胶粉对基质沥青路用性能的影响研究.pdf

Aug.2023年8 月Shanxi Science&Technology of TransportationNo.4第4期（总第2 8 3期）山西交通科技胶粉对基质沥青路用性能的影响研究梁毓珂（山西省公路局长治分局，山西长治046600)摘要：为研究脱硫胶粉改性沥青相对普通胶粉改性沥青的优越性，对两种沥青开展了红外光谱测试、黏度试验、存储稳定性试验、高温性能试验、老化性能试验，分析了两种沥青路用性能的优劣。结果表明：两种胶粉改性沥青生产过程物理共混占主导；脱硫胶粉改性沥青的拌和温度、压实温度明显低于普通胶粉改性沥青；静止状态下两种胶粉改性沥青离析均很严重，但通过搅拌，脱硫胶粉的性能恢复速度远快于普通胶粉改性沥青；RTFOT脱硫胶粉改性沥青的车辙因子大于普通胶粉改性沥青，但普通胶粉改性沥青的抗老化性能优于脱硫胶粉改性沥青。关键词：公路工程；脱硫胶粉；改性沥青；性能试验中图分类号：U414.75文献标识码：A文章编号：10 0 6-352 8（2 0 2 3）0 4-0 0 0 8-0 4Study on InfluencesofRubberPowderonRoadPerformanceof Matrix AsphaltLIANGYuke(Changzhi Branch of Shanxi Provincial Highway Bureau,Changzhi,Shanxi 046600,China)Abstract:To study the superiority of desulfurized rubber powder modified asphalt over ordinary rubberpowder modified asphalt,this paper conducted the infrared spectroscopy test,viscosity test,storage stabilitytest,high-temperature performance test,and aging performance test to analyze the advantagessanddisadvantages of these two types of asphalt.The results showed that the physical blending dominated theproduction process of the two types of rubber powder modified asphalt.The mixing temperature andcompaction temperature of desulfurized rubber powder modified asphalt were significantly lower than those ofordinary rubber powder modified asphalt.Under the static state,the segregation of these two asphalts wassevere,but through the mixing,the performance recovery of desulfurized rubber powder modified asphalt wasfaster than that of ordinary rubber powder modified asphalt.The rutting factor of the RTFOT desulfurizedrubber powder modified asphalt was larger than that of ordinary rubber powder modified asphalt,while theaging performance of ordinary rubber powder modified asphalt was better than that of desulfurized rubberpowder modified asphalt.Key words:highway engineering;desulfurized rubber powder;modified asphalt;performance test0引言胶粉改性沥青相对基质沥青而言，具有明显的高温性能优势，它充分利用了废旧轮胎，环保效益明显。