WTR_APAO复合改性高...善排水性沥青混合料性能研究_李莹.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202203027开放科学（资源服务）标识码（OSID）WTR/APAO 复合改性高黏沥青及改善排水性沥青混合料性能研究李 莹，张爱花（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安710000）摘要：为制备废旧轮胎胶粉（WTR）高黏改性沥青，将 WTR 和 APAO 改性剂按照一定比例复配后对基质沥青进行复合改性，通过高黏改性沥青评价体系指标、WTR 复合改性沥青针入度评价体系指标，评价 WTR/APAO 复合高黏改性沥青性能，优化 WTR/APAO 复配方案；通过动态力学流变性能试验分析复合改性沥青的动态力学性能。研究表明：掺加 WTR 和 APAO 能显著提升沥青的 60 动力黏度、170 运动黏度、黏韧性、软化点和 25 弹性恢复率，同时降低了针入度；随 WTR、APAO 掺量增大，WTR/APAO 复合改性沥青的能量损耗因子逐渐增大，复合改性沥青发生相同的塑性变形所需外力增大，WTR/APAO 复合改性沥青表现出良好的阻尼特性。增大 WTR 和 APAO 掺量显著改善 OGFC-13 排水性沥青混合料的综合路用性能，20%WTR+6%APAO、20%WTR+8%APAO 比 14%TPS 改性 OGFC 混合料有更好的综合路用性能与抗疲劳耐久性能。关键词：道路工程；高黏改性沥青；废旧轮胎胶粉；APAO 改性剂；路用性能中图分类号：U414文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0113 07 0 引言我国每年产生的废旧轮胎数以亿计1-3。研究表明4-7：WTR 改性沥青是最有前途替代 SBS 改性沥青的材料，将 WTR 改性沥青应用于沥青混合料是解决废旧轮胎黑色污染的有效途径，WTR 原材料单价低且其掺量高，具有显著的环保效益和经济效益8-10。然而，传统橡胶粉改性沥青因黏度大，施工和易性和存储稳定性差，无法长期储存，不宜长距离运输，导致 WTR 改性沥青的推广应用受到限制。有学者提出将 WTR 与多聚磷酸（PPA）、RET 等化学改性剂或 SBS 改性剂进行复配，也有提出将 WTR 与纳米材料（氧化石墨烯等）、增黏树脂、高分子聚合物、硫磺/聚辛烯、纤维、高模量剂等改性剂（添加剂）进行复配，通过复合改性技术手段提升 WTR 改性沥青的综合路用性能、改善施工和易性和热贮存稳定性。APAO 改性剂是以丙烯、乙烯、丁烯-1 为原材料，经共聚反应得到的非晶态-烯烃共聚物，属热塑性树脂类改性剂，在制备改性沥青中常作为催化剂。研究表明10-14：APAO 极易溶解于基质沥青，在高温条件下与基质沥青产生不可逆的交联作用，并形成立体网状结构，从而使沥青获得良好的高温性能、较低的温度敏感性和抗老化性能10-12，APAO 改性沥青具备制备工艺简单的优势。排水性沥青路面由于自身空隙率大（18%），为兼顾排水功能与耐久性能，关键技术之一是采用高品质高黏改性沥青。为制备废旧轮胎胶粉（WTR）高黏改性沥青，基于 WTR 与 APAO 两种改性剂各自的技术性能优势，将 WTR 和 APAO 按照一定比例复配后对基质沥青进行复合改性，通过高黏改性沥青评价体系指标、WTR 复合改性沥青针入度评价体系指标、三大路用性能试验与疲劳性能试验，研究 WTR/APAO 复合高黏改性沥青与混合料性能，评价其在排水性沥青混合料中的适用性，研究成果为 WTR 在高黏改性沥青的应用提供参考。1 试验设计 1.1 原材料A-70 基质沥青主要性能，见表 1。废旧轮胎胶粉为 50 目(0.3 mm)货车轮胎胎面胶粉，质地均 收稿日期：2022 04 27作者简介：李莹（1983），女，陕西西安人。高级工程师，硕士，主要从事高速公路路基路面设计工作。E-mail：。