CN110396301A - 一种温拌改性沥青及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温拌改性沥青及其制备方法，通过用废轮胎裂解轻质低分子油与用废塑料裂解聚丙烯高分子蜡掺加固化剂及偶联剂制得的改性沥青，利用沥青混合料油石比为3.5％～4.5％的改性沥青、重量比为3％～5％的水泥与粗细集料在110℃～120℃温度下搅拌混合进行路面铺装，能够实现沥青混合料100℃左右拌和、100℃铺筑，快速固化成型，降低施工难度，在缩短施工周期的同时保证路面性能；减少了能源消耗，有毒烟气排放量减少，降低了温室气体和烟雾粉尘的排放，减少对施工人员的损害，相对于热拌技术，温拌改性沥青要求更低，适应性更广，并且，采用对废旧轮胎及废旧塑料进行重新加工再利用，又能够节约资源，又顺应了环保的发展理念。

Description

一种温拌改性沥青及其制备方法
技术领域
本发明涉及改性沥青路面技术领域，具体涉及一种温拌改性沥青及其制备方法。
背景技术
目前，沥青路面的铺设基本上都采用热拌沥青混合料HMA的热拌热铺技术。HMA生产时，将沥青从常温加热到150℃左右，矿料从常温加热到150～180℃，然后再将沥青和集料于160℃左右的高温下进行拌和，拌和后的HMA温度不低于140℃，摊铺和碾压时的温度不低于110℃。将沥青和集料加热到如此高的温度，不仅要消耗大量的能源，而且在生产和施工的过程中还会排放出大量的废气和粉尘，严重影响周围的环境质量和施工人员的身体健康，采用热拌技术需要大量的能耗，也会造成大量的温室气体及烟雾粉尘的排放，不符合我国的乃至世界的绿色低碳环保的可持续发展方针。
热拌沥青混合料在生产时需要将沥青、矿料等加热到较高温度，能耗很大，随着温度的升高，有毒烟气排放量也越大，污染环境；再加上作业强度高，烟熏火燎，对施工人员身心伤害也比较大；并且热拌沥青混合料拌合生产技术对设备和人员要求专业性都较高，使其不利于偏远地区的施工和发展建设，另一方面，传统热拌沥青混合料大多使用优质的原料，对废旧物质的利用较为有限。
发明内容
本发明要解决的问题是针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种温拌改性沥青及其制备方法，通过用废轮胎裂解轻质低分子油与用废塑料裂解聚丙烯高分子蜡掺加固化剂及偶联剂制得的在100℃拌合、常温铺筑的改性沥青，来解决现有技术中存在的上述问题。
为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种温拌改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
A1、将废轮胎通过粉碎去杂丝，以360℃～380℃的温度裂解，再在300℃～350℃的温度下进行馏分，得到温拌改性所需要的轻质低分子油；
A2、将以聚丙烯为主材的废塑料通过粉碎去杂，以370℃～390℃的温度进行裂解，得到聚丙烯高分子蜡；
A3、将A1中得到的轻质低分子油与A2中得到的聚丙烯高分子蜡在60℃～80℃的加热温度下搅拌混合得到专用改性树脂；
A4、将A3中得到的专用改性树脂在常温下依次加入改性树脂质量比为6～8％的碱性固化剂及改性树脂质量比为8～10％的碱性偶联剂直至搅拌混合均匀得到温拌改性剂；
A5、将A4中提前配制好的、掺量为基质沥青质量5％的温拌改性剂直接加入到基质沥青中，用高速剪切机搅拌10分钟，转速为800rad/min，搅拌温度控制在90℃～100℃，得到道路用改性沥青。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
通过用废轮胎裂解轻质低分子油与用废塑料裂解聚丙烯高分子蜡掺加固化剂及偶联剂制得的改性沥青，利用沥青混合料油石比为3.5％～4.5％的改性沥青、重量比为3％～5％的水泥与粗细集料在110℃～120℃温度下搅拌混合进行路面铺装，能够实现沥青混合料100℃左右拌和、100℃铺筑，快速固化成型，降低施工难度，在缩短施工周期的同时保证路面性能；改性沥青混凝土混合料在100℃的温度铺装，减少了能源消耗，有毒烟气排放量减少，降低了温室气体和烟雾粉尘的排放，减少对施工人员的损害；相对于热拌技术，温拌改性沥青要求更低，适应性更广，并且，采用对废旧轮胎及废旧塑料进行重新加工再利用，既能够节约资源，又顺应了环保的发展理念。
用上述制作方法所得到的改性沥青制作得到的沥青混凝土混合料，包括沥青混合料油石比为3.5％～4.5％的改性沥青，重量比为3％～5％的水泥，其余为粗细集料。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
该沥青混合料有着良好的高温稳定性、低温性能、水稳定性优秀、而且老化和疲劳发展的比较缓慢，说明能够用于废橡胶废塑料裂解物温拌改性剂能够实现改性效果和路用要求。
用改性沥青混凝土混合料进行路面施工的施工工艺，包括以下步骤：
B1、拌合