但是在使用过程中，胶粉改性沥青也具有明显的缺陷，主要表现为胶粉对基质沥青的低温性能提升明显低于高温性能。胶粉改性沥青施工时，施工难度较大，同时，胶粉中含有大量的硫化物，施工过程中对周边环境及施工人员健康影响较大。另外，普通橡胶粉在与基质沥青混合时，不容易发生溶胀，进而导致胶粉和沥青混溶难度比较大，再加上橡胶粉和基质沥青之间的反应较小，无法形成稳定的三维网络结构，最终导致胶粉改性沥青的存储稳定性差。脱硫胶粉采用一定的手段将硫化胶联键断裂，最终使胶粉的性能趋于稳定 2 。大量学者研究了采用干法制备胶粉改性沥青混合料，夏娟等 3 研究了基质沥青与橡胶粉在高温状态下的作收稿日期：2 0 2 2-12-2 7；修回日期：2 0 2 3-0 3-15作者简介：梁毓珂（19 8 7 一），女，山西长治人，工程师，2 0 12 年毕业于中央广播电视大学土木工程专业。梁毓珂：胶粉对基质沥青路用性能的影响研究2023年第4期用机理，采用布氏黏度仪对胶粉改性沥青的各项指标进行了研究，发现脱硫胶粉改性沥青的黏度低于普通胶粉改性沥青；吕泉等 4 研究了脱硫胶粉与基质沥青的相容性能，得出脱硫胶粉可以完全溶解于基质沥青，并且与基质沥青的相容性强。徐全鹏等5得出脱硫胶粉/SBS复合改性沥青的感温性降低，脱硫胶粉掺量18%、S BS 掺量3%的复合改性沥青的性能最优。目前，大部分学者都对脱硫胶粉改性沥青开展了各方面的研究，但尚未系统地从两种胶粉改性沥青的红外光谱、黏度变化、存储稳定性、抗老化性、耐高温性等方面进行研究，评价脱硫胶粉的路用性能。1原材料1.1基质沥青选用埃索9 0 号A级基质沥青为研究对象，其指标均满足规范 6 要求。基质沥青性能见表1。表190号A级基质沥青性能试验项目测试结果技术要求针入度(2 5,5s,100g)/0.1mm91.080100软化点（TR&B)/4544延度（5cm/min，10)/c m35.0301.2胶粉试验用胶粉为普通30 目胶粉和脱硫30 目胶粉两种。普通胶粉采用货车轮胎全胎磨碎而成。脱硫胶粉采用双连杆剪切脱硫法制作而成。1.3矿粉矿粉采用石灰岩磨细制作而成，技术要求符合规范要求，0.0 7 5mm通过率为8 1%，矿粉检测结果见表2。表2 矿粉检测结果检验项目项目要求检验值表观密度/gcm)2.52.663含水量/%10.3外观无团粒结块无团粒结块亲水系数10.6塑性指数43加热安定性实测记录无明显变化0.6 mm100100粒度范0.3 mm99.5围/%0.15 mm9010091.70.075 mm7510081.02试样制备2.1普通胶粉改性沥青的制备将基质沥青加热到18 0，随后加人普通胶粉，普通胶粉掺量为内掺2 2%，通过普通搅拌机搅拌30 min溶胀，再用40 0 0 r/min高速剪切机剪切6 0 min，最后再用普通搅拌机搅拌30 min发育，即可制成胶粉改性沥青。将基质沥青加热到17 0，加人基质沥青内掺质量22%的脱硫胶粉，用普通搅拌机搅拌30 min溶胀，再用高速剪切机剪切6 0 min，最后用普通搅拌机搅拌30 min发育即可制作成脱硫胶粉改性沥青。2.2胶粉沥青胶浆的制备基质沥青加热到150，普通胶粉沥青加热到180，脱硫胶粉沥青加热到17 0，按照2.5的粉胶比，将矿粉缓慢加人并均匀搅拌，直至胶浆均匀、无色差为止。3试验及分析3.1红外光谱分析采用傅立叶红外变换光谱仪对9 0 号基质沥青、脱硫胶粉改性沥青、普通胶粉改性沥青进行扫描试验，对比3种沥青红外光谱图谱，对比结果见图1。