高寒高海拔地区TOR_胶粉改性沥青老化性能评价.pdf

作者简介高生芳()女工程师主要研究方向:公路工程施工安全高寒高海拔地区/胶粉改性沥青老化性能评价高生芳(青海省果洛公路工程建设有限公司 西宁)摘 要:为更好地促进高寒高海拔地区橡胶粉改性沥青的工程化应用使用胶粉、/胶粉制备了胶粉改性沥青()与/胶粉改性沥青()并与 基质沥青()在短期老化条件下测试其软化点、胶粉降解率在长期老化条件下(室外暴晒、模拟室外老化)测试其针入度()、软化点、延度、劲度模量、抗剪强度等指标分析其稠度、黏度、延性、耐老化等路用性能 结果表明:的路用性能提升效果较为显著且减少了老化过程中的胶粉降解随老化时间的延长三种沥青路用性能均下降但于老化初期、的软化点均下降后随老化时间而迅速上升其与老化初期改性沥青体系微观上主要表现为交联结构的瓦解有关关键词:高寒高海拔地区胶粉改性沥青复合改性路用性能道路工程 /(.):()/()/().()().:第 期青海交通科技 引言轮胎等橡胶制品废弃后会造成严重的环境污染问题如何使废旧轮胎“变废为宝”已成为环保与绿色协同发展的一个重要课题 道阻且长行则将至目前我国的废旧轮胎综合利用领域经过多年发展已形成了四大业务板块其中胶粉生产是公认的废旧轮胎资源化、无害化的加工再生利用方式 目前学者在胶粉改性沥青领域进行了大量研究 例如:胶粉改性沥青机理、胶粉改性沥青的制备工艺与路用性能分析以及胶粉改性沥青的路面工程化应用 尽管胶粉颗粒的表面网状结构可以较好地吸附沥青于沥青体系中形成稳定的物理交联非均相结构提高沥青的弹性成分但单一胶粉改性沥青对沥青的性能提升有限将胶粉与稳定剂、塑料等复掺于沥青中进行改性可结合两者优点共同改善沥青性能 格尔木地区海拔高气候寒冷空气稀薄辐射强水汽少易导致沥青老化且沥青的老化后性能有较大程度劣化为使胶粉改性沥青广泛应用于高寒高海拔地区有必要对沥青、胶粉改性沥青在格尔木等地区长期服役条件下的路用性能进行研究 等分析了纳米/胶粉改性沥青的抗紫外线老化性能 等基于分子动力学模拟探究了/胶粉复合改性沥青在紫外线老化条件下的路用性能变化认为复合改性沥青较单一改性沥青能更好地提升路面的路用性能辛烯聚合物橡胶维他连接剂()由德国生产是一种以环辛烯为单体的双键结构聚合物其可连接沥青与胶粉中的硫形成环、链状聚合物从而提高胶粉改性沥青的稳定性能 本文将使用基 质 沥 青()制 备 胶 粉 改 性 沥 青()、/胶粉改性沥青()研究三种沥青在短期老化后的黏度变化与老化稳定性将三种沥青在格尔木地区进行室外暴晒试验研究其三大指标变化使用环境箱模拟室外老化分析老化后沥青的基础指标、劲度模量与抗剪强度变化为高寒高海拔地区橡胶粉改性沥青的路面应用提供指导 实验.原材料试验用沥青为韩国 基质沥青与橡胶粉改性 沥青按公路工程沥青及沥青混合料试验规程()测试相关指标其测试结果如表 表 基质沥青技术指标技术指标测试结果 沥青胶粉改性沥青技术要求试验方法针入度()/.延度()/延度()/.软化点/.弹性恢复/.密度/.()质量损失/.残留延度/残留针入度/.青海交通科技 第 期试验用复合改性剂聚辛烯橡胶维他连接剂()由德国生产其可以同橡胶粉、沥青发生复杂化学反应提高其各项性能.