分别对A5中得到的道路用改性沥青加热至100℃～110℃以备用，对权利要求5中所选用的粗细集料加热至110℃～130℃以备用，按照沥青混合料油石比为3.5％～4.5％将改性沥青与矿集料进行混合搅拌，搅拌温度为110℃～120℃，拌合速度为60d/min，拌合顺序为，先加入粗细集料拌合90秒，再加入改性沥青拌合90秒，再加入水泥拌合90秒；
B2、运输
温拌沥青混合料采用大吨位自卸汽车运输，运输过程中采取保温措施，装料过程中，自卸汽车应前后移动，分前、后、中三次接料；
B3、摊铺
温拌改性沥青混合料的摊铺温度范围控制在100℃～110℃，采用双层摊铺工艺，保证上、下两层沥青面层以热接触方式连续摊铺，摊铺过程保持连续、稳定；
B4、压实
在温拌改性沥青混合料摊铺90℃～100℃时及时有效组织压路机进行碾压，尽可能增加压实时间，压实遵循紧跟、慢压、高频、低幅的原则，维持恒定的压实速度，适当增加碾压功，反复碾压时应重叠一定压实宽度，碾压完成的表面温度应不低于70℃；
B5、接缝处理
对于纵、横向接缝，压实前需要在接触面涂洒少量粘层油。理想状态下，横向接缝应该采用横向压实。对于纵向接缝，搭接处应保持清洁，且重叠适当宽度，初始压实从已铺筑混合料一侧开始。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
该废橡胶废塑料裂解物温拌改性沥青路面的三项现场检测指标弯沉值、压实度、马歇尔稳定度都满足设计和规范要求，技术性能优良；且后期观察证实，路面使用状况良好。
附图说明
图1为本发明80-120℃范围内布氏旋转粘度及粘温曲线示意图。
图2为本发明沥青老化主要阶段示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述：
一种温拌改性沥青的制备方法，包括以下步骤：
A1、将废轮胎通过粉碎去杂丝，以360℃～380℃的温度裂解，再在300℃～350℃的温度下进行馏分，得到温拌改性所需要的轻质低分子油；
A2、将以聚丙烯为主材的废塑料通过粉碎去杂，以370℃～390℃的温度进行裂解，得到聚丙烯高分子蜡；
A3、将A1中得到的轻质低分子油与A2中得到的聚丙烯高分子蜡在60℃～80℃的加热温度下搅拌混合得到专用改性树脂；
A4、将A3中得到的专用改性树脂在常温下依次加入改性树脂质量比为6～8％的碱性固化剂及改性树脂质量比为8～10％的碱性偶联剂直至搅拌混合均匀得到温拌改性剂；
A5、将A4中提前配制好的、掺量为基质沥青质量5％的温拌改性剂直接加入到基质沥青中，用高速剪切机搅拌10分钟，转速为800rad/min，搅拌温度控制在90℃～100℃，得到道路用改性沥青。
更进一步的，一种温拌改性沥青的制备方法，步骤A1中所得的所述轻质低分子油中多为不饱和烃，烷烃种类含量较少，烯烃的总量占脂肪烃的70％以上，多以环烯烃、双烯烃的形式存在，烷烃中也以环烷居多，碳原子数主要分布在C5～C13之间。
更进一步的，一种温拌改性沥青的制备方法，步骤A2中所得的所述聚丙烯高分子蜡含量在80％以上，相对粘均分子量在1900～2000。
更进一步的，一种温拌改性沥青的制备方法，步骤A4中制备温拌改性剂的搅拌过程中加入一定量的增韧剂、润滑剂和稀释剂，所述专用改性树脂、增韧剂、润滑剂和稀释剂的质量比为7：2：3：0.5，所述增韧剂选择短支链分布的热塑性弹怀体，所述润滑剂选择主要为C16～C31饱合的环烷烃与链烷烃混合物的矿物油，所述稀释剂选择工业上常用的有机溶剂。
为了更好地对温拌沥青改性剂的研制进行说明，采用以下实验方法：
1)沥青改性专用改性树脂的合成
高温热裂解的主要原理是：给废旧材料如废橡胶或废塑料加温，当温度高于裂解临界值时，处理物就会产生裂变反应。适当的温度和压强，可以控制裂解产物的性能。本研究是利用废橡胶和废塑料高温催化裂解技术，分别获得废橡胶低分子裂解油和废塑料高分子裂解蜡，作为最主要的沥青添加料合成改性树脂来改善沥青性能。
废橡胶采用的是废轮胎经过粉粹去丝，高温裂解后是能得到了不饱和烃类轻质油品。通过380℃的高温裂解以及小于350℃的馏分,得到温拌改性需要的轻质馏分油品，油品中有多个组分,其中多为不饱和烃,烷烃种类含量较少，烯烃的总量占脂肪烃的70％以上,多以环烯烃、双烯烃的形式存在，烷烃中也以环烷居多,碳原子数主要分布在C5～C13之间。
废塑料采用的是废旧聚丙烯(PP)通过粉碎，高温裂解后得到聚丙烯高分子蜡，聚丙烯颗粒经过390℃高温裂解后得到产出率80％以上的聚丙烯蜡，相对粘均分子量在2000左右，熔点90℃左右。
将废橡胶低分子裂解油和废塑料高分子裂解蜡加热共混得到沥青改性专用改性树脂。
2)助剂的选择
经过温拌改性剂的性能需求，在改性剂的配制过程中只需要添加增韧剂、润滑剂和稀释剂，为了能够有效的实现沥青混合料的低温拌和，合成树脂中添加了一定量的轻质组分，导致沥青性能有所下降，需要依靠增韧剂来弥补强度损失，增韧剂选择的是短支链分布的热塑性弹性体C，它具有耐老化性能，永久变形小，拉伸强度、撕裂强度都比较高，与沥青改性后还能够起到增强路面强度，加快沥青混合料凝聚成型速度的作用；润滑剂选择的是一种矿物油D，主要为C16～C31饱和的环烷烃与链烷烃混合物,它具有优良的安定性，耐光性，无荧光；为了是温拌剂在常温下具有一定的流动性，易于储藏和使用，因此还考虑了掺加了稀释剂，选择的是工业上常用的有机溶剂E。
