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废旧油脂预拌增强沥青混合料路用性能评价

来源:沥青生产厂家   发布时间:2018-12-20   点击量:310

当前我国的高等级路面绝大多数都是采用沥青混合料进行铺筑的,其施工过程中存在着耗能高、大量温室气体及有害气体排放等问题。在全社会关注节能减排的大环境下,沥青路面建设引起的环境问题也逐渐受到了关注,其中采用的温拌技术得到了一定的研究和推广,即在沥青混合料中加入温拌剂来实现节能减排,但该技术会增加建设成本、需要添加使用特殊的生产设备,有些温拌剂残留还会对沥青混合料的某些路用性能造成不利影响。针对上述问题,国内研究学者曾提出先用高标号软质沥青对矿料进行预拌,使矿料在较低温度下拌和时被沥青充分地裹覆,然后再利用粒料状的岩沥青粉末对其复拌来提高混合料的强度,以此达到既不降低混合料的路用性能,又能实现环保节能的目的。

废旧油脂是指生活中常见的各类劣质油(诸如回收的食用油、反复使用的炸油等),其滥用已经造成严重的社会影响。废旧油脂中的轻质组分居多,在基质沥青中加入一定量的废旧油脂,能起到与温拌剂相同的降黏效果,可使沥青结合料与矿料充分地裹覆。因此,基于废旧利用和节能环保的需要,本文提出废旧油脂预拌增强沥青混合料的技术,即在混合料生产过程中,先用废旧油脂与沥青混合料进行预拌,使沥青混合料具有良好的施工和易性,再用岩沥青粉末复拌以加强路用性能。通过室内试验测试评价不同废旧油脂和岩沥青掺量所制备混合料的路用性能,据此选择适宜的岩沥青掺量,同时与SK70号热拌沥青混合料、SBS改性沥青混合料的高温、低温、水稳及耐疲劳性能做试验对比研究,来评价废旧油脂预拌增强沥青混合料路用性能的优劣和应用推广的可行性。

制备工艺及试验方案

试验材料

本文所采用的废旧油脂为植物沥青,俗称“地黑油”,是地沟油在精馏生物柴油过程中得到的一种副产品,呈黑色油状,其主要用于生产铸造黏结剂、橡胶软化剂等化工用品。岩沥青采用青川和布敦两种不同沥青含量的颗粒状产品,基质沥青采用SK70号重交通石油沥青,对比试验沥青采用SK70号基质沥青和辽河石化SBS改性沥青。

由于废旧油脂具有黏度小、与沥青化学组分相似、低温条件下具有很好流动性的特点,因此可以保证混合料的充分拌和、裹覆与有效压实;而复拌增强过程则是利用了岩沥青性能稳定、富含大量活性物质和微量元素、可以改善混合料抗氧化和抗剥落性能的特点,使混合料经过复拌增强后具有较高的强度和优良的使用性能。通过室内试验,在SK70号基质沥青中加入2%的废旧油脂可制得良好和易性的废旧油脂软质沥青。

试验采用AC-13级配,粗集料采用玄武岩集料,细集料和矿粉则采用石灰岩集料。经检验,沥青的各项性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

制备工艺

基于废旧油脂预拌增强沥青混合料的技术原理,在拌和混合料前先将SK70号基质沥青加热到140℃,然后加入2%(SK70号基质沥青的质量百分数)的废旧油脂,并搅拌剪切30min,制得废旧油脂软质沥青,制得废旧油脂软质沥青后采用黏温曲线确定废旧油脂软质沥青的加热温度为135℃左右,根据规范要求SK70号HMA拌和温度为155℃~165℃,研究采用160℃。

废旧油脂预拌增强沥青混合料拌和工艺为:先将集料在沥青混合料搅拌机内搅拌90s,然后加入预定量的废旧油脂软质沥青搅拌60s,接着加入岩沥青搅拌60s,最后加入矿粉搅拌50s,总拌和时间为260s。为了对比各种混合料的路用性能,其他混合料的拌和时间与制备废旧油脂预拌增强沥青混合料的拌和时间相同,只是试验中混合料成型控制温度不同。可以看出采用废旧油脂预拌沥青,可使混合料拌和温度降低20℃左右。

