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      抗油污改性劑對高黏瀝青及混合料的性能影響研究



      摘要


      將抗油污改性劑與高黏粒子按一定比例添加到SBS改性瀝青中,并進行動態剪切流變(DSR)試驗、多應力蠕變恢復(MSCR)試驗以及瀝青油蝕試驗,探究抗油污改性劑對高黏瀝青的高溫性能以及抗油污性能的影響。在此基礎上利用高黏瀝青制備不同級配的OGFC瀝青混合料,通過馬歇爾穩定度試驗和劈裂試驗評價混合料的抗油污性能,并分析抗油污改性劑的影響。結果表明,抗油污改性劑能夠有效改善高黏瀝青的高溫性能,高黏粒子對抗油污改性劑發揮這一作用有促進效果;抗油污改性劑對高黏瀝青的抗油污性能有著良好的改性效果,且這種改性效果隨著浸油時間的增加更加明顯;未添加抗油污改性劑時,OGFC-13混合料的抗油污性能優于OGFC-20混合料,而添加改性劑后,OGFC-20混合料的抗油污性能有較大幅度的提升。



      關鍵詞:抗油污改性劑 | 改性 | 高黏瀝青 | OGFC混合料


      憑借排水、抗滑和降噪等優勢,以開級配瀝青混合料(OGFC)為代表的大空隙透水瀝青路面越來越得到廣泛的應用。但是,這種混合料粗集料含量較高、空隙率較大,更易受到燃料油等物質的污染。滴落到路表的燃料油會溶解、稀釋瀝青路面中的瀝青組分并使其喪失黏附性,導致路面逐漸軟化、松散,并在高溫、降水和行車荷載的綜合作用下發展成為坑槽等病害,影響行車。


      目前針對瀝青及瀝青混合料的抗油污性能已經開展了較多研究。李明國等[1]利用混合料浸油與否的浸水馬歇爾強度之比作為油蝕系數表征混合料抗油污性能;曹林濤等[2]通過油蝕條件下的劈裂強度試驗表征混合料的抗油污性能,并研究了改性瀝青和空隙率的影響;張銳等[3]對基質瀝青和改性瀝青混合料進行浸泡燃油前后的混合料質量損失、車轍試驗以及劈裂試驗,發現改性瀝青的抗油污性能優于基質瀝青,低標號瀝青的抗油污性能優于高標號瀝青;Giuliani[4]通過比較不同聚合物改性瀝青在油品中的溶解性來評價聚合物對瀝青抗油污性能的改善效果;李善強等[5]考慮了瀝青在油品中溶解達到動態平衡時的半固態半液態部分,提出油蝕度的概念來定量表征油品對瀝青的侵蝕效應。但是這些研究中使用的瀝青混合料類型多為ACSMA混合料,針對OGFC混合料的抗油污性能的研究卻并不多見。此外,基于良好的高溫穩定性和水穩定性的要求,OGFC混合料一般使用高黏瀝青,但目前缺少抗油污改性劑對于高黏瀝青及OGFC混合料性能影響的相關研究。


      本文首先針對添加了抗油污改性劑與高黏粒子的SBS改性瀝青進行動態剪切流變(DSR)試驗、多應力蠕變恢復(MSCR)試驗和瀝青油蝕試驗,以評價抗油污改性劑對高黏瀝青高溫性能和抗油污性能的影響,并進行不同級配的OGFC混合料性能試驗,探究抗油污改性劑對混合料抗油污性能的改善效果。



      材料與試驗

      試驗材料與混合料配合比設計

      本次試驗選用SBS改性瀝青??褂臀鄹男詣┻x用由PRINDUSTRIE公司自主研發的PRAK抗油污破損添加劑,高黏粒子選用由脫硫輪胎橡膠粉和聚烯烴塑料粒子等制備的橡塑復合改性劑??褂臀鄹男詣┡c高黏粒子的添加量分別為SBS改性瀝青質量的5%8%,在180℃條件下以3600r/min的速率剪切60min得到不同種類的瀝青。瀝青的技術性能指標如表1所示。集料采用玄武巖粗集料以及石灰巖細集料和礦粉?;旌狭霞壟溥x用OGFC-13OGFC-20,其礦料級配如表2所示。兩種級配的*佳油石比分別為4.8%4.6%,空隙率分別為21.9%23.8%。



