预处理胶粉改性沥青性能影响研究

李 洋,贺晶晶,包想军,陈书军,陈双蛮,郝如升

(1. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;2. 中国水利水电第三工程局有限公司,西安 710024)

0 前 言

水工沥青混凝土目前使用的沥青多为国产70号或90号基质沥青,低温脆高温淌的特性显著,不能满足黏度高、耐老化、温度敏感性低的要求[1-2],因此需要对沥青进行改性。而道路工程多使用聚合物改性剂调整沥青性能,比如SBS、胶粉等高聚物弹性体[3-4]。研究表明[5-7],对比基质沥青,胶粉改性沥青高低温性能和水稳定性均大幅提高。此外,王国清等人[8]对大掺量胶粉改性沥青进行疲劳性能研究,胶粉(AR)掺量为30%～50%,经过沥青加速老化试验后,疲劳性能排序为:AR40>AR30>AR50>SBS>70号基质沥青。脱硫处理后的胶粉,对沥青的全项性能尤其是储存稳定性有利。董大伟[9]发现脱硫胶粉制备的改性沥青综合性能进一步大幅提升。李纯等人[10]采用力化学制备脱硫胶粉并制备改性沥青,结果表明力化学脱硫胶粉改性沥青的高低温性能、弹性和储存稳定性增强。王朝辉等人[11]为解决稳定性差的问题,制备了SBS/胶粉复合改性新疆沥青,评价了不同光热和冻融条件下的耐久性能,结果表明,SBS/CR-S沥青和SBS/CR-N沥青具有良好的储存稳定性、高低温性能和耐久性。

在大陆性季风气候条件下,抽水蓄能电站工程面临低温施工困境[12],并且沥青混凝土面板及心墙需承受复杂水力条件和水压力冲击[13]。因此,低温下沥青混凝土抗裂性能尤为重要。闫景晨等人[14-15]通过小梁弯曲实验及数字图像相关技术探究了玄武岩纤维复合布敦岩沥青改性沥青混凝土在寒冷地区的适用性,结果表明,该混凝土冻断温度及转化点温度低,裂缝宽度小,开裂关键节点延缓,低温抗裂性能优异。姜鑫龙等人[16]基于半圆弯曲试验研究了5种抗裂性能指标的适用性,结果表明:J积分能够更好地区分具有不同特征的沥青混凝土。李小斌[17]采用抗裂性能优良的新型SBS/橡胶复合改性沥青与RAP料拌合发现,复合改性沥青再生沥青混合料可延伸路面的服役温度范围6℃。付军等人[18]采用基于二维细观有限元模型和基于非接触式光学的劈裂实验方法,分析裂纹产生过程的应变状态,结果表明沥青混凝土的破坏通常始于粘结料。目前,胶粉改性沥青相关研究均以道路工程的性能指标为基准,与水利水电工程施工与应用环境适配度不高。已有的低温抗裂性能研究主要对象是沥青混凝土,胶粉改性沥青的相关研究较少,而沥青性质对混凝土低温性能至关重要。

基于此,本文选择糠醛抽出油以及微波辐射方法进行胶粉预处理,制备胶粉改性沥青,旨在分析糠醛抽出油掺量及微波辐射功率对胶粉改性沥青性能的影响以及胶粉改性沥青的低温抗裂性能,通过针入度试验、软化点试验分别表征糠醛抽出油对胶粉改性沥青中温、高温性能的影响,通过延度试验和低温弯曲蠕变试验分析低温抗裂性能,并采用布氏黏度试验、离析软化点差试验检验其工作性能,为胶粉改性沥青混凝土施工提供技术支持。

1 原材料及方法

1.1 试验原材料

(1) 研究选用的基质沥青为70号石油沥青,其主要技术性质见表1。

表1 基质沥青主要技术性质

(2) 本文选用30目废旧轮胎胶粉,其主要技术性质见表2。

表2 废旧轮胎胶粉主要技术性质

(3) 糠醛抽出油为草绿色,耐高温、高黏、低挥发、低蜡含量。是润滑油生产过程中使用溶剂提取法得到的芳烃副产品,可作为石油系橡胶油、调和沥青组分、改性沥青相容剂,其主要技术性质见表3。

表3 糠醛抽出油主要技术性质

(4) 粗集料和细集料为玄武岩轧制而成,填料为石灰岩磨细矿粉,其物理指标分别见表4、5和表6。

表4 粗集料物理指标

表5 细集料物理指标

表6 矿粉物理指标

1.2 试验方法

本文根据DL/T 5362-2018《水工沥青混凝土试验规程》进行沥青针入度、软化点、延度实验,分别表征胶粉改性沥青的中温性能、高温性能、低温性能。参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混凝土试验规程》进行布氏黏度试验、离析软化点差试验及弯曲蠕变劲度试验,表征低温抗裂性能以及工作性。