试验方案

为了研究岩沥青的掺量对两种预拌增强沥青混合料性能的影响,并推荐合适的布敦岩沥青和青川岩沥青掺量,试验中对布敦岩沥青的复拌比例选择了20%、30%、40%、50%等4种,对青川岩沥青的复拌比例选择了15%、20%、25%、30%等4种。采用车辙试验、半圆弯拉试验、冻融劈裂试验、四点弯曲疲劳寿命试验分别评价废旧油脂预拌增强沥青混合料的高温抗车辙、低温抗裂、抗水损坏及耐疲劳的性能。

级配及油石比

混合料骨料级配统一采用常用AC-13型矿料级配。按照规范要求,采用马歇尔法对各沥青混合料进行配合比设计,确定废旧油脂型预拌增强混合料的油石比(废旧油脂软质沥青与集料质量比)为4.8%,同时为了便于对比分析,将对比组HMA、SBS改性沥青混合料的油石比统一采用4.8%。

路用性能试验结果与分析

高温性能

采用车辙试验对混合料的高温性能进行评价,与SK70号HMA、SBS改性沥青混合料的试验指标进行横向比较。

由上述试验结果可知如下。

(1)废旧油脂预拌增强沥青混合料的动稳定度值随着岩沥青掺量的增加而逐渐提高,且每种掺配比例岩沥青混合料的动稳定度均大于SK70号HMA的动稳定度。分析认为这是由于岩沥青的分子量很大并且具有很高的活性,岩沥青的加入会使得沥青中的大胶束破裂,然后迅速与基质沥青中的小分子结合形成半聚合作用,从而使混合料表现出良好的抵抗高温车辙的能力。

(2)随着岩沥青掺量的增加,混合料动稳定度增加的幅度越来越小,说明当岩沥青的掺量达到一定限度后,岩沥青掺量对混合料的高温性能影响不再明显;推荐青川岩沥青的掺量为20%左右,布敦岩沥青的掺量为40%左右,此时废旧油脂预拌增强沥青混合料的高温稳定性最佳。

(3)相同掺量的青川岩沥青对混合料高温性能的改善作用强于布敦岩沥青,这是由于青川岩沥青中的沥青含量高于布敦岩沥青。因此,为增强沥青混合料的高温稳定性能,要尽量选择沥青含量较大的岩沥青。

低温性能

混合料的低温性能不良是导致沥青路面在温度较低的季节产生裂缝的主要因素。为了评价废旧油脂预拌增强沥青混合料的低温性能,对废旧油脂预拌增强沥青混合料、SK70号HMA、SBS沥青混合料在-10℃的条件下进行半圆弯拉试验(SCB),采用最大荷载、弯拉强度以及断裂能密度3个参数评价混合料的低温性能。

由上述试验结果可知如下。

(1)废旧油脂预拌增强沥青混合料的SCB试验参数(最大荷载、弯拉强度以及断裂能密度)均大于SK70号基质沥青混合料的,其原因在于废旧油脂 中的 轻质组分较多,加入废旧油脂后使得混合料中沥青的组分比例发生改变,沥青胶结料的低温性能变好,从而使得混合料的低温性能也得以改善。

(2)在掺量相同的情况下,添加青川岩沥青的废旧油脂预拌增强沥青混合料的最大荷载及弯拉强度要高于掺加布敦岩沥青的,也间接说明添加青川岩沥青的废旧油脂预拌增强沥青混合料的低温性能要优于掺加布敦岩沥青的,其原因是青川岩沥青中的杂质成分相对布顿岩沥青更少。

(3)随着岩沥青掺量的增加,废旧油脂预拌增强沥青混合料的低温性能也在增加,并且当岩沥青含量在某一值时,其低温性能接近于SBS沥青混合料的,说明岩沥青对混合料的低温性能有很好地改善与促进作用,分析认为这是由于岩沥青在混合料内部形成的网状结构可以提高混合料的低温抗裂性能。

(4)添加青川岩沥青的预拌增强沥青混合料在青川岩沥青的掺量达到20%时,各项SCB参数达到最大值,说明此掺量下的青川岩预拌增强沥青混合料的低温性能最好,因此推荐青川岩沥青的掺量为20%;随着岩沥青掺量的增加,废旧油脂添加布敦岩沥青的预拌增强沥青混合料的各项SCB试验参数随着布敦岩沥青掺量的增加呈现上升的趋势,但其增加的幅度逐渐减小,因此推荐布敦型预拌增强沥青混合料中布敦岩沥青掺量为40%。

水稳性能

水稳性能不佳是导致沥青混合料后续一系列病害的直接原因之一,为确保路面具有良好的使用性能,沥青混合料需要具有良好的水稳性能。通过对废旧油脂预拌增强沥青混合料、SK70号HMA及SBS改性沥青混合料分别进行冻融劈裂试验来对比评价废旧油脂预拌增强沥青混合料的水稳性能。