李 莹，等：WTR/APAO 复合改性高黏沥青及改善排水性沥青混合料性能研究 113 匀，主要技术指标，见表 2。APAO 改性剂为非晶态-烯烃共聚物（Amorphous Poly Alpha Olefin，APAO），型号 2835，外观为乳白色固体颗粒，密度 1.42 g/cm3，熔点 120130。对照组 TPS 改性沥青主要技术指标，见表 3。集料与级配采用OGFC-13 矿料级配中值。集料性能符合公路沥青路面施工技术规范（JTG F402004）要求。表1基质沥青三大指标项目25 针入度/（0.1 mm）软化点/10 延度/cm15 延度/cm试验结果744927100规范要求60804620100 表2废旧轮胎胶粉主要技术指标项目物理技术指标化学技术指标筛余量/%相对密度含水率/%金属含量/%灰分/%丙酮提取物含量/%炭黑含量/%橡胶烯烃含量/%试验结果1.41.150.50.014.13.837.554.6规范限值101.11.310.038162848 表3TPS 高黏改性沥青主要技术指标技术指标试验结果规范限值25 针入度/（0.1 mm）6540软化点/84.5805 延度/cm35.83025 韧性/（Nm）31.72525 黏性/（Nm）24.22060 动力黏度/（Pas）5300050000170 布氏旋转黏度/（Pas）2.543.0 1.2 试验方案 1.2.1 配方设计根据国内外有关研究成果，结合国内工程实践经验和工程经济性，废旧轮胎胶粉复合改性高黏沥青中的 WTR 掺量分别为基质沥青质量的 10%、15%、20%、25%，每组掺量下变化 4 组 APAO改性剂掺量。APAO 改性剂掺量分别为基质沥青质量的 4%、6%、8%、10%。对照组采用 14%TPS 改性沥青。1.2.2 制备工艺APAO 与沥青相容性好，只需一般机械搅拌即可与沥青混合均匀。而废旧轮胎胶粉难以溶解于基质沥青，因此 WTR/APAO 复合改性高黏沥青制备工艺主要参考橡胶粉改性沥青。在烘箱中将基质沥青加热至 170 后倒入拌合釜中，先加入预定称量质量的WTR，边搅拌边快速使沥青温度至180；调节 AE3000L-P 型剪切乳化机转速为 500 rad/min，溶胀 20 分钟后将剪切速率调节至 5 000 rad/min，持续剪切磨细 60 分钟；降低橡胶粉改性沥青温度至 175，加入 APAO 改性剂，调节剪切速率为1 000 rad/min，剪切 30 分钟；在 175 环境箱中发育 30 分钟得到 WTR/APAO 复合改性沥青。1.3 试验方法按照沥青混合料改性添加剂第 2 部份：高黏度添加剂（JT/T 860.22013）、路用废胎胶粉橡胶沥青（JT/T 7982019）技术指标要求，采用 60 动力黏度、25 针入度、软化点、5 延度和 25 黏韧性（韧性）、25 弹性恢复率、170 运动黏度、离析软化点差指标综合评价废旧轮胎胶粉复合改性高黏沥青的高、低温性能、施工和易性与热贮存稳定性。废旧轮胎胶粉复合改性高黏沥青技术标准，见表 4。试验方法参照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）进行。表4废旧轮胎胶粉复合改性高黏沥青技术标准项目试验结果试验方法60 动力黏度/（Pas）50000T062025 针入度/（0.1 mm）4060T0604软化点/80T06065 延度/cm30T060525 弹性恢复率/%80T066225 黏性/（Nm）25T062425 韧性/（Nm）20T062448 h离析软化点差/3.0T0661170 布氏旋转黏度/（Pas）3.0T0625 2 WTR/APAO 复合改性高黏沥青性能 2.1 动力黏度（60）高黏度改性沥青是指 60 动力黏度大于50 000 Pas 的一类高品质沥青。WTR/APAO 复合改性沥青的 60 动力黏度试验结果，见图 1。不掺加 APAO，10%、15%、20%、25%单一橡胶粉改性沥青的 60 动力黏度分别为 7 563、9 464、12 675、14 693 Pas，WTR 由 10%增大至25%，60 动力黏度增大94.3%，20%、25%WTR改性沥青的 60 黏度比基质沥青分别提高了57.1、66.4 倍。