普通胶粉改性沥青基质沥青4000350030002500200015001000波数/cm-1脱硫胶粉改性沥青基质沥青4000350030002500200015001000波数/cml图1基质沥青与普通胶粉改性沥青、脱硫胶粉改性沥青透过率图两种改性沥青相较基质沥青来讲，在2 36 3cm处均存在波峰消失，而2 36 3cm处基质沥青主要表现为C=C的伸缩振动，两种改性沥青在此处均无振动，表明两种改性沥青均发生化学反应，形成了新的化学键，另外，两种改性沥青与基质沥青的基本走势相同，加入的两种胶粉对基质沥青尚未发生较为剧烈的化学反应。3.2黏度分析现有规范中改性沥青的拌和温度和压实温度不是以黏温曲线确定，而是采用普通沥青的施工温度增加约2 0 得来，这就使不同改性沥青的温度确定具有了很大的不确定性，依据单双成等 7 的研究成果，改性沥青及其胶浆的黏度变化规律与基质沥青不同，采用沥青胶浆的黏度/温度变化规律确定拌和温度和压实温10山西交通科技2023年第4期度更接近实际。所以，采用规范中基质沥青拌和黏度(0.170.02)Pas和压实黏度（0.2 8 0.0 3）Pas作为切人点，导出基质沥青的拌和压实温度，在沥青胶浆图中查找基质沥青的拌和黏度、压实黏度，再以此拌和黏度、压实黏度分别查出对应的各改性沥青的拌和温度、压实温度。16141210864290110130150170温度/a.基质沥青+基质沥青胶浆一胶粉改性沥青胶浆脱硫胶粉改性沥青胶浆110130150170190210温度/b.沥青胶浆图2基质/改性沥青胶浆黏度图由图2 可知，基质沥青拌和黏度（0.17 0.0 2)Pas和压实黏度（0.2 8 0.0 3）Pas时，对应的拌和温度为153160，压实温度为140 145.8。将以上温度带人图2 b中，得出基质沥青胶浆的拌和黏度为0.9 1.29Pas，压实黏度1.8 7 2.5Pas。黏度对施工拌和过程难易程度起主要作用，所以，为获得与基质沥青相同的和易性能，各改性沥青的黏度也选基质沥青胶浆的黏度，通过普通胶粉胶浆、脱硫胶粉胶浆计算得普通胶粉沥青的拌和温度为19 5 2 0 5，压实温度为180187；脱硫胶粉沥青的拌和温度为16 6 175，压实温度为151 158。脱硫胶粉改性沥青的拌和、压实温度低于普通胶粉改性沥青，主要原因为，当胶粉脱硫后，胶粉中的交联网络受到破坏，胶粉颗粒表面变得更为粗糙，基质沥青更容易渗人胶粉颗粒中，大颗粒的胶粉得到更为充分的溶解，脱硫胶粉沥青的均匀性得到进一步的保障。3.3存储稳定性分析采用JTGT0661一2 0 11开展普通胶粉改性沥青和脱硫胶粉改性沥青的离析试验，试验结果见表3。表3胶粉改性沥青离析软化点差试验结果单位：上层沥青下层沥青沥青沥青技术要求软化点软化点软化点差普通胶粉改性沥青70.364.55.8绝对值2脱硫胶粉改性沥青66.774.57.8绝对值 2由表3可知，在静止状态下，48 h后脱硫胶粉和普通胶粉沥青均存在离析的问题，表现为48 h后离析软化点差均超出规范要求。均匀状态下，胶粉沥青、脱硫胶粉沥青的软化点分别为6 4、6 5，16 3静置48 h后，普通胶粉改性沥青表现为胶粉上浮，上层沥青的软化点变大；脱硫胶粉改性沥青表现为胶粉下沉，下层沥青的软化点变大。表明两种胶粉改性沥青在静置状态下存储均无法使用。进一步研究了在16 3静置48 h后，再将脱硫胶粉改性沥青和普通胶粉改性沥青加热到18 0，分别通过搅拌机搅拌0 min、3m i n、6 m i n、9 m i n 后测定各时间结点的离析软化点差，测试结果见表4。表4不同搅拌时间后沥青离析软化点差试验结果单位：不同搅拌时间沥青离析软化点差沥青技术要求0 min3min6min9min普通胶粉改性沥青5.84.63.12.9绝对值 2脱硫胶粉改性沥青7.82.11.51.2绝对值 2由表4可知，在搅拌的条件下，普通胶粉改性沥青的离析软化点差趋于合格的难度远大于脱硫胶粉改性沥青，且搅拌9 min后，普通胶粉改性沥青的离析软化点差尚不能满足规范要求，而脱硫胶粉改性沥青约搅拌4min后，即可满足离析软化点差绝对值2 的要求，也进一步说明了脱硫胶粉改性沥青在抗离析方面具有更强的优势3.4高温性能分析采用AASHTOTP5试验方法，分别对原样普通胶粉改性沥青、脱硫胶粉改性沥青、短期老化后的普通胶粉改性沥青及脱硫胶粉改性沥青开展DSR试验，以5288的温度为区间，测试4个沥青样品的相位角8和复数剪切模量G*，试验结果见图3、图4。