3)试验材料
1.壳牌70号沥青
研究使用的基质沥青为壳牌70号沥青A级道路石油沥青，对该沥青样品进行检测，主要技术指标见表3.1，文中基质沥青编号70#，旋转薄膜烘箱法老化后的编号为 70#-RTFOT120℃。
表3.1 70#基质沥青主要技术指标
指标 单位 技术标准 检测结果
针入度(25℃) 0.1mm 60～80 68
软化点 ℃ ≥46 51.4
针入度指数PI — -1.5～+1.0 0.3
60℃动力粘度 Pa·s ≥180 226
15℃延度 cm ≥100 >100
10℃延度 cm ≥15 39
蜡含量 ％ ≤2.2 0.7
闪点 ℃ ≥260 283
密度(15℃) ℃ — 1.03
溶解度 ％ ≥99.5 99.8
残留针入度比(25℃) ％ ≥61 76
残留延度(10℃) cm ≥6 11
表3.1中可得基质沥青70#的各项技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的要求。
2.废橡胶废塑料裂解物复合改性剂的掺配试验
利用正交试验获得改性性能最优的配比，选取合成树脂、增韧剂C、润滑剂D及稀释剂E四个因素进行条件试验，同时确定各因素的三个水平为其掺配的比例，单位质量比，见表3.2。
表3.2正交试验表
根据正交表的掺配比例进行制备温拌改性剂，以5％的掺量与基质沥青混合，检测其三大指标及布氏旋转粘度值，见表3.3。
表3.3正交试验实验结果表
根据正交试验找到废橡胶废塑料裂解物复合改性剂的掺配比例，确定第7组配比为最优配比,第7组配比的试验结果中，出来的针入度值明显高于规范，其他各项指标均满足规范,温拌改性要实现温拌效果，需要改性沥青相对较低的粘度，因此常温下废橡胶废塑料裂解物温拌改性沥青较基质沥青要柔软一些，但通过改性剂的作用，改善了沥青的温度敏感性，因此不影响改性沥青的软化点、延度等指标。
根据正交试验的结论，将废塑料废橡胶裂解物、增韧剂、稀释剂和润滑剂按照一定比例掺配，深褐色膏状物。
3.改性沥青及初期老化沥青
根据最优配比进行简单的单因素寻找改性剂的最佳掺量，见表3.4。
表3.4改性剂最佳掺量实验结果表
由单因素分析法可以看出，改性剂掺量太少，改性沥青的粘度下降幅度太少，不能满足降温施工；改性剂掺量过高，改性沥青的延度与针入度均受影响太大，因此，采用5％的掺量作为后期沥青及沥青混合料的最佳掺量。
本试验将废橡胶废塑料聚合物复合改性沥青与基质沥青作对比，同时对比老化前后性能的变化，改性沥青的制备方法为：将提前掺配好的废橡胶废塑料裂解物复合改性剂直接加入到基质沥青中，掺量为沥青质量的5％，用高速剪切机搅拌10min，转速为800rad/min，搅拌温度控制在100℃左右，改性沥青编号为PSW。
老化沥青利用旋转薄膜烘箱(RTFOT)制备，老化时间85min，老化温度120℃，低能耗沥青主要是降低了沥青的施工温度，本改性沥青加热到100℃左右，即可达到施工铺筑要求，施工过程中集料控制在110℃左右，为了避免与实际情况偏差较大，故而将初期老化温度设定为120℃，旋转薄膜烘箱法老化后的改性沥青编号为PSW-RTFOT120℃。
4)实验方法
采用动态剪切流变仪检测(DSR)对改性沥青老化前后的PG分级进行检测。
检测结果如表4.1
表4.1废橡胶废塑料裂解物复合改性沥青老化前后抗车辙因子(单位：KPa)
以上数据可得出：
(1)基质沥青老化前后，从PG70降到了PG64，原因是因为低能耗沥青较低的生产温度使结合料在施工过程中发生的老化较少，这个减少的老化可能导致低能耗路面的车辙增多，从而使得PG分级下降(6℃左右)，但同时也可能有助于提高低能耗路面的抗疲劳性和抗低温开裂性，PSW沥青老化前后，其PG分级没有明显变化，说明其抗老化能力较强，耐久性好。
(2)与基质沥青相比，废橡胶废塑料裂解物复合改性沥青从PG70降到了PG64，降级的原因主要是由于废橡胶废塑料裂解物复合改性剂中的裂解油与小分子稀释剂发挥了作用，降低了改性沥青的粘度，保证了低温施工的和易性。
(3)RTFOT老化后与基质沥青老化样本比较，废橡胶废塑料裂解物复合改性沥青的PG分级比基质沥青提高了一个等级，说明改性剂的加入，不仅不影响基质沥青的性能，还能够改善施工完成后沥青混合料的性能。
5)基质沥青与改性沥青的布氏旋转粘度及粘温曲线
从配方设计及改性剂掺量的角度考虑，期望废橡胶废塑料裂解物复合改性沥青能够在 100℃达到低温施工要求，粘度达到1Pa·s以下，经过不同配比和不同掺量的大量正交实验，确定出了最佳方案，改性剂掺量为沥青质量的5％，并作出80-120℃范围内布氏旋转粘度及粘温曲线，如附图1所示。