2 胶粉改性沥青制备

2.1 预处理胶粉制备

本文对胶粉进行糠醛抽出油-微波复合预处理,以改善胶粉与沥青相容性,缓解施工过程中的离析问题。具体操作过程如下:将糠醛抽出油按照一定比例掺配到胶粉中,搅拌均匀放置在55～60℃的烘箱中保温,期间需多次搅拌;保温3 h后,取出胶粉置于瓷碗中,进行微波辐射;预处理后的胶粉温度约为50～80℃,将胶粉取出晾凉后备用。

2.2 预处理胶粉改性沥青制备

预处理胶粉改性沥青的制备过程如下:① 将桶装基质沥青置于150℃烘箱中软化至流动,分装到缸子中;② 使用恒温加热台将沥青加热至160℃左右,分次加入预处理胶粉,质量为沥青质量的18%,继续升温至175～190℃,转子速度为1 000 rad/min,搅拌时间1 h;③ 放入165℃烘箱中发育0.5 h,得到预处理胶粉改性沥青,用于后续试验。

预处理胶粉改性沥青工艺参数及试验方案见表7。

表7 预处理胶粉改性沥青工艺参数及试验方案

3 试验结果及分析

3.1 针入度试验

针入度是表征中温下(25℃)沥青的稠度,针入度越大,代表稠度越小。糠醛抽出油对胶粉改性沥青针入度的影响如图1所示。

图1 胶粉改性沥青针入度

图1表明,随糠醛抽出油掺量增加,CA沥青的针入度逐渐增大。这是因为,糠醛抽出油预溶胀胶粉,减少了胶粉对沥青轻质组分的直接吸收,避免了因沥青中大量轻质组分流失导致的稠度过高,因此,糠醛抽出油预溶胀处理增大了胶粉改性沥青的针入度。糠醛抽出油掺量不超过3%时,针入度增大的幅度较大,大于3%时,针入度增加幅度较平缓。另外,糠醛抽出油掺量相同时,微波功率增大,针入度也会增大。这是因为微波破坏了胶粉的交联网状结构,胶粉与沥青互溶的过程中,胶粉更易分散。同时,从试验结果发现,调整不同的微波功率和糠醛抽出油掺量,预处理胶粉改性沥青可以达到相同的针入度,该现象表明,微波功率和糠醛抽出油掺量对胶粉改性沥青针入度的影响具有可替代性。

3.2 软化点试验

软化点一定程度上可以表征沥青的高温稳定性,软化点越高,代表沥青在高温环境下越稳定。糠醛抽出油对胶粉改性沥青软化点的影响如图2所示。

图2 胶粉改性沥青软化点

图2表明,随糠醛抽出油掺量增加,CA沥青的软化点逐渐减小。这是因为,糠醛抽出油预溶胀作用使胶粉表面蓬松,与沥青混溶程度增加,导致胶粉改性沥青变软。值得注意的是,糠醛油掺量增大的过程中,微波功率对改性沥青软化点的影响变小。

3.3 延度试验

延度表示沥青在-5℃水浴下受到拉力时抵抗断裂的能力,与沥青内聚力大小相关。糠醛抽出油对胶粉改性沥青延度的影响如图3所示。

图3 胶粉改性沥青延度

图3表明,随糠醛抽出油掺量增加,CA沥青的延度逐渐增大。这是因为经糠醛抽出油预溶胀的胶粉,与沥青相容性更好,形成了胶粉改性沥青的匀质混合物;糠醛抽出油含量越多,混合程度越均匀,胶粉核心周围过渡区薄弱面越少。糠醛抽出油掺量一定时,随微波功率增大,CA沥青延度逐渐增大。这是因为微波能定向断裂胶粉中的双硫键和碳硫键,刚性的大分子链断裂成小分子链,使胶粉在沥青中更容易分散均匀。

3.4 布氏黏度试验

黏度表征沥青抵抗剪切变形的能力。糠醛抽出油对胶粉改性沥青180℃布氏黏度的影响如图4所示。

图4 胶粉改性沥青布氏黏度

图4表明,随糠醛抽出油掺量增加,CA沥青的布氏黏度平稳降低。这是因为,糠醛抽出油补充了胶粉改性沥青中的轻质组分,可以起到降低黏度的作用。糠醛抽出油掺量不变时,微波功率对CA沥青的黏度影响显著。糠醛油掺量在0～3%时,微波功率600～1 000W,CA沥青黏度出现了大幅度降低。在1 000 W时,黏度最低,1 200 W对应的黏度略有上升,这是因为微波破坏了胶粉的交联网状结构,微波功率越大,胶粉颗粒更小,进而黏度降低在1 200 W时,黏度略微上升是因为细小的胶粉颗粒出现团聚现象;当糠醛油掺量为4%时,黏度并未出现最低点,这是因为糠醛抽出油弱化了微波辐射对胶粉的影响。

