件,试验结果如表6所示,混合料体积参数如图4所示,通过获取密度最大值(a1)、稳定度最大值(a2)、空隙率中值(a3)、饱和度中值(a4),求得OAC1=5.51,OAC2=5.11[最佳沥青用量(optimum asphalt content,OAC)],CAM-A的最佳油石比为5.31%,同理对CAM-B、CAM-C、CAM-D3种混合料采用同样的方式,确定出4种彩色沥青混合料的最佳油石比,其具体体积参数和马歇尔指标如表7所示。

3.3 最佳颜料用量的确定

表5 彩色胶结料性能指标

表6 CAM-A彩色沥青混合料试验结果汇总表

图4 油石比与马歇尔试验指标的关系曲线Fig.4 Relation curve between bitumen aggregate ratio and Marshall test index

表7 最佳油石比下,各试件的马歇尔指标

以料粉比(颜料与矿粉的比例)指标进行颜料用量控制,以CAM-D彩色沥青混合料为例,在最佳油石比5.27%下,探究不同颜料、不同料粉比与马歇尔试验结果间的关系,部分马歇尔试件如图5所示,试验结果如图6所示。考虑到流值和稳定度,决定采用25%为最佳料粉比进行后续研究。

图5 4种马歇尔试件Fig.5 Four Marshall test pieces

图6 不同料粉比下彩色沥青稳定度和流值Fig.6 Stability and flow value of colored asphalt under different material powder ratio

4 彩色沥青混合料路用性能

4.1 高温性能

图7 彩色沥青混合料动稳定度试验结果Fig.7 Dynamic stability test results of colored asphalt mixture

4种彩色沥青混合料CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D在最佳油石比条件下,料粉比为25%,进行车辙试验,其动稳定度结果如图7所示,结果均大于2 400次/min,符合技术要求。同时从图7可以看出，CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D彩色沥青混合料在不同颜料下均呈现一种相同的规律:①从胶结料性能来看,软化点依次为Cb-D>Cb-C>Cb-B>Cb-A,Cb-D胶结料加入了软化点较高的树脂,从而使得聚合物的分子链及长链段发生交联、扩散效果,提高了彩色沥青胶结料从玻璃态转变温度及黏流态转变温度,从而使得软化点越高的胶结料,混合料动稳定度越高；②颜料平均粒径依次为:黄色颜料>蓝色颜料>红色颜料>绿色颜料,而动稳定度数据,黄色混合料>蓝色混合料>红色混合料>绿色颜料混合料相对应,颜料粒径较大的,其具有的表面自由能相对较小,因此绿色颜料可能在制备过程中相对其他颜料存在聚团和分散不均匀现象,从而使得混合料高温性能弱于其他几种颜色的混合料。因此在研究条件下发现颜料平均粒径越大,混合料动稳定度越高；③除绿色混合料极少数数据与无色混合料无明显差异,从图7可以看出,颜料的加入,能与胶结料具有良好的相容性,改善其高温性能,能够提高彩色沥青混合料的动稳定度。

4.2 低温性能

图8 彩色沥青混合料抗弯拉强度试验结果Fig.8 Test results of flexural tensilestrength of colored asphalt mixture

图9 彩色沥青混合料最大弯拉应变试验结果Fig.9 Test results of maximum bending tensile strain of colored asphalt mixture

图10 色沥青混合料弯曲劲度模量试验结果Fig.10 Bending stiffness modulus test results of colored asphalt mixture

CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D在最佳油石比条件下,料粉比为25%,进行弯曲蠕变试验,其弯拉强度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量结果如图8～图10所示,其中最大弯拉应变均大于2 000 με,满足技术要求。最大弯拉应变大、劲度模量小,则彩色沥青混合料的低温性能就更好。从图8～图10可以看出CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D彩色沥青混合料在不同颜料下均呈现一种相同的规律:①从胶结料本身性能来看,5 ℃延度依次为:Cb-C>Cb-D>Cb-A>Cb-B,而抗弯拉强度、最大弯拉应变依次为:CAM-C>CAM-D>CAM-A>CAM-B，因此5 ℃延度越高的胶结料,其在低温条件下抵抗变形能力就越强,混合料抗弯拉强度、最大弯拉应变越高；②在颜料粒径方面:颜料平均粒径越小,混合料抗弯拉强度、最大弯拉应变越高；③氧化铁系列颜料对混合料的抗弯拉强度、最大弯拉应变有一定的降低作用。

4.3 水稳定性

图11 彩色沥青混合料残留稳定度试验结果Fig.11 Residual stability test results of colored asphalt mixture

图12 彩色沥青混合料劈裂强度比试验结果Fig.12 Test results of splitting strength ratio of colored asphalt mixture

4种彩色沥青混合料CAM-A、CAM-B、CAM-C、CAM-D在最佳油石比条件下,料粉比为25%,进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验,其试验结果如图11、图12所示。4种颜色和无色彩色沥青混合料浸水马歇尔试验的残留稳定度均满足设计要求(不小于80%),冻融劈裂试验的冻融劈裂强度比满足最低设计要求(不小于75%)。

彩色混合料在不同颜料下呈现共同规律:①软化点、135 ℃旋转黏度越高的胶结料,树脂发生增黏效果就越明显,混合料残留稳定度、劈裂强度比越高；②氧化铁系列平均粒径与混合料的残留稳定度、劈裂强度比成正比；③相比有色混合料,无色混合料的残留稳定度、劈裂强度比最低,因此颜料的添加能提高混合料的残留稳定度、劈裂强度比。

5 结论

基于4组分的原材料,通过变化改性剂C的软化点,制备出4种不同型号的彩色胶结料；基于料粉比的概念,控制最佳颜料的用量；通过对不同颜料下的4种彩色沥青混合料进行路用性能对比试验,得出如下结论。

(1)颜料的加入能够有效提高混合料的高温稳定性、水稳定性。

(2)在提高混合料高温稳定性方面,可以选用软化点更好的胶结料,平均粒径更大的颜料来制备混合料；在提高混合料低温性能方面,选用5 ℃延度更好的胶结料,平均粒径更小的颜料效果较好；在提高混合料水稳定性方面,可以选用软化点更高、135 ℃旋转黏度更高的胶结料,同系列颜料采用平均粒径更大的颜料来制备混合料。

(3)氧化铁系列颜料对混合料的抗弯拉强度、最大弯拉应变有一定的降低作用。