从附图1可以得出，80℃时废橡胶废塑料裂解物复合改性沥青比基质沥青的布氏旋转粘度高18.6％；当沥青温度加热到92℃左右，两种沥青的粘度重合；继续升温，PSW的布氏旋转粘度迅速下降，100℃即可降低至1Pa·s以下，比基质沥青下降了77.5％，可满足低温施工要求，这个变化与废橡胶废塑料裂解蜡的熔点温度相关，废橡胶废塑料裂解蜡的熔点约90℃左右，因此当沥青温度在90℃以下，废橡胶废塑料裂解蜡仍然处于结晶状态，混合在沥青中以固体存在，从而增加了沥青的粘度；升至90℃以上时，废橡胶废塑料裂解蜡结晶消失，溶解成流动状态的液体蜡，分散到沥青中，使得沥青质的有效百分比含量降低，从而降低了沥青整体粘度，提高了沥青流动性。
6)改性沥青老化前后的软化点、针入度、延度的检测结果及相关性分析
表6.1废橡胶废塑料裂解物复合改性沥青三大指标测试结果
以上数据可以得出：
a.从软化点的试验数据反映出，5％废橡胶废塑料裂解蜡复合改性剂的加入，提高了基质沥青的软化点，软化点增长约6.8％；经过旋转薄膜烘箱120℃老化85min后，掺加了废橡胶废塑料裂解蜡复合改性剂的沥青，软化点反而比基质沥青老化样品的软化点低，这是由于改性剂中的小分子物质补充了基质沥青老化过程中部分芳香分和饱和分的挥发，减少了沥青材料由于初期老化产生的硬化，保证沥青混合料在低温摊铺碾压过程中有较好的压实性。
b.从15℃延度数据来看，废橡胶废塑料裂解蜡复合改性剂的加入，老化前后都增长了，能够提高结合料的低温性能，表6.1中老化后的延度数据比规范中高出很多，主要原因是由于规范中采用的老化温度是163℃，所以本研究中老化温度为120℃，因此沥青老化程度随之降低，从而可以改善沥青路面的耐久性能。
c.从针入度指数可以看出掺废橡胶废塑料裂解物的复合改性沥青仍然可作为道路沥青材料，满足PI＝-1.5～+1.0的范围，掺加了废橡胶废塑料裂解物改性剂的沥青25℃是明显比基质沥青要软，这是由于改性剂中的小分子油分分散到沥青中，经过旋转薄膜烘箱老化后。
d.粘温曲线显示废橡胶废塑料裂解物复合改性沥青100℃布氏粘度可到达1Pa·s以下，比基质沥青下降了77.5％，能够达到低温施工要求，实现低能耗沥青路面的可持续发展。
e.废橡胶废塑料裂解物复合改性沥青的软化点提高、延度增大说明其具有较好的高低温性能；针入度比基质沥青略高，这是受改性剂的组分的影响，但并不影响它初期老化之后的性能，以上结论均说明废橡胶废塑料裂解物复合改性剂可用于低能耗沥青路面。
用改性沥青制作得到的沥青混凝土混合料，包括沥青混合料油石比为3.5％～4.5％的改性沥青，重量比为3％～5％的水泥，其余为粗细集料。
7)高温性能
7.1实验设计
高温稳定性，即沥青路面在高温和重复荷载作用下抵抗永久变形的能力。高温稳定性不足会引发车辙、推移、拥包、搓板、泛油等病害，在众多病害中，车辙是因高温稳定性不足而产生的主要病害，对于国内外目前广泛采用的半刚性基层沥青路面，车辙主要发生在沥青层，路基和基层的车辙变形几乎为零。
评价沥青混合料高温稳定性的试验方法很多，包括圆柱体试件的单轴压缩试验、中空圆柱体试件的动力剪切试验、小型模拟试验的车辙试验、大型环道或直道试验设备的足尺路面高温性能试验和现场试验路面的加速加载车辙试验等，归纳起来最为常见的高温稳定性评价方法主要有以下三种：马歇尔试验法、环道或直道试验法、车辙试验法。
由于车辙试验本身简单、易于推广，室内车辙试件制作容易，试验费用低且与实际路面的车辙有较好的相关性，得到了广泛应用，现已纳入我国公路试验规程(JTG E20-2011)，是我国现行检测沥青混合料抗车辙性能的主要方法，因此，从沥青混凝土的抗车辙能力检测废橡胶废塑料裂解物温拌沥青混合料的高温稳定性，同时，加入养生条件，分析养生对实验结果的影响。
本研究所用方法为车辙试验法，所用试验仪器有烘箱、拌和机、轮碾成型机、车辙试验机等。
7.2试验步骤：
(1)按照JTE E20-2011-T0703所示方法，在一个方向碾压2个往返，再在另一个方向碾压12个往返。制作3个标准试件，作为普通组；
(2)在一个方向碾压2个往返，再在另一个方向碾压6个往返，制作6个试件，随机分为60℃养生组(3个试件)、110℃养生组(3个试件)；
(3)将普通组的3个试件放置室温下48h；
(4)将60℃养生组放于60℃恒温箱中养生24h，然后取出，补压6个往返；将110℃养生组放于110℃恒温箱中养生24h，然后取出，补压6个往返；
(5)按照JTE E20-2011 T 0719所示方法步骤，分别对3组试件进行车辙试验，记录电脑所示数据。
动稳定度DS，计算公式：
式中：DS——沥青混合料的动稳定度(次/mm)；d1、d2——对应于时间t1、t2 的变形量(mm)；C1——试验机类型系数，曲柄连杆驱动加载轮往返运行方式为1.0；C2 ——试件系数，试验室制备宽300mm的试件为1.0；N——试验轮往返碾压速度，通常为42次/min；t1、t2——一般情况取t1＝45min、t2＝60min。
7.3实验结果及分析
实验结果计算整理成表7.1所示：
表7.1车辙试验结果表
结果分析：(1)对上述数据进行精度校核，各组试验数据的变异系数均小于20％，符合规范(JTG E20-2011中T 0719)要求；