(1)废旧油脂预拌增强沥青混合料的水稳性能随着岩沥青掺量的增加而逐渐提高,且每种掺配比例的岩沥青混合料的水稳性能均大于SK70号HMA的水稳性能。

(2)当青川岩沥青的掺量达到25%、布敦岩沥青的掺量达到40%时,混合料的TSR值就已经超过了SBS的,说明岩沥青能够显著地改善废旧油脂预拌增强沥青混合料的水稳性能,分析认为这是由于岩沥青有很强的浸润性,加入岩沥青后能够极大地提升沥青与集料之间的黏附性,明显改善其抗剥离的能力,从而使混合料的水稳性能得以增加。

(3)相同掺量的青川岩沥青对混合料水稳性能的改善作用强于布敦岩沥青,因此在选择岩沥青种类时,综合考虑用量、经济以及路用性能改善效果,优先选用青川岩沥青。

耐疲劳性能

沥青路面的使用年限与混合料的抗疲劳能力密切相关,通过对废旧油脂预拌增强沥青混合料、SK70号HMA及SBS改性沥青混合料分别进行四点弯曲疲劳性能试验来对比评价废旧油脂预拌增强沥青混合料的抗疲劳性能。其中废旧油脂预拌增强混合料青川岩沥青复拌掺配比例为20%、布敦岩沥青复拌掺配比例为40%,试验指标为初始劲度模量和疲劳次数。

试验结果可知如下。

(1)两种预拌增强沥青混合料的疲劳作用次数均远大于SK70号HMA的,并且接近于SBS沥青混合料的,这说明废旧油脂和岩沥青的加入能够明显改善混合料的耐疲劳性能。分析认为,废旧油脂的加入改善了沥青的黏度,从而使得混合料具有较好的柔性,岩沥青的加入使得混合料具有一定的刚性,当废旧油脂的掺量和岩沥青的掺量合适的时候就使得混合料具有较大的劲度模量,从而使得预拌增强混合料具有优良的耐疲劳性能。

(2)保持试验条件相同,添加20%的青川岩沥青复拌增强得到的预拌增强沥青混合料的疲劳次数比添加40%的布敦岩沥青复拌增强得到的预拌增强沥青混合料的疲劳次数大,说明前者具有更好的耐疲劳性能。分析认为青川岩沥青中沥青含量更多,杂质成分较少,使添加比例较低的青川岩沥青得到的预拌增强沥青混合料的耐疲劳性能比添加比例更高的布敦岩沥青复拌增强得到的预拌增强沥青混合料的耐疲劳性能更加优异。

结语

(1)废旧油脂的加入降低了混合料的加热拌和温度,起到了废物利用的作用,具有较好的环保效果。虽在一定程度上损害了混合料的路用性能,但可以通过调节废旧油脂和岩沥青的掺量使混合料的路用性能达到理想的效果。

(2)废旧油脂预拌增强环保沥青混合料的高温性能随着岩沥青掺量的增加而增加,但增加的幅度越来越小,为了使混合料具有较好的高温性能,推荐青川岩沥青的掺量不低于20%,布敦岩沥青掺量为40%左右。

(3)SCB试验结果表明:废旧油脂预拌增强沥青混合料的低温性能明显优于SK70号HMA的,且随着岩沥青掺量的增加,低温性能也随之提高。

(4)岩沥青的加入能够提高废旧油脂预拌增强沥青混合料的水稳性能,且其水稳性能明显优于SK70号HMA的;当青川岩沥青的添加比例达到25%、布敦岩沥青的添加比例达到40%时,混合料的水稳性能便与SBS混合料的相当。

(5)适当掺配比例的废旧油脂和岩沥青会使得混合料具有较大的初始劲度模量和疲劳次数,从而使得预拌增强混合料具有优良的抗疲劳性能。青川岩沥青掺量为20%、布敦岩沥青掺量为40%时,制得的预拌增强沥青混合料的耐疲劳性能远优于SK70号HMA,并且接近于SBS沥青混合料的。

(6)随着岩沥青掺量的提高,废旧油脂预拌增强沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳性能以及耐疲劳性能均有一定地改善与提高。青川岩沥青的改善效果优于布敦岩沥青,当青川岩沥青掺配比例为20%时,废旧油脂预拌增强沥青混合料的各项路用性能达到最佳。


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