试验设计试验方案如图 所示 将 基质沥青()进 行 胶 粉 改 性 后 得 到 胶 粉 改 性 沥 青()再使用 与胶粉复合改性沥青后得到/胶粉改性沥青()将三种沥青在不同老化条件下进行老化试验测试沥青老化后的相关指标图 试验方案设计 格尔木“公路路用材料耐久性暴露试验场”的气象数据统计如图 依据太阳光辐射量与日均气温选用 月 日至 月 日(共 月)作为室外暴晒老化时间 模拟室外老化环境箱设定温度范围如表 所示以 为循环单位进行沥青样品老化试验(循环次数为、)对应室外老化时间为、月图 格尔木地区气象数据图表 恒温恒热阳光试验机设定温度设定温度温度稳定时间/第 期青海交通科技.性能测试.短期老化性能评价按公路工程沥青及沥青混合料试验规程()取、与 加热至流动状态进行薄膜老化试验(、)模拟沥青在不同温度下的短期老化在不同热氧老化时间下的短期老化 使用软化点进行性能评价.胶粉改性沥青的老化稳定性评价将 与 置于烘箱(、)中进行不同时间(、)的沥青胶粉分离试验使用四氢呋喃溶剂作为洗脱机分离胶粉烘干后计算胶粉降解率.长期老化性能评价按 测试、与 在室外暴晒老化后的 针入度、软化点与延度在模拟室外老化后的 针入度、软化点、延度、劲度模量与抗剪强度评价三种沥青在长期老化条件下的路用性能 其中模拟室外老化试验使用自主研制开发的可程式恒温恒热阳光试验机()结果与讨论.沥青热氧老化性能分析图 为薄膜试验不同老化温度(、)、不同老化时间(、)后的、三种沥青软化点的变化趋势由图可知随着老化时间的增加三种沥青的软化点均呈上升趋势表明老化增加了沥青黏度图中 软化点高于、表明胶粉改性沥青黏度高于未改性 基质沥青使用复合改性剂 稳定后的胶粉改性沥青黏度更高高温性能更加优异随着老化温度增加基质沥青 的软化点呈上升趋势 软化点则为 型先下降再上升 的软化点为先上升再下降若将老化温度继续延长 的软化点会再次上升 与胶粉、沥青体系中发生了化学作用增强了沥青体系稳定性使改性沥青的软化点 型趋势后延 随着老化温度升高沥青体系的软沥青质组分挥发致使沥青偏硬黏度增加宏观表现为软化点上升例如 沥青变化趋势 与 两种改性沥青的软化点下降是因为温度升高致使改性剂分解减弱了改性剂与基质沥青形成的物理交联作用凝胶型结构部分瓦解沥青黏度下降致使软化点下降但随着老化温度继续升高在相同老化时间下轻质组分挥发产生的黏度上升效应更强致使沥青软化点再次上升图 三种沥青软化点在不同老化温度、不同老化时间下的变化趋势青海交通科技 第 期.橡胶改性沥青老化稳定性分析图 为不同加热时间下两种胶粉改性沥青(、)的胶粉降解率变化趋势 由图可知掺加 与胶粉复掺改性沥青后明显降低了 的胶粉降解率提高了胶粉改性沥青的老化后稳定性有利于路用性能的保持 但贾晓凡等认为交联剂掺量过高会引起过度交联导致改性剂沉淀会降低改性沥青的储存稳定性 随着老化时间增加、的胶粉降解率增加且增加趋势逐渐放缓渐入稳定阶段但掺加 交联后的胶粉改性沥青胶粉降解率随老化时间的延长增加趋势较为平缓 胶粉改性沥青不会随老化时间的延长而直线降解始终有一半以上胶粉不会被降解完全而掺加 交联剂能大幅降低未降解胶粉比例这与其能改善胶粉改性沥青中的体系稳定性有关图 不同加热时间下胶粉改性沥青的胶粉降解率变化趋势.