(2)由实验数据可知，该废橡胶废塑料裂解物温拌沥青混合料的动稳定度随养生温度的提升而有较大增长。
(3)按公路施工规范JTG F40-2004，该改性沥青混合料在不养生的情况下仅能满足夏凉区的高等级路用要求；
(4)在经过短暂的60℃养生后，该改性沥青混合料便可满足夏凉区、夏热区和部分夏炎热区的要求，可以用作高等级公路路面铺装；
(5)经过短时间110℃的养生，其动稳定度有较大提升，此时表现出其良好的路用性能，满足夏凉区、夏热区、夏炎热区的高等级路面要求。
8)低温性能
沥青路面的低温收缩裂缝是目前世界上尚未完全解决的一种道路病害。它的产生使得路面的连续性、整体性及美观性都受到破坏，而且会从裂缝处不断进入水分使基层甚至路基软化，倒是路面承载力下降，加速路面破坏，同时纵向无限长的沥青面层开裂后，其承载模式转变为有限尺寸板，冬季面层模量较高承受重复车轮荷载时，开裂后的路面可能折断成更小尺寸的板，并发生龟网裂。
8.1实验设计
我国沥青混合料低温抗裂性能的主要评价指标是低温弯曲试验的破坏弯拉应变和弯拉强度，按照JTG E20-2011沥青混合料弯曲试验所示方法对废橡胶废塑料裂解物温拌沥青混合料的低温性能进行研究。
本试验所用方法为弯曲试验，实验所用仪器有轮碾成型机、切割机、冰箱、万能材料试验机等。
8.2试验步骤：
(1)按照本文《7.1高温性能》中所示方法制作板块状试件3块；并同样设置未养生组、60℃养生组、110℃养生组各一块，参照上一小节所述方法进行制备；
(2)用切割法在每个板块试件上切出250mm×30mm×35mm棱柱体试件4个，共12个；
(3)将试件放于-10℃的恒温冰箱中不少于3h；
(4)按照规范JTG E20-2011 T 0715所示方法，将试件放于试验机上进行试验。
所用公式：
式中：RB——试件破坏时的抗弯拉强度(MPa)；εB——试件破坏时的最大弯拉应变(με)；SB——试件破坏时的弯曲劲度模量(MPa)；b——跨中断面试件的宽度(mm)；h——跨中断面试件的高度(mm)；L——试件的跨径(mm)；PB——试件破坏时的最大荷载(N)；d——试件破坏时的跨中挠度(mm)。
8.3实验结果及分析
试验结果数据表如表8.1所示。
结合公路沥青路面施工规范JTG E20-2011 T 0715，以上数据表明：(1)在不经过养生的情况下，该沥青混合料刚好能满足冬寒区的高速公路和一级公路的路用要求；(2)在经历了短暂的60℃养生后，该沥青混合料表现出其良好的路用性能，满足了冬严寒区对高速公路和一级路的路用要求。
表8.1弯曲试验数据表
9)水稳定性
水损害是沥青路面病害中比较突出的问题，无论在冰冻地区，还是在多雨地区，水损害都有可能发生，简单地说，水稳定性是指沥青路面受到水的浸蚀时抵抗破坏的能力，即抗水损害能力，简称沥青混合料的水稳定性，评价抗水损害能力的技术指标——水稳定性，作为检验沥青混合料路用性能的一个重要技术指标，已被纳入我国公路技术规范。
为研究废橡胶废塑料裂解物温拌沥青混合料的水稳定性，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，通过分析稳定度、流值、冻融劈裂试验强度比，确定该沥青混合料的水稳定性。
9.1浸水马歇尔试验及其评价指标
浸水马歇尔试验与标准马歇尔试验基本相同，唯一的不同是，浸水马歇尔试验的试件先要在60℃±1℃的恒温水浴中浸水保温48h，然后再进行马歇尔试验稳定度测试。实验时，需要制作另一对照组，对照组不进行48h水浴。每组试件4个，共8个。
残留稳定度MS0，计算公式：
式中：MS0——试件的浸水残留稳定度(％)；MS1——试件浸水48h后的稳定度(KN)； MS——试件的标准马歇尔稳定度(KN)。
9.2冻融劈裂试验及评价指标
按照规范要求，采用马歇尔击实仪双面击实50次，制作试件共8个，随机分为2组，每组4个，试验所用仪器有抽真空机、恒温冰箱、恒温水槽、冻融劈裂试验仪等。
试验步骤：
(1)第一组试件置于平台上，在室温下保存备用；
(2)第二组试件浸水后放入真空干燥机抽真空，真空度为98.3kPa～98.7kPa，保持15min，然后恢复常压，在水中放置0.5h；
(3)取出试件放入塑料袋中，加入约10mL的水，扎紧袋口，将试件放入恒温冰箱中，冷冻温度为-18℃±2℃，保持16h±1h；
(4)取出试件，立即放入已保温为60℃±0.5℃的恒温水槽中，撤去塑料袋，保温24h；
(5)将第一组和第二组试件全部浸入温度为25℃±0.5℃的恒温水槽中不少于2h，保温时试件的间距不少于10mm；
(6)取出试件，立即按JTG E20-2011 T 0716所示方法，用50mm/min的加载速率进行劈裂试验，得到试验的最大荷载。
劈裂强度比TSR，计算公式：