85+原样脱硫胶粉改性沥青80+原样普通胶粉改性沥青75706560RTFOT脱硫胶粉改性沥青55*RTFOT普通胶粉改性沥青50405060708090100温度/图3胶粉沥青的相位角从图3可知，4个胶粉沥青样品随温度的升高，动态剪切流变试验中相位角逐渐变大，黏性性能逐渐变大，而RTFOT普通胶粉改性沥青的相位角增速最小，RTFOT脱硫胶粉改性沥青相位角增速最大，主要原因为普通胶粉在脱硫活化剂的作用下,其中部分S-O键、S-C键得到破坏，使普通胶粉的致密结构变得疏松，在加热后的沥青中抵抗变形能力变差，同时在老化过程中胶粉中橡胶油进一步析出，导致随温度的提升，RTFOT脱硫胶粉改性沥青抵抗弹性变形能力不及11梁毓珂：胶粉对基质沥路用性能的影响研究2023年第4期RTFOT普通胶粉改性沥青40r+原样脱硫胶粉改性沥青35原样普通胶粉改性沥青30RTFOT脱硫胶粉改性沥青25*RTFOT普通胶粉改性沥青201510550556065.70.7580859095温度/图4胶粉沥青的车辙因子从图4可知，综合考虑复数剪切模量G*和相位角8时，RTFOT脱硫胶粉改性沥青的车辙因子最大，虽然相位角随温度的升高黏性成分进一步增加，但抗车辙性能相对其他样品最强，因为经脱硫活化剂将胶粉中大部分硫分析出后，胶粉沥青在拌和过程中均匀性更加容易保证，并在短期老化过程中析出大量芳烃油，使胶粉在基质沥青中溶胀效果更加明显，性能表现更为优越。3.5老化性能分析依据旋转膜烘箱试验方法及压力老化试验方法，对普通胶粉改性沥青及脱硫胶粉改性沥青进行短期及长期老化试验，研究两种改性沥青的差异。试验结果见图5。50704568406658556054原始短期老化长期老化原始短期老化长期老化a.针人度b.软化点903.080(s.d)/转弹2.5%2.030200.51000原始短期老化长期老化原始短期老化长期老化c.弹性恢复d.旋转黏度250r0.360.352000.341500.330.321000.310.30500.290.28原始短期老化长期老化原始短期老化长期老化e.低温劲度f.蠕变速率脱硫胶粉改性沥青咖普通胶粉改性沥青图5两种沥青老化后各性能指标变化随老化程度的延长，普通胶粉改性沥青及脱硫胶粉改性沥青均出现针入度降低、软化点升高、弹性恢复性能降低、旋转黏度增加、低温劲度模量增加、蠕变速率降低的现象。老化前后，普通胶粉改性沥青的软化点、旋转黏度均远高于脱硫胶粉改性沥青，脱硫胶粉改性沥青的蠕变速率远高于普通胶粉改性沥青，普通胶粉改性沥青的抗老化性能强于脱硫胶粉改性沥青。主要原因为，当胶粉脱硫时，胶粉中的抗氧化剂等成份被分解、脱去，造成脱硫胶粉改性沥青的整体抗老化性能降低，低温变速率变化较大，低温敏感性变强4结论a)制作脱硫胶粉改性沥青、普通胶粉改性沥青时，胶粉与沥青均发生轻微的化学反应，红外图谱中只产生极小的官能团改变，表明胶粉沥青生产过程物理共混占主导。b)普通胶粉沥青的拌和温度为19 5 2 0 5,压实温度为18 0 18 7；脱硫胶粉改性沥青的拌和温度为166175,压实温度为151 158。脱硫胶粉改性沥青的拌和温度、压实温度明显低于普通胶粉改性沥青。c)在静止状态下脱硫胶粉改性沥青、普通胶粉改性沥青48 h后离析软化点差均超出规范不大于2%的技术要求，但通过搅拌，脱硫胶粉的性能恢复速度远快于普通胶粉改性沥青。（下转第15页）上接第11页）152023年第4期吕子龙机制砂在C50混凝土中的应用研究物过度黏稠影响泵送性，因此C50机制砂混凝土的生产过程中必须严格控制石粉的含量，不宜超过9%。由图3可知，C50机制砂混凝土7 d抗压强度增长迅速，石粉含量3%11%时7 d强度均已超过50 MPa，当石粉含量在5%9%范围内变化时，混凝土2 8 d抗压强度均超过了6 0 MPa，完全满足C50混凝土的强度设计要求；C50机制砂混凝土7 d与2 8 d强度随着石粉含量的提高均出现了先增长后下降的趋势，这与任文莲9 的研究结果相同，机制砂中的石粉含量存在最佳区间，此时各龄期强度最佳，这是因为石粉的引人可以完善混凝土的孔隙结构，提高水化产物与集料界面区的密实度 0 。