基于分层剥离试验的温拌橡胶沥青改性机理研究

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.230692

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2024, Vol. 52 ›› Issue (8): 126-137.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.230692

基于分层剥离试验的温拌橡胶沥青改性机理研究

于华洋¹(), 张正², 邓溢豪¹, 虞将苗¹()

^1.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510640
^2.中建四局水利能源发展有限公司，广东广州 510665

收稿日期:2023-11-05 出版日期:2024-08-25 发布日期:2024-02-09
通信作者: 虞将苗（1979—），男，博士，教授，主要从事道路工程结构与材料研究。 E-mail:huayangyu@scut.edu.cn
作者简介:于华洋（1988—），男，博士，副教授，主要从事道路工程结构与材料研究。E-mail： huayangyu@scut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(51808228);广东省自然科学基金资助项目(2023A1515030287)

Study on the Modification Mechanism of Warm Asphalt Rubber Based on Stage-Extraction Method

YU Huayang¹(), ZHANG Zheng², DENG Yihao¹, YU Jiangmiao¹()

^1.School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China
^2.China Construction Fourth Bureau Water Resources and Energy Development Co. , Ltd. , Guangzhou 510665, Guangdong, China

Received:2023-11-05 Online:2024-08-25 Published:2024-02-09
Contact: 虞将苗（1979—），男，博士，教授，主要从事道路工程结构与材料研究。 E-mail:huayangyu@scut.edu.cn
About author:于华洋（1988—），男，博士，副教授，主要从事道路工程结构与材料研究。E-mail： huayangyu@scut.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51808228);the Natural Science Foundation of Guangdong Province(2023A1515030287)

摘要/Abstract

摘要：

为探究温拌橡胶沥青（WAR）的性能影响机理，选取70#基质沥青、2种温拌剂和2种粒径的胶粉，制备了2种橡胶沥青（AR）和4种温拌橡胶沥青。通过固液相分离得到制备沥青样品的液态组分和不溶胶粉，创新性地利用分层剥离法对不溶胶粉混溶区成分进行逐层提取，通过试验研究建立胶粉吸附偏好特性与橡胶沥青高、中温流变性能间的联系，明确温拌橡胶沥青的改性机理。试验结果表明：橡胶沥青高温抗车辙性能和低温抗开裂性能的提升得益于不溶胶粉在沥青中产生的颗粒效应和可溶胶粉成分发挥的改性作用；橡胶沥青中温耐久性能的提高和黏度的增大主要归因于不溶胶粉中产生的颗粒效应；不同类型温拌剂对橡胶沥青流变性能的影响有所区别。有机类温拌剂的加入在提升橡胶沥青的高温抗车辙性能和中温耐久性能方面更为显著；化学类温拌剂的加入则在提升橡胶沥青的低温抗开裂性能方面更为有效；橡胶沥青液态组分中具有较小的相对分子质量的轻质成分更容易被胶粉吸附至其混溶区中；有机类温拌剂对胶粉的吸附偏好性几乎没有明显影响，而化学类温拌剂的加入不仅减少了液态组分中较大相对分子质量成分的比例，还削弱了胶粉的吸附偏好性；胶粉的吸附偏好性有利于提高橡胶沥青的高温性能和耐久性能。

关键词: 温拌橡胶沥青, 流变性能, 改性作用, 颗粒效应, 吸附偏好

Abstract:

To investigate the performance impact mechanism of warm asphalt rubber (WAR), 2 types of asphalt rubber (AR) and 4 types of warm asphalt rubber were prepared by using 70# base asphalt, 2 types of warm mixing agents, and 2 grain sizes of crumb rubber modifier. Liquid phase and insoluble crumb rubber modifier for prepared asphalt samples were obtained by the solid-liquid phase separation. The staged extraction method was innovatively employed to systematically extract components in the insoluble crumb rubber modifier blending zone layer by layer. Through experiments, the study established the connection between the preferential absorption of crumb rubber modifier and high- and medium-temperature rheological properties represented by asphalt rubber and clarified the modification mechanism of warm asphalt rubber. Test results indicate that the improvement of asphalt rubber’s high-temperature rutting resistance and low-temperature cracking resistance performance are attributed to the particle effect generated by insoluble crumb rubber modifier in asphalt and the modification effect of the soluble components of crumb rubber modifier. The improvement of fatigue resistance at medium temperature and the increase in viscosity of asphalt rubber is mainly attributed to the particle effect generated in the insoluble crumb rubber modifier. Different types of thermal mixture have different effects on the rheological properties of asphalt rubber. The addition of the organic warm mix additive is more significant in enhancing the high-temperature resistance to rutting and medium-temperature resistance to fatigue performance of asphalt rubber. The addition of the chemical warm mix additive proves to be more effective in improving the low-temperature resistance to cracking performance of asphalt rubber. The lighter components with smaller relative molecular mass in the asphalt rubber liquid phase are more easily absorbed by the crumb rubber modifier into its blending zone. The organic warm mix additive has almost no significant effect on the preferential absorption of crumb rubber modifier, while the addition of the chemical warm mix additive not only reduces the proportion of large relative molecular mass components in the liquid phase but also weakens the preferential absorption of crumb rubber modifier. The preferential absorption of crumb rubber modifier is beneficial for improving the high-temperature and fatigue resistance properties of asphalt rubber.

Key words: warm asphalt rubber, rheological property, modification effect, particle effect, preferential absorption

中图分类号:

U414

于华洋, 张正, 邓溢豪, 等. 基于分层剥离试验的温拌橡胶沥青改性机理研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(8): 126-137.

YU Huayang, ZHANG Zheng, DENG Yihao, et al. Study on the Modification Mechanism of Warm Asphalt Rubber Based on Stage-Extraction Method[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2024, 52(8): 126-137.

图/表 15

表1

表2

表3

图1

图2

表4

图3

表5

表6

图4

表7

图5

表8

表9

图6

参考文献 16

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试验项目		试验结果	试验方法	技术要求
25 ℃针入度/0.1 mm		61.1	T0604	60~80
针入度指数		-1.25	T0604	-1.5~＋1.0
软化点/℃		48.1	T0606	≥47
15 ℃延度/cm		>100	T0605	≥100
10 ℃延度/cm		21	T0605	≥15
密度/（g∙cm^-3）		1.038	T0603	实测记录
溶解度（三氯乙烯）/ %		99.7	T0607	≥99.5
闪点/℃		345	T0611	≥260
蜡含量/%		1.67	T0615	≤2.2
60 ℃动力黏度/（Pa∙s）		194	T0620	≥180
135 ℃旋转黏度/（Pa∙s）		0.47	T0625	未作要求
旋转薄膜加热试验残留物	质量变化率/%	-0.011	T0609	±0.8
	针入度比/%	64.3	T0604	≥61
	10 ℃延度/cm	6.7	T0605	≥6

指标	试验结果		技术要求
指标	0.425 mm粒径胶粉	0.18 mm粒径胶粉	技术要求
密度/（g∙cm^-3）	1.20	1.28	1.1~1.3
水分含量/%	0.15	0.42	<1
金属含量/%	0.03	0.03	<0.05
纤维含量/%	0.24	0.21	<1
灰分含量/%	4.8	5.3	≤8
丙酮抽出物含量/%	6.6	9.3	≤22
炭黑含量/%	38	34	≥28
橡胶烃含量/%	62	58	≥48

指标	结果
指标	Evotherm-DAT	Sasobit
主要成分	脂肪胺衍生物、烷基胺	长链脂肪族烷羟
状态	液体	固体
颜色	琥珀色	乳白色
气味	类似氨味	—
25 ℃密度/（g∙cm^-3）	1.05	0.622
pH值	9~10
熔点/℃		105~110
沸点/℃	150~170
水溶性	部分可溶	不溶

