- 文献综述(或调研报告):
低温开裂是寒冷地区沥青路面的主要破坏形式之一。随着温度的降低,沥青路面的热拉应力超过其抗拉强度,导致沥青路面发生热裂缝。沥青路面裂缝会影响和缩短了沥青路面的使用寿命。随着国家经济的稳速增长,人们的生活条件得到了很大的改善,汽车拥有量每年也呈陡增趋势;传统的路面材料逐渐不能满足道路上所行驶的车辆及轴载的要求;与此同时,废旧轮胎的堆积及交通量过大带来的噪音污染和路面破坏成为主要问题。如何综合国情现状及发展规划,将橡胶颗粒科学合理地运用到沥青混合料中已成为现阶段研学重点。
橡胶沥青混合料主要制备方法有干法,湿法两种,还有一种末端混合粘结剂拌法也日渐完善。其中以温拌TOR橡胶沥青混合料的干湿法制备为例子,如图[1]。
可以看出干湿法制备橡胶沥青混合料主要差别就是温拌剂(比如Sasobit)加入的时机。而“终端混合粘结剂”是在炼油厂制备的橡胶改性粘结剂,用作生产沥青橡胶混凝土(ARTMB)的常规粘结剂[2]。其实不论是干法湿法还是末端混合粘结剂拌法,他们中最重要的还是拌和时候的添加剂和相关材料的配合比,目前使用橡胶粉改性粘结剂的好处已得到广泛认可。通过添加橡胶粉改善了沥青粘结剂的低温性能。在20世纪60年代早期,橡胶颗粒作为改性剂在美国的路面上被使用。目前,利用废旧轮胎胶粉改性粘结剂,不仅可以提高粘结剂的性能,而且可以减少填埋场的废旧轮胎,体现经济和环保优势。
将橡胶粉添加到沥青中可以通过多种方式实现。目前,这些方法分为湿法和干法,橡胶粉湿法改性已证明有助于提高沥青混合料的低温抗裂性能。胶粉与粘结剂相互作用的膨胀过程直接影响着性能的改善。虽然粘合剂吸收了轻质组分,但胶屑可膨胀到原来体积的三至五倍。影响橡胶颗粒改性沥青性能的因素很多。这些因素包括粘结剂类型、胶粉含量、胶粉类型、粒径、生产参数如搅拌时间、搅拌温度、搅拌方式等。生产变量的正确选择对橡胶颗粒改性沥青的性能有显著影响。此外,许多新的添加剂被引入到橡胶颗粒改性沥青中。总的来说,副产物、铅帽、环氧大豆油等添加剂促进了橡胶颗粒改性沥青的低温性能。评价橡胶颗粒改性沥青及其混合物低温性能的方法很多。脆点试验是测定沥青低温性能的最早方法之一。它目前没有被广泛使用[3]。
周政实验结果表明[4]:干湿两种工艺生产的橡胶沥青混合料这些性能差别不大;由于干法橡胶沥青混合料的橡胶沥青是在施工中形成而不是事先拌制的,通过对抽提得到的回收沥青进行微观和宏观性能试验,并对剥离的橡胶粉颗粒表观形态的变化进行了分析,发现干法橡胶沥青混合料在施工中,橡胶粉颗粒在催化剂的帮助下对沥青存在类似于湿法工艺中橡胶粉颗粒在沥青中溶胀脱硫等此类的改性,并且效果接近。他提出几点:
- 无论是干法还是湿法工艺,大多数胶粉都参加到沥青改性中,其他胶粉会进入到混合料中充当集料,两种工艺在沥青改性效果方面差异不大,这是干法橡胶沥青混合料性能同样出色的前提。
- 反应剂CTOR(橡胶沥青反应促进剂)在干法工艺中对提高胶粉改性沥青效果起到关键性作用。
- 从抽提后的沥青性能指标的对比分析可知,直投式橡胶沥青与湿法工艺橡胶沥青有着相似的路用性能,从工艺步骤上看直投式橡胶沥青具有操作简洁性和施工高效性。适用于各类公路工程沥青路面施工。