3.5 离析软化点试验

离析试验通常用来表征改性沥青的储存稳定性,离析软化点差越小,胶粉改性沥青储存稳定性越好,在存储运输过程中均匀性越好。糠醛抽出油对胶粉改性沥青离析软化点差的影响如图5所示。

图5 胶粉改性沥青离析软化点差

图5表明,随糠醛抽出油掺量增加,CA沥青的离析软化点差先减小后增大。这是因为糠醛抽出油预溶胀胶粉改善了胶粉与沥青相容性,使胶粉改性沥青储存稳定性提高。当剂量过大时,糠醛抽出油不能完全被胶粉吸收,导致胶粉改性沥青中自由的轻质组分含量增加,聚集到铝管上层;当糠醛抽出油掺量在0～3%时,CA沥青离析软化点差下降较快;当掺量大于3%时,软化点差略微增大;当糠醛抽出油掺量不变时,随微波功率增大,CA沥青离析软化点差先减小后增大;当糠醛油3%,微波功率1 000 W时,CA沥青的离析软化点差最低,为2.5℃,这表明适当的糠醛抽出油以及微波辐射功率对改善胶粉改性沥青离析有积极作用。

3.6 低温弯曲蠕变试验

低温弯曲蠕变试验是评价沥青低温抗裂性能常用的室内试验方法,基于以上沥青基本技术性质试验,糠醛抽出油为0时,CA-1000W沥青的延度最大,黏度和离析软化点差最低,3%糠醛抽出油的CA沥青离析软化点差最好,因此本节选择CA-3%沥青和CA-0%-1000W沥青(对照组),采用弯曲梁流变仪进行了3个温度下的低温弯曲蠕变试验,得到蠕变速率m和蠕变劲度S两个低温指标,m值越大,沥青应力松弛性能更好,抗裂性能越好;S值越小,沥青低温变形能力越好。胶粉改性沥青低温弯曲蠕变试验结果如图6所示。

图6 胶粉改性沥青低温弯曲蠕变试验结果

图6(a)展示微波功率对蠕变速率m的影响规律。随微波功率增大,CA沥青蠕变速率先增大后减小。减小的原因是,胶粉经1 200 W辐射功率处理后,颗粒减小反而容易团聚成大颗粒,薄弱面增大,低温下容易破坏。微波功率一定时,蠕变速率随温度降低而降低,温度越低,m降低程度更大。这是因为,低温导致沥青硬脆,进而变形能力降低。对比两种沥青,CA沥青蠕变速率较大,表明糠醛抽出油可提高沥青低温抗裂性能。

图6(b)描述了微波功率对弯曲劲度模量S的影响规律。同一温度下,劲度模量随微波功率增大先减小后增大,其最小值出现在1 000 W处。这表明,在低温下,CA-1000 W沥青抗变形能力最好。试验温度为-12℃时,不同微波功率对应的劲度模量相差较小,温度越低,微波功率对劲度模量的影响越显著。随温度减小,CA劲度模量值迅速增加,并且-24～-18℃的劲度模量增长较多,大约是-18～-12℃劲度模量增长量的两倍,这说明温度越低其抗裂性能降低越快。对比A沥青,CA沥青劲度模量更低,蠕变速率更大,表明糠醛抽出油的加入改善了应力松弛,提高了抗变形能力。

4 结 论

本文对胶粉进行糠醛抽出油与微波复合预处理,制备了胶粉改性沥青,分析了预处理方式对胶粉改性沥青中温、高温、低温性能以及工作性,主要结论如下:

(1) 糠醛抽出油-微波复合处理胶粉改性沥青软化点均大于55℃,黏度均大于1.5 Pa·s,且低温下劲度模量均小于300 MPa,表明该沥青具有黏度高、温度敏感性低特性,适用于抽水蓄能电站工程。

(2) 糠醛抽出油掺量对工作性能及低温抗变形能力有利,对胶粉改性沥青高温性能不利,但软化点均大于55℃,表明其高温性能仍满足性能要求。

(3) 考虑工作性和低温抗裂性能,推荐胶粉改性沥青的最佳糠醛抽出油掺量为3%,最佳微波功率为1 000 W。