      試驗方案

      本研究利用DSR試驗測試瀝青的復變剪切模量(G*)和相位角(δ),試驗依據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(以下簡稱《規范》)中的T0628-2011進行。由于在3.2kPa條件下改性瀝青處于非線性黏彈性區域[6],故本研究利用MSCR試驗測試在3.2kPa應力條件下的平均應變恢復率R3.2和不可恢復蠕變柔量Jnr3.2。R3.2是表征瀝青的變形恢復能力的指標,其值越大表明其彈性恢復能力越強;Jnr3.2是表征瀝青抵抗永久變形能力的指標,其值越小表明其殘余不可恢復變形越小。這兩個指標同樣能夠表征瀝青的高溫抗車轍性能。MSCR試驗步驟參照ASTMD7405-10a進行。瀝青油蝕試驗根據文獻[5]改進而來,主要包括以下步驟:

      (1)180℃液態熱瀝青倒入不銹鋼模具中,在25℃條件下冷卻2h后脫模成型。模具尺寸為50mmX50mmX20mm,內部直徑25mm,旨在保證每一個瀝青樣品具有相同的質量(10g±0.2g)以及浸油時與油品接觸表面積相同,如圖1所示;

      (2)稱量成型的固態瀝青塊質量后將其放入盛有100mL0#柴油的量杯中,在25℃條件下封閉放置一定時間;

      (3)取出杯中固體,用紙巾輕輕拭去固態瀝青樣品表面的液態瀝青與柴油的混合物,稱量剩余固體的質量。根據式(1)計算每種瀝青在一定浸油時間下的油蝕質量損失:




      將由高黏瀝青制備的OGFC-13OGFC-20馬歇爾試件各自分為兩組,其中一組混合料添加抗油污改性劑。每組試件分為浸油組和非浸油組,將浸油組試件浸泡24h并待柴油揮發后與未浸油組一起進行馬歇爾穩定度試驗和劈裂試驗。試驗步驟分別參照《規范》中T0709-2011T0716-2011進行。根據試驗結果按照式(2)(3)計算浸油組試件的性能相對于未浸油組試件的損失-浸油殘留穩定度MSO和浸油劈裂強度比ROT,以此作為該混合料抗油污性能的評價指標。






      抗油污改性劑對高黏瀝青性能的影響

      高溫性能

      由于本試驗中采用的瀝青全部為改性瀝青,故動態剪切掃描溫度選擇70、76℃和82℃。采集到三個溫度下四種瀝青的G*、δ以及計算得到的車轍因子(C*/sinδ)如表3所示。G*/sinδ隨溫度的變化趨勢如圖2所示。MSCR試驗的溫度設定為70℃,試驗結果如表4所示。






      根據試驗結果可知,盡管瀝青DG*/sinδ隨著溫度的提高下降更快,但由于其在不同的溫度下都有著*高的G*和*低的δ,使得瀝青DG*/sinδ遠遠高于同種溫度下的其他三種瀝青。瀝青D82℃下的G*/sinδ甚至比其他三種瀝青在70℃下的G*/sinδ還要高。這表明抗油污改性劑能夠有效改善高黏瀝青的高溫性能,并且在抗油污劑與高黏粒子的綜合作用下,瀝青更趨近于彈性體,并具有更好的高溫抗車轍性能。

      同時,對比瀝青B、瀝青C和瀝青DR3.2Jnr3.2可知,由于高黏粒子的添加,原SBS改性瀝青在橡塑復合作用下其內部結構結網率增加,具有更好的彈性性能和高溫抗變形能力,而這種結構和性能有利于抗油污改性劑進一步發揮其改善瀝青高溫抗車轍性能的作用。