室外老化三大指标分析、三种沥青在室外老化前后的 针入度、软化点与 延度变化关系如图 所示 老化前后三种沥青的 针入度变化趋势一致针入度值均减小表明老化使沥青稠度增加宏观表现为沥青变硬 室外老化同短期老化机理不尽相同室外老化过程中的沥青轻质组分挥发较少而随着时间延长胶质聚集向沥青质转化芳香分、饱和分向胶质转化沥青向凝胶型方向发展沥青稠度增加 三种沥青的针入度值降低幅度由大到小为、表明胶粉改性会使老化后的针入度降低趋势减缓掺入 交联后的胶粉改性沥青针入度降幅进一步放缓(降低值 .)但沥青改性本身就会导致沥青针入度大幅减小宏观表现为胶粉改性沥青后使沥青稠度增大沥青变硬掺入 进一步改性胶粉改性沥青后促使沥青进一步变硬针入度降低为(.)使用胶粉改性沥青后在沥青体系内部发生物理交联作用使沥青体系温度敏感性降低沥青变硬掺入 后沥青、胶粉、间的交联作用进一步增大使沥青针入度大幅降低沥青改性后的 延度值变化不大但略有提升 的延度值下降可能与掺入 后致使胶粉改性剂在沥青体系中团聚导致胶体结构分布不均匀有关 经过室外暴晒老化后三种沥青的 延度均下降表明老化促使沥青变硬、胶粉降解继而破坏沥青体系中的网状交联结构导致沥青体系产生薄弱点在拉伸过程中发生应力集中而提前断裂沥青改性后软化点上升表明沥青黏度增加高温性能有所提升但会增加沥青的泵送温度与沥青混合料的拌和、运输难度配置成混合料后会增加沥青路面在高温条件下的稳定性能 随着老化的进行沥青的软化点继续小幅上升但改性沥青软化点的上升幅度较低 老化后沥青黏度增加的同时会导致沥青脆性增加表现为沥青延度降低这与图中结果较为吻合但沥青改性增加沥青黏度的同时并不会降低沥青延度这表明两种情形下沥青体系内部变化并不相同.模拟室外老化路用性能分析.低温性能实验室模拟老化条件下沥青的劲度模量 随 第 期青海交通科技老化时间的变化如图 所示 沥青混合料的低温性能与其低温劲度模量成反比房辰泽等使用疲劳试验后的劲度模量衰减量相对变化率预测了沥青混合料的疲劳寿命而沥青混合料的低温劲度模量又主要受沥青的低温劲度模量影响因此沥青的低温劲度模量在较大程度上影响着沥青路面的低温性能 与国外、规范均采用沥青的劲度模量评价其低温性能 沥青改性后的劲度模量有大幅度降低表明胶粉改性沥青较好地提升了沥青的低温性能掺入 后并未对未老化 的劲度模量产生较大影响 随着老化时间的延长 的劲度模量有所上升的劲度模量基本不变 的劲度模量则呈先上升后下降表明在长期老化作用下 维持低温性能的能力较好远高于基质沥青经 短期老化后沥青的劲度模量值等同于模拟室外老化 个月后的劲度模量值图 不同沥青在室外暴晒老化后三大指标变化趋势图 实验室模拟室外老化的沥青劲度模量变化趋势青海交通科技 第 期 室内模拟室外老化后的沥青延度值如表 所示 模拟室外老化 个月与 老化均大幅降低了沥青的延度值这与前述的低温性能结论相似随老化时间的增加、的延度均呈下降趋势 延度在模拟老化 个月时有所上升其可能与此时沥青的交联结构部分消失、沥青变软有关表 实验室模拟室外老化的沥青延度值沥青测试指标未老化模拟老化时间 个月 个月 个月 老化延度/.延度/.延度/.