式中：RT1——未进行冻融循环的第一组单个试件的劈裂抗拉强度(MPa)；RT2——经受冻融循环的第二组单个试件的劈裂抗拉强度(MPa)；PT1——第一组单个试件的试验荷载值(N)；PT2——第二组单个试件的试验荷载值(N)；h1——第一组每个试件的高度(mm)；h2——第二组每个试件的高度(mm)；——未冻融循环的第一组有效试件劈裂抗拉强度平均值(MPa)；——经受冻融循环的第二组有效试件劈裂抗拉强度平均值(MPa)；TSR——冻融劈裂试验强度比(％)。
9.3试验结果及分析
浸水马歇尔试验计算数据如表9.1所示。
表9.1浸水马歇尔试验
冻融劈裂试验计算数据如表9.2所示。
表9.2冻融劈裂试验计算数据
对于改性沥青，我国《公路沥青路面施工技术规范JTG F40-2004》规定，在多雨潮湿地区，残留稳定度MS0>85％，冻融劈裂强度比TSR>80％，由上述表格数据可以看出，浸水马歇尔得到的浸水残留稳定度MS0明显高于规范要求的最小值，而冻融劈裂试验得到的冻融劈裂试验强度比TSR则是刚刚达标，这种现象的产生，分析认为，一方面是因为冻融劈裂试验本身就比浸水马歇尔试验对材料本身的性质更为苛刻；另一方面，是集料中加入了水泥的缘故。
因此，本废橡胶废塑料裂解物温拌沥青混合料满足规范对水稳定性的要求，可以用于高等级公路的路面铺装。
10)抗老化性能
沥青在拌和、施工和使用过程中受到温度、光和氧等外界因素的影响而发生挥发、氧化等一系列物理和化学变化，使沥青性质变差，其宏观表现为软化点升高，针入度下降，粘度升高，延度降低，这些物理指标的变差称为老化，老化后主要表现为沥青变硬、变脆、延伸性下降，导致路面产生裂缝，松散等破坏影响路面的耐久性，沥青的老化是指沥青从炼油厂被炼制出来后，在贮存、运输、施工及使用过程中，由于长时间地暴露在空气中，在环境因素如受热、氧气、阳光和水的作用下，会发生一系列的挥发、氧化聚合，乃至沥青内部结构发生变化，同时发生性质变化，导致路用性能劣化的过程，沥青老化是一个逐渐发生的过程，它的速率直接影响路面的使用寿命，因而是影响沥青路面耐久性的主要因素，沥青老化的主要分为以下几个阶段，如附图2所示。
1.运输、储存、加热过程中的老化
在这段时期沥青的老化机理，由于受热使沥青中的轻质油分不断挥发，使沥青变硬变脆，降低粘结性；储罐表面的沥青与空气接触，与空气中的氧气会发生一些聚合反应，沥青也会发生一定程度的老化；沥青在管道内不断运行并由储罐顶处洒落到罐内时，沥青的表面积增大，沥青将发生氧化反应。
试验证明，如果沥青是被密闭封存，且不再加热，是冷态贮存的话，沥青可以贮存许多年也不会有明显的老化，试验室为了长时间使用同一种沥青作为标准沥青，可以分装成小桶，密闭贮存，防止老化。
2.加热以及拌和过程中的老化
沥青最主要也是最常规的使用方式，是采用热拌沥青混合料的施工方式，此时沥青将经历一个比贮存过程严重得多的老化过程，拌和过程中的老化是最重要的，通常称之为热老化，拌和过程中，沥青以薄膜的形式裹覆到集料表面，薄膜厚度较小，一方面受高温，另一方面与氧气直接接触必然导致严重的老化。
3.路面使用过程中的老化
沥青在路面使用过程中由于环境因素及荷载因素，特别是在水分、紫外线、氧气的长期作用下，亦会引起老化，但老化的进程是一个比较缓慢的长期的过程，在路面开放交通2～3年间稍快一些，以后变慢，由于环境因素的复杂性，因而使用期的老化过程是一种非常复杂的现象，它将引起沥青流变学性质发生根本的变化，直接影响到路面的耐久性。
据研究，沥青在拌和、铺筑、使用过程中老化的影响因素如下:
(1)水分、紫外线、氧气的长期作用，导致分子的化学结构发生变化；(2)由于挥发或骨料的吸收使沥青又分含量减少；(3)分子间形成可导致“触变效应”的结构。
10.1试验方案
老化试验采用薄膜烘箱对原样沥青在不同温度和时间下进行加热以模拟现场沥青短期老化和长期老化程度(具体老化水平分级见表10.1)，之后对不同情况下的沥青进行各项技术指标测定，并进行马歇尔击实试验。
表10.1沥青混合料的老化水平分级
将三种程度老化后的改性沥青与集料按照混合料的配合比进行试件成型。
表10.1试验结果及分析
按照7-9的方法将沥青混合料的高低温性能、水稳定性能进行不同老化程度的性能对比，试验结果见表10.2。
表10.2老化前后废橡胶废塑料裂解物温拌改性沥青混合料路用性能对比表
由表10.2可知，老化后车辙动稳定度增幅变大，说明沥青老化后，针入度降低，粘度增大，抗变形能力增强，进而提高了沥青混合料的高温稳定性。老化后低温弯曲应变逐渐降低，结果表明老化使沥青的针入度降低，硬度逐渐增加，脆性增大，虽然增强了沥青结合料的抗变形能力，提高了沥青混合料的高温稳定性但同时降低了混合料的抗开裂性能，沥青路面沥青老化，由于气温的反复升降导致沥青混合料的温度应力疲劳，以及混合料的极限应变减小，应力松弛能力下降，最后导致在并不太大的温度应力下导致开裂；另一方面，由于老化后沥青混合料的低温抗裂性能不足，导致疲劳裂缝出现，而裂缝一旦出现，雨水浸入混合料中，使沥青与集料的粘附能力下降，甚至丧失粘结力，破坏层间的连接状态，导致路面承载力下降，极大的缩短路面使用寿命老化后抗水损性能降低说明老化后对混合料的抗水损坏性能影响较大，且相比短期老化，长期老化的降幅明显，这是由于沥青老化后，沥青与集料的粘附性降低，导致沥青混合料的粘结力下降，因此，老化后的沥青混合料在荷载和水的作用下，更容易产生松散和剥落现象即老化加剧了沥青路面水损坏的发生。