不同的添加剂通过与沥青及橡胶结合成不同的化学键可以达到不同的稳定效果,有文献认为胶粉在粘结剂中部分分解的现象是脱硫或解聚。橡胶和粘合剂之间的化学反应破坏了橡胶的化学键并降低了它的分子量。一些研究人员观察到,在高共混速度和极端相互作用的高温条件下,废橡胶屑将聚合物分解/脱硫,并将聚合物物质溶解到原始粘合剂中。两项不同的研究结果表明,由于脱硫作用,橡胶s-s键或s-c键形成的网络被破坏。这可能是由于s-s键或s-c键在化学和热攻击下不如c-c键稳定。Ghavibazoo等人的结论是,橡胶颗粒只有在160℃的温度下才会膨胀,当相互作用温度高于200℃时,橡胶粉的聚合物开始溶解到基体粘合剂中[5]。
另一些研究人员指出,有两个主要的相互作用机制可以解释橡胶粉加入到沥青中的过程。两种相互作用机理是橡胶粒子溶胀和降解(脱硫和解聚)。橡胶颗粒通过吸附沥青中的芳香油而使其体积膨胀到原来的两倍或三倍,在较高的相互作用温度下形成凝胶状物质。其结果表明,粘结剂与橡胶颗粒在相互作用过程中的物质交换是一个非化学反应。
王闻的研究论文指出通过种不同类型橡胶沥青混合料室内对比试验,结果表明橡胶沥青更适应采用间断级配[6];干法制备的混合料具有较好的高温性能湿法制备的混合料具有较好的抗水损害及抵抗低温开裂的能力,橡胶粉的加入使不同类型橡胶沥青混合料的性能得到了不同程度的改善,且使用干法制备的橡胶沥青混合料性能与湿法制备的混合料性能相当从而大大简化了橡胶沥青施工工艺。相关研究表明从马歇尔配合比设计结果来看,对于采用干法再生轮胎橡胶改性沥青混合料,推荐采用特殊的间断级配和SBS改性沥青粘结剂。.根据车辙试验和间接拉伸试验的分析结果,在沥青混合料中加入轮胎橡胶。干燥工艺可以提高高温下的抗永久变形性能和低温下的开裂性能,从车辙试验和间接拉伸试验的方差分析结果来看,橡胶含量对动稳定性和破坏刚度模量有显著影响,沥青混合料含有在高温和低温下,添加3%轮胎橡胶具有最佳的性能。采用干法再生轮胎橡胶改性沥青混合料的长期性能将需要进一步研究[10]。
杨毅文等研究指出普通胶粉橡胶沥青和脱硫橡胶沥青具有相似的溶胀模型[7],都能大大改善沥青的技术指标,但脱硫橡胶颗粒比普通胶粉胶粘度更低,在沥青中更易于舒展溶解。路用性能试验也表明脱硫橡胶沥青在相同的温度下具有更低的粘度,这将有利于降低施工难度,减少季节限制。脱硫橡胶沥青由于没有橡胶颗粒核心而不易产生胶粉颗粒周围的应力集中现象,脱硫橡胶沥青在5℃延度上的发展规律比普通橡胶沥青稳定。
低温裂缝是寒冷地区沥青路面的主要问题。当低温收缩引起的应力集中大于极限拉应力强度时,沥青路面出现低温开裂,路用性能下降。沥青及其混合料的性能直接影响沥青路面的抗裂性能,沥青路面抗裂性能对温度变化敏感,在低温条件下变脆变硬。在沥青中添加橡胶粉是沥青中一种成熟的做法,橡胶粉的独特性质使其对温度变化不敏感,并能在低温条件下保持柔韧性。橡胶粉在低温下具有较低的刚度,在沥青中添加橡胶粉可以提高改性沥青的抗裂性能。
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