高温性能室内模拟室外老化条件下、的抗剪强度随老化时间的变化规律如图 所示 沥青抗剪强度表征着沥青抵抗剪切变形的能力与其稳定性相关 随着老化时间延长、的抗剪强度随老化时间的变化趋势近似相同均在模拟老化 个月后表现为抗剪强度上升随着老化时间继续延长抗剪强度下降 模拟老化 个月与短期老化效果近似相同此阶段胶粉降解影响剪切效果明显 沥青软化 老化前期 的抗剪强度优于 这与 优化沥青胶粉体系提高其交联能力有关老化后期软沥青质挥发与转化影响剪切效果明显表现为抗剪强度下降模拟室外老化条件下三种沥青的 针入度、软化点随老化时间的变化如图 所示 随着老化时间的延长三种沥青的针入度均呈下降趋势且按、顺序降低幅度逐渐减小老化 个月之后三种沥青的软化点均呈上升趋势且按、顺序上升幅度逐渐增大老化第 个月内改性沥青的软化点降低幅度较大 三种沥青的 针入度、软化点随老化变化趋势与.节一致机理也较为相同改性沥青于老化第 个月内的软化点迅速下降可能与胶粉降解与改性体系交联作用减弱有关而后软化点快速上升则与沥青中轻质组分的挥发与转化有关 改性沥青老化 个月后软化点高于未老化时且老化时间 月 软化点的大幅上涨表明体系中的胶粉、残留物也在由轻质向重质转化图 模拟室外老化的沥青抗剪强度变化趋势图 模拟室外老化的沥青基础指标变化趋势 第 期青海交通科技 结论()胶粉改性沥青、与胶粉复掺改性沥青能提升沥青的黏度、稠度、抗剪切性能与低温抗裂性且 与胶粉复掺改性较单掺胶粉改性效果好其能促进胶粉在沥青体系中的物理交联作用更加复杂与完全减弱老化过程中的胶粉降解作用()短期老化可以提升沥青的软化点随着老化时间延长沥青的黏度增大改性沥青的胶粉降解率呈对数曲线增长但掺加 能有效减缓胶粉降解 随老化温度升高改性沥青的软化点变化趋势为小幅下降后再上升的“”形()室外暴晒老化与模拟室外老化的三种沥青性能变化趋势基本一致但于模拟老化 个月内沥青的指标变化趋势与短期老化相似短期老化与模拟室外老化初期沥青的性能有较大变化 能有效延缓 的长期老化效应()、在长期老化 个月内的体系微观变化仍需要进一步探究 制备沥青混合料的路用性能及长期老化性能仍需进一步评价与检测参 考 文 献 田晓龙郭磊王孔烁等.废旧轮胎循环与资源化利用发展现状.中国材料进展():.于晓晓李彦伟蔡斌等.胶粉改性沥青研究进展:从分子到工程.合成橡胶工业():.:.崔亚楠邢永明王岚等.复合胶粉改性沥青的微观结构与流变特性.高分子材料科学与工程():.王国清曹东伟王志斌等.大掺量胶粉改性沥青胶结料流变性能对比研究.公路交通科技():.贾晓凡曹贵张喜军等.稳定剂掺量对胶粉/复合改性沥青性能的影响.材料科学与工程学报():.马峰伍迪傅珍等./废胶粉复合改性沥青及混合料路用性能.应用化工():.茆一鸣 田永静 沈菊男.废胶粉和塑料()双改性沥青性能研究.公路工程():.赵静存王鑫张强等./废胶粉复合改性乳化沥青性能研究.高速铁路新材料():.周丹保广裕苏献锋等.年青海高原日照时数时空变化特征/.干旱区地理:.:/./.():.:.赵洁.辛烯聚合物橡胶反应剂()对湿法橡胶沥青混合料的性能及改性机理.公路工程():.温丽瑗张战军林海等.基于正交试验的废轮胎胶粉改性沥青微观特性研究.合成橡胶工业():.房辰泽郭乃胜孙雅珍等.基于劲度模量分析的橡胶沥青混合料疲劳寿命研究.工程力学():.周沛延程志豪陈亮亮等.基于 方法的相变改性沥青黏弹特性及低温性能研究.公路():.青海交通科技 第 期