      抗油蝕性能

      將四種瀝青浸油0.5、2、4、8、24h后,計算每種瀝青在不同浸油時間下的油蝕質量損失,結果如表5、圖3所示。






      由圖3中結果可知,由于改性瀝青中改性劑與瀝青發生反應形成交聯結構,柴油破壞這層結構需要一定的時間,因此在開始的30min內四種瀝青的油蝕質量損失Asm沒有明顯區別。但是,隨著油蝕程度不斷深入,不同瀝青抗油污性能的差異開始顯現。未添加改性劑的瀝青A的油蝕質量損失隨浸油時間增長更快,抗油污性能明顯不如其他三種瀝青。瀝青C由于抗油污改性劑與瀝青發生了復雜的反應,生成的物質能夠有效制約瀝青質和膠質的損失,因而有著較好的抗油污性能[7]。

      對于添加了高黏粒子與抗油污改性劑的瀝青D來說,盡管在浸油時間前4h內并未顯示出更優的抗油污性能。但是隨著浸油時間的增加,其油蝕質量損失增長明顯慢于其他三種瀝青;尤其是在浸油8~24h時間段,瀝青D的油蝕質量損失僅增長9.51%。這表明高黏瀝青的多網狀結構有利于抗油污改性劑更好地發揮作用,且這種改性效果的凸顯需要一定的時間。



      抗油污改性劑對高黏瀝青混合料性能的影響


      將由高黏瀝青制備的不同級配、不同處理方式(是否浸油及添加抗油污改性劑)的試件進行馬歇爾穩定度試驗和劈裂試驗,試驗結果如表6、7所示。制備混合料時采用干法添加抗油污改性劑,其摻量為混合料質量的0.5%。

      依據試驗結果可知,無論是根據浸油殘留穩定度還是浸油劈裂強度比,四種混合料的抗油污性能排序為:OGFC-20+抗油污改性劑>OGFC-13+抗油污改性劑>OGFC-13>OGFC-20o對于未加抗油污改性劑的混合料,OGFC-20混合料由于空隙率較大、瀝青含量相對較少,而OGFC-13混合料由于細集料含量高、瀝青裹附程度更加充分,使得前者中的瀝青組分相較后者更易遭受油品侵蝕。瀝青喪失黏附性后,OGFC-20混合料僅憑借粗集料之間的嵌鎖作用形成的骨架結構難以承受更高的荷載,表現為具有更低的浸油殘留穩定度和浸油劈裂強度比。




      但是,添加抗油污改性劑后,瀝青在油品侵蝕的條件下仍具有裹附集料的能力。此時OGFC-20混合料的優勢開始顯現,由于含量更高的粗集料之間的嵌鎖作用與瀝青膠結作用,使得它具有更好的抗油污性能。此外,對于同一級配下的非浸油組混合料而言,添加抗油污改性劑的混合料有著更高的馬歇爾穩定度和劈裂強度,這表明抗油污改性劑可以提高混合料抵抗荷載及變形的能力。



      結論


      (1)抗油污改性劑能夠有效提高高黏瀝青的高溫抗車轍性能,并且相比于原SBS改性瀝青,高黏粒子有利于抗油污改性劑更好地發揮這一作用;

      (2)抗油污改性劑能夠提高高黏瀝青的抗油污性能,并且這種優勢隨著浸油時間的增長更為明顯;

      (3)對于由高黏瀝青制備的OGFC混合料,當未添加抗油污改性劑時,OGFC-13的抗油污性能更優;而添加抗油污改性劑后,OGFC-20混合料由于粗集料的嵌鎖作用和高黏瀝青的膠結作用,在油蝕條件下有著更佳的抵抗荷載和變形的能力。





      全文完 發布于《石油瀝青》20216月 如涉侵權,請聯系刪除




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