掺加 WTR 能够显著增大基质沥青的 60 动力黏度，增大 WTR 掺量能显著提高路基工程 114 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）WTR 改性沥青的黏度，25%WTR 范围内，单一橡胶粉改性沥青不满足高黏改性沥青 60 动力黏度大于 50 000 Pas 的要求。81047104610451044104310421041104051015202560 动力黏度/（Pas）WTR/%04%6%8%10%APAO图1WTR/APAO 复合改性沥青的 60 动力黏度试验结果 不掺加 WTR，4%、6%、8%、10%APAO掺量单一改性沥青的 60 动力黏度分别为 1 347、1 763、1 876、1 984 Pas，可见增大 APAO 对改性沥青的 60 动力提升不如增大 WTR 明显。将 WTR 与 APAO 复配，10%、15%、20%、25%WTR 掺量下，APAO 掺量由 4%增大至 10%，复合改性沥青的 60 动力黏度分别增大了 5.0、5.1、3.9、3.8 倍，4%、6%、8%、10%APAO掺量下，WTR 掺量由 10%增大至 25%，复合改性沥青的 60 动力黏度分别增大了 1.07、0.94、0.92、0.57、0.54 倍，可见增大 WTR 和 APAO 均能显著改善复合改性沥青的 60 动力黏度，WTR提升效果比 APAO 更显著。（20%25%）WTR+6%APAO、（15%25%）WTR+（8%10%）APAO 共 8 种 WTR/APAO复合改性沥青的 60 动力黏度大于 50 000 Pas，满足 JT/T 860.22013 技术要求，在此复配方案下，WTR/APAO 复合改性沥青 60 动力黏度能达到甚至超过 TPS 改性沥青的黏度水平。2.2 软化点和 25 针入度软化点指标用于表征沥青的高温性能。软化点和 25 针入度试验结果，见图 2。相同 APAO 掺量下，随着 WTR 掺量增大，WTR 单一改性沥青及 WTR/APAO 复合改性沥青的软化点升高、针入度减小。相同 WTR 掺量下，增大 APAO 掺量后所有沥青试样的软化点升高、针入度减小，增大APAO 和 WTR 均能显著提高 APAO（WTR）单一改性沥青及复合改性沥青的高温性能。在（10%25%）WTR+（4%10%）APAO 复配方案下，软化点达 65.689.2，针入度 32（0.1 mm）60（0.1 mm），表现出优异的高温性能。WTR、APAO 在增大复合改性沥青黏度的同时，也增加了复合改性沥青硬度，以软化点80、25 针入度 40（0.1 mm）60（0.1 mm）为约束条件，可优化出20%WTR+6%APAO、（15%20%）WTR+8%APAO、（10%15%）WTR+10%APAO共 5 组复配方案。9508057085106015507520402530655545软化点/WTR/%0510152025WTR/%25针入度/0.1 mm 04%6%8%10%APAO a 软化点 b 25 针入度图2WTR/APAO 复合改性沥青的针入度试验结果 2.3 弹性恢复率（25）弹性恢复率值越大，表明沥青的可恢复弹性变形越大、残留变形越小，相应的自愈合柔性越好。25 弹性恢复率试验结果，见图3。（10%25%）WTR 单一改性沥青的 25 弹性恢复率为 44.7%73.5%，（4%10%）APAO 单一改性沥青的25 弹性恢复率 68.8%82.3%，WTR 和 APAO改性沥青均表现出优异的自愈合性能。固定 APAO（WTR）掺量下，随着掺量增大，25 弹性恢复率增大，（10%25%）WTR 与（4%10%）APAO 复合改性沥青的弹性恢复率 75.6%97.2%。复配能实现两种改性剂对弹性恢复率的叠加改善作用。1009080706050403020