从以上数据可说明废橡胶废塑料裂解物温拌沥青混合料的老化规律与热拌沥青混合料的老化规律一致，符合道路的使用规律。
11)疲劳特性
参照欧洲规程Pren 12697-24，采用UTM-100液压伺服材料试验机，间接拉伸疲劳应力控制模式(半矢波加载，加载频率10Hz，周期500ms)，设疲劳破坏极限应变6％，对废橡胶废塑料裂解物温拌改性沥青混合料进行疲劳试验。试件(Φ100×H40mm)由旋转压实成型，钻芯得到，设计疲劳应力值根据同温间接拉伸强度确定，疲劳试验数据见表11.1。
表11.1废橡胶废塑料裂解物温拌改性沥青混合料疲劳试验数据表
研究表明，疲劳寿命与温度间的关系可用下述方程表示:
lnNf＝s－rT
式中:T——试验温度，℃；s，r——材料、应力比有关的系数。
式1中，s值越大，表明混合料疲劳寿命越长；r值越大，表明混合料疲劳寿命对温度变化越敏感；将s/r定义为疲劳反应系数，s/r值越大，表明抗疲劳性能越好。建立温度 -疲劳寿命方程，方程参数见表11.2。
表11.2不同应力比废橡胶废塑料裂解物温拌改性沥青混合料疲劳方程参数
应力比 s r s/r 决定系数R<sup>2</sup>
0.5 10.971 0.0651 168.5 0.9714
0.6 10.163 0.0606 167.7 0.9501
0.7 9.6598 0.0640 150.9 0.9903
由表11.1、表11.2可知:废橡胶废塑料裂解物温拌改性沥青混合料在整个试验过程中，竖向变形随累计疲劳荷载作用次数缓慢增大，应变速率较稳定，疲劳曲线斜率基本不变，破坏后，温拌混合料试件裂缝较小，损害较轻，因此，认为废橡胶废塑料裂解物温拌改性沥青混合料疲劳破坏具有塑形破坏特征，破坏具有延续性。
综上所述：该沥青混合料有着良好的高温稳定性，在不进行养生的情况下，该材料可满足大部分地区高等级公路对抗车辙能力的要求；在经历短时间(24h)的养生后，路用性能大幅提升，满足夏炎热区高等级路的抗车辙能力的要求；
该沥青混合料有良好的低温性能，在不经过养生的情况下，该沥青混合料刚好能满足冬寒区的高速公路和一级公路的路用要求；在经历了短暂的60℃养生后，该沥青混合料表现出其良好的路用性能，满足了冬严寒区对高速公路和一级路的路用要求；
该沥青混合料水稳定性优秀，在不进行养生的条件下，即可满足潮湿地区对高等级公路的路用要求；
其抗老化性能及疲劳特性均与基质沥青具有相同的规律，而且老化和疲劳发展的比较缓慢，说明能够用于废橡胶废塑料裂解物温拌改性剂能够实现改性效果和路用要求。
12)用改性沥青混凝土混合料进行路面施工的施工工艺，包括以下步骤：
B1、拌合
分别对A5中得到的道路用改性沥青加热至100℃～110℃以备用，对权利要求5中所选用的粗细集料加热至110℃～130℃以备用，按照沥青混合料油石比为3.5％～4.5％将改性沥青与矿集料进行混合搅拌，搅拌温度为110℃～120℃，拌合速度为60d/min，拌合顺序为，先加入粗细集料拌合90秒，再加入改性沥青拌合90秒，再加入水泥拌合90秒；
B2、运输
温拌沥青混合料采用大吨位自卸汽车运输，运输过程中采取保温措施，装料过程中，自卸汽车应前后移动，分前、后、中三次接料；
B3、摊铺
温拌改性沥青混合料的摊铺温度范围控制在100℃～110℃，采用双层摊铺工艺，保证上、下两层沥青面层以热接触方式连续摊铺，摊铺过程保持连续、稳定；
B4、压实
在温拌改性沥青混合料摊铺90℃～100℃时及时有效组织压路机进行碾压，尽可能增加压实时间，压实遵循紧跟、慢压、高频、低幅的原则，维持恒定的压实速度，适当增加碾压功，反复碾压时应重叠一定压实宽度，碾压完成的表面温度应不低于70℃；
B5、接缝处理
对于纵、横向接缝，压实前需要在接触面涂洒少量粘层油。理想状态下，横向接缝应该采用横向压实。对于纵向接缝，搭接处应保持清洁，且重叠适当宽度，初始压实从已铺筑混合料一侧开始。
表12.1废橡胶废塑料裂解物温拌改性沥青混合料的施工温度(℃)
施工工序 废橡胶废塑料裂解物温拌改性沥青混合料施工温度(℃)
沥青加热温度 100～110
矿料加热温度 集料加热温度比沥青温度高10～20
沥青混合料出料温度 110-120
混合料仓贮存温度,不小于 拌和出料后降低不超过10
混合料废弃温度，高于 160
摊铺温度，不低于 100
初始碾压温度，不低于 90
碾压终了的表面温度，不低于 70
开放交通的路表温度，不高于 50
表12.1技术检测分析
实验路铺筑完成后，对铺筑成型的废橡胶废塑料裂解物温拌改性沥青路面，按照《公路路基路面现场测试规程》(JTG E60-2008)，现场检测了沥青路面的压实度、弯沉值、马歇尔稳定度三项指标，检测结果见表12.2所示。
表12.2试验路沥青路面现场检测结果
分析表12.2数据可知：
I)从弯沉值看，对于AC-13C沥青混凝土上面层，设计文件中设计弯沉值为28.6，实测弯沉值为22.2；对于AC-20C沥青混凝土下面层，设计弯沉值为31.9，实测弯沉值为21.2，现场检测弯沉值均小于设计弯沉值。