沥青类型	旋转黏度/（mPa∙s）
沥青类型	135 ℃	160 ℃	180 ℃
70#BA	469	185	74
40AR	10 983	4 179	2 758
40ARE	6 415	1 849	1 363
40ARS	3 561	1 110	667
80AR	12 584	5 598	3 011
80ARE	7 325	2 142	1 550
80ARS	4 135	1 408	914
L-40AR	842	277	142
L-40ARE	568	193	102
L-40ARS	537	188	98
L-80AR	870	286	154
L-80ARE	642	213	112
L-80ARS	597	202	108

沥青类型	高温PG分级
沥青类型	老化前	老化后	最终
70#BA	PG64	PG64	PG64
40AR	PG82	PG82	PG82
40ARE	PG82	PG76	PG76
40ARS	PG94	PG88	PG88
80AR	PG88	PG82	PG82
80ARE	PG82	PG76	PG76
80ARS	PG94	PG88	PG88
L-40AR	PG70	PG70	PG70
L-40ARE	PG70	PG64	PG64
L-40ARS	PG82	PG76	PG76
L-80AR	PG70	PG70	PG70
L-80ARE	PG64	PG64	PG64
L-80ARS	PG82	PG76	PG76

基于分层剥离试验的温拌橡胶沥青改性机理研究

Study on the Modification Mechanism of Warm Asphalt Rubber Based on Stage-Extraction Method

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沥青类型	J_nr/（kPa）^-1		R/%
沥青类型	0.1 kPa	3.2 kPa	0.1 kPa	3.2 kPa
70#BA	2.343 4	2.555 2	1.5	0.5
40AR	0.092 2	0.198 1	75.1	52.0
40ARE	0.196 1	0.310 7	57.2	41.3
40ARS	0.001 4	0.030 6	96.9	73.6
80AR	0.073 6	0.235 1	80.7	47.5
80ARE	0.103 0	0.341 2	78.0	39.7
80ARS	0.001 2	0.024 3	97.4	79.8
L-40AR	0.575 7	0.697 7	11.4	7.2
L-40ARE	1.097 6	1.198 5	5.3	2.5
L-40ARS	0.005 1	0.084 7	92.0	49.9
L-80AR	0.531 3	0.573 5	19.0	7.9
L-80ARE	1.318 0	1.446 6	4.4	1.9
L-80ARS	0.004 9	0.079 2	92.7	51.7

沥青类型	-6 ℃		-12 ℃		-18 ℃
沥青类型	S/MPa	m值	S/MPa	m值	S/MPa	m值
70#BA	142.0	0.293	332.9	0.195	674.7	0.181
40AR	50.5	0.412	132.0	0.329	275.8	0.258
40ARE	47.5	0.436	119.5	0.337	264.9	0.259
40ARS	77.0	0.335	164.3	0.273	294.6	0.227
80AR	47.3	0.439	126.1	0.346	255.5	0.265
80ARE	44.8	0.443	111.0	0.358	220.4	0.273
80ARS	70.1	0.341	150.4	0.282	264.5	0.249
L-40AR	135.2	0.339	314.3	0.228	652.9	0.204
L-40ARE	104.8	0.375	210.4	0.305	392.1	0.253
L-40ARS	207.5	0.269	371.8	0.173	675.8	0.169
L-80AR	129.4	0.341	261.2	0.284	460.2	0.225
L-80ARE	90.6	0.380	202.7	0.312	370.3	0.256
L-80ARS	194.5	0.278	359.3	0.186	591.9	0.172

区间划分	相对分子质量大小范围	洗脱时间范围/min
区间1	>20 000	洗脱起始时间~16.05
区间2	10 000~20 000	16.05~16.66
区间3	5 000~10 000	16.66~17.28
区间4	2 500~5 000	17.28~17.89
区间5	1 000~2 500	17.89~18.70
区间6	500~1 000	18.70~19.31
区间7	<500	19.31~洗脱结束时间

区间划分	相对分子质量分布/%
区间划分	70#BA	化学类温拌剂	有机类温拌剂
合计	100.00	100.00	100.00
区间1	1.51	0.00	0.00
区间2	5.00	0.00	0.00
区间3	8.60	0.10	0.05
区间4	16.16	0.50	2.01
区间5	34.07	25.11	87.15
区间6	18.65	37.54	9.80
区间7	16.01	36.75	0.99

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