另外一部分粒度较小的石灰岩石粉可以作为成核剂，促进水化产物Ca(OH),和C-S-H晶体的形成，加速了水化反应过程，因此适量的石粉可以提高混凝土的抗压强度。当石粉含量超过一定限度后，过多的石粉在混凝土中起了惰性作用，同时减小了混凝土中粗集料的骨架作用!,石粉吸收过量的水分导致浆体黏稠度过大，影响了混凝土的密实结构，造成强度降低。3结论本文采用隧道弃渣制备的机制砂来配置C50混凝土，研究水灰比、砂率和机制砂石粉含量对C50机制砂混凝土工作性和抗压强度的影响，通过试验数据分析得出如下结论：a)C50机制砂混凝土对水灰比的变化比较敏感，在混凝土的拌合生产过程中需严格控制用水量的变化，建议C50机制砂混凝土水灰比取值为0.32 0.34之间。b）砂率控制在41%44%之间可以配置得到工作性能优良，力学性能符合要求的C50机制砂混凝土。d)RTFOT脱硫胶粉改性沥青的车辙因子最大，表明老化后的脱硫胶粉改性沥青抗车辙性能相对其他样品最优。从老化方面讲，普通胶粉改性沥青的软化点、旋转黏度均远高于脱硫胶粉改性沥青，脱硫胶粉改性沥青的蠕变速率远高于普通胶粉改性沥青，普通胶粉改性沥青的抗老化性能强于脱硫胶粉改性沥青。参考文献：1黄文元，张隐西.路面工程用橡胶沥青的反应机理与进程控制 J.公路交通科技，2 0 0 6,2 3（11)：5-9.2胡吉良，杜丹超，李晓林，等，硫化胶粉与脱硫胶粉改性沥青性在配合比设计过程中，应避免砂率低于41%的情况；当砂率高于44%时，应注意调整水灰比或者减水剂的掺量，来保证混凝土具有良好的工作性能。c)机制砂中的石粉含量并不是越低越好，石粉可以改善机制砂混凝土的保水性和黏聚性，并参与水化过程提高抗压强度；但石粉含量超过9%后会产生不利影响，因此C50机制砂混凝土的生产中需严格测定每一批次机制砂的石粉含量，控制石粉含量不能超过9%，当石粉含量变化浮动较大时需及时调整配合比。参考文献：1江丰，孟昭富.机制砂配制高性能混凝土在大跨度预应力T型刚构桥中的应用 J.建筑技术开发，2 0 0 3,30（4：4.2 张会芝，刘纪峰.南水北调某标段全机制砂混凝土配合比试验 J.河南科技大学学报（自然科学版），2 0 13，34（1）：6 4-6 8.3 罗建国，荆禄波，梁胜国.浅谈机制砂的制备技术与质量管理 J山西交通科技，2 0 0 9（5）：43-4553.4吴志俊，田瑞芳，赵秀文，等.隧道弃渣在忻阜高速公路中的综合应用 J.公路交通科技（应用技术版），2 0 11，7（4）：11-12.5翟鹏飞.粉煤灰机制砂混凝土在G208线夏店互通立交桥中的应用 J.科学之友（B版），2 0 0 9（2）：2 3-2 4，2 6.6薛翠真，申爱琴，郭寅川，等.基于正交试验的掺CWCPM的小型混凝土配合比优化设计 J.材料导报，2 0 16，30（16)：115-119.7刘秀美.机制砂作混凝土细骨料的研究 D.济南：济南大学，2013.8中国建筑科学研究院.普通混凝土用砂石质量及检验方法标准：JGJ52一2 0 0 6 S.北京：人民交通出版社，2 0 0 7.9】任文莲.浅谈机制砂在水泥混凝土中的应用 .山西交通科技,2 0 17(2):8-10.10李北星，尹立愿，冯紫豪，等.石粉含量对C60机制砂海工混凝土耐久性的影响研究 J.混凝土，2 0 17（10)：16 9-17 3.11解鹏丽.天津地区人工砂在市政工程混凝土中应用技术研究 D.天津：天津大学，2 0 0 8.能研究 J.特种橡胶制品，2 0 14（5）：5-8.3 夏夏娟，吴旷怀，凌宏杰.脱硫过程对废胶粉改性沥青粘度的影响 J.石油沥青，2 0 0 9,2 3（3）：4-6.4吕泉，黄卫东，柴冲冲.Terminal Blending橡胶沥青的特性与应用前景 J.重庆交通大学学报（自然科学版），2 0 14,33（4）：5-7.5 徐全鹏，侯宗良，杨波，等.脱硫胶粉/SBS复合改性沥青的制备与性能研究 J.土木工程,2 0 2 1,10(2)：14-17.6交通部公路科学研究所.公路沥青路面施工技术规范：JTGF40一2 0 0 4 S.北京：人民交通出版社，2 0 0 4.7单双成，陈维勇，刘瑶.改性沥青及其胶浆的黏度与压实温度研究 J.公路，2 0 15，6 0（8)：2 10-2 13.