II)从压实度看，《公路工程质量检测评定标准》(JTG F80/1-2004)中规定，以最大理论密度为标准密度所测路面实际压实度应不小于92％，试验路上面层压实度为92.9％，下面层压实度为93.6％，满足规范压实度的要求。
III)从马歇尔稳定度看，公路沥青路面施工技术规范中规定，其他等级公路马歇尔稳定度应不小于5kN，试验路实测稳定度都大于5kN，满足要求。
综上所述，试验路段废橡胶废塑料裂解物温拌改性沥青路面的三项现场检测指标都满足设计和规范要求，技术性能优良；且后期观察证实，路面使用状况良好。
最后说明的是，以上发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种温拌改性沥青的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A1、将废轮胎通过粉碎去杂丝，以360℃～380℃的温度裂解，再在300℃～350℃的温度下进行馏分，得到温拌改性所需要的轻质低分子油；
A2、将以聚丙烯为主材的废塑料通过粉碎去杂，以370℃～390℃的温度进行裂解，得到聚丙烯高分子蜡；
A3、将A1中得到的轻质低分子油与A2中得到的聚丙烯高分子蜡在60℃～80℃的加热温度下搅拌混合得到专用改性树脂；
A4、将A3中得到的专用改性树脂在常温下依次加入改性树脂质量比为6～8％的碱性固化剂及改性树脂质量比为8～10％的碱性偶联剂直至搅拌混合均匀得到温拌改性剂；
A5、将A4中提前配制好的、掺量为基质沥青质量5％的温拌改性剂直接加入到基质沥青中，用高速剪切机搅拌10分钟，转速为800rad/min，搅拌温度控制在90℃～100℃，得到道路用改性沥青。
2.如权利要求1所述的一种温拌改性沥青的制备方法，其特征在于：步骤A1中所得的所述轻质低分子油中多为不饱和烃，烷烃种类含量较少，烯烃的总量占脂肪烃的70％以上，多以环烯烃、双烯烃的形式存在，烷烃中也以环烷居多，碳原子数主要分布在C5～C13之间。
3.如权利要求2所述的一种温拌改性沥青的制备方法，其特征在于：步骤A2中所得的所述聚丙烯高分子蜡含量在80％以上，相对粘均分子量在1900～2000。
4.如权利要求3所述的一种温拌改性沥青的制备方法，其特征在于：步骤A4中制备温拌改性剂的搅拌过程中加入一定量的增韧剂、润滑剂和稀释剂，所述专用改性树脂、增韧剂、润滑剂和稀释剂的质量比为7：2：3：0.5，所述增韧剂选择短支链分布的热塑性弹怀体，所述润滑剂选择主要为C16～C31饱合的环烷烃与链烷烃混合物的矿物油，所述稀释剂选择工业上常用的有机溶剂。
5.用权利要求4得到的改性沥青制作得到的沥青混凝土混合料，其特征在于：包括沥青混合料油石比为3.5％～4.5％的改性沥青，重量比为3％～5％的水泥，其余为粗细集料。
6.用权利要求5的改性沥青混凝土混合料进行路面施工的施工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
B1、拌合
分别对A5中得到的道路用改性沥青加热至100℃～110℃以备用，对权利要求5中所选用的粗细集料加热至110℃～130℃以备用，按照沥青混合料油石比为3.5％～4.5％将改性沥青与矿集料进行混合搅拌，搅拌温度为110℃～120℃，拌合速度为60d/min，拌合顺序为，先加入粗细集料拌合90秒，再加入改性沥青拌合90秒，再加入水泥拌合90秒；
B2、运输
温拌沥青混合料采用大吨位自卸汽车运输，运输过程中采取保温措施，装料过程中，自卸汽车应前后移动，分前、后、中三次接料；
B3、摊铺
温拌改性沥青混合料的摊铺温度范围控制在100℃～110℃，采用双层摊铺工艺，保证上、下两层沥青面层以热接触方式连续摊铺，摊铺过程保持连续、稳定；
B4、压实
在温拌改性沥青混合料摊铺90℃～100℃时及时有效组织压路机进行碾压，尽可能增加压实时间，压实遵循紧跟、慢压、高频、低幅的原则，维持恒定的压实速度，适当增加碾压功，反复碾压时应重叠一定压实宽度，碾压完成的表面温度应不低于70℃；
B5、接缝处理
对于纵、横向接缝，压实前需要在接触面涂洒少量粘层油。理想状态下，横向接缝应该采用横向压实。对于纵向接缝，搭接处应保持清洁，且重叠适当宽度，初始压实从已铺筑混合料一侧开始。
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张金升等: "《交通新材料》", 31 January 2014, 哈尔滨工业大学出版社 *

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CN113122349A (zh) * 2019-12-31 2021-07-16 中国石油化工股份有限公司 一种煤和重油固化处理剂及其制备方法和应用
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