橡胶改性沥青灌缝材料开发与性能研究

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我国沥青路面开裂现象十分普遍,裂缝修补已成为公路养护部门的主要工作之一。采用橡胶改性沥青灌缝胶对裂缝进行灌缝修补是避免裂缝加速发展的有效手段之一,且在高等级公路应用广泛。目前,市场上的灌缝胶产品虽种类繁多,但产品质量参差不齐,导致近年来沥青路面普遍出现灌缝早期失效而产生的二次开裂问题,增加了公路养护成本。因此,为适应公路养护的需要,研发修补效果好、低成本的高性能灌缝材料具有重要的现实意义。另一方面,现有的灌缝材料性能评价体系以经验法为主,与实际使用性能的相关性还需进行验证,这不利于工程实践中对灌缝材料的选择和质量控制。基于以上原因,从灌缝胶原材料选择与制备入手,深入研究灌缝胶各组分对其使用性能的影响规律,在此基础上,分析确定了灌缝胶的最优配合比,并从流变力学的角度对其粘度、强度和抵抗永久变形的能力进行研究。主要研究内容及成果概括如下:在深入了解灌缝胶制备工艺的基础上,对灌缝胶原材料进行优选,采用正交试验的方法确定最优配合比,并得出了各组分对其性能的影响规律。研究表明:橡胶粉和相容剂的掺量对灌缝胶锥入度的影响较大,高粘剂和增塑剂的掺量对灌缝胶锥入度的影响较小,对灌缝胶锥入度指标影响幅度由大到小排列为:相容剂>橡胶粉>增塑剂>高粘剂;对于软化点指标,四个因素对其影响幅度相差不大,由大到小排列为:橡胶粉>高粘剂>相容剂>增塑剂;对于延度指标,橡胶粉、高粘剂和相容剂的掺量对其影响较大,增塑剂的掺量对其影响较小,影响幅度由大到小可排列为:高粘剂>橡胶粉>相容剂>增塑剂。由现有灌缝材料性能评价体系中的锥入度试验、软化点试验、流动试验、弹性恢复试验和低温拉伸试验确定灌缝胶的最佳配合比分别为,低温型:10%橡胶粉,4%SBS,4%高粘剂,6%相容剂,1%增塑剂;普通型:15%橡胶粉,4%SBS,3%高粘剂,2%相容剂,1%增塑剂;高温型:20%橡胶粉,4%SBS,4%高粘剂,2%相容剂,1.5%增塑剂。采用动态剪切流变仪进行流动扫描与峰值保持试验、温度频率扫描试验、多重应力蠕变恢复试验,分别对灌缝胶的粘度、强度和抵抗永久变形的能力进行研究,结果表明:(1)峰值保持试验在60℃、0.50rad/s条件下测得粘度值离散程度较小,可以较好的区分不同灌缝胶的粘度性能;3种沥青和6种灌缝胶的粘度大小排列为:M3>M2>M1>C>B>A>SBS改性沥青>橡胶沥青>基质沥青,6种灌缝胶的平均粘度为1780.0Pa·s,是基质沥青的11.8倍、橡胶沥青的7.0倍和SBS改性沥青的3.5倍。(2)采用CAM模型对灌缝胶复数剪切模量主曲线拟合程度较好;灌缝胶的复数剪切模量随角频率的变化范围较基质沥青小,相比基质沥青和橡胶沥青而言,其温度敏感性降低了。灌缝胶在低频范围的复数剪切模量要大于基质沥青和橡胶沥青,在高频范围的复数剪切模量接近橡胶沥青,说明灌缝胶在高温下抵抗永久变形的能力和抗疲劳开裂的能力要优于基质沥青和橡胶沥青,从整体上来说,灌缝胶的强度较高。(3)试验温度为64℃时,MSCR试验得出6种灌缝胶的不可恢复柔量均显著小于基质沥青,变形恢复率则显著大于基质沥青。随着应力水平从0.1kPa提高到3.2kPa,Jn r指标增大而R指标减小,从而更易产生永久变形;灌缝胶的Jnr指标随温度的升高而增大,而R指标则呈减小趋势。随着温度的升高,灌缝胶逐渐软化,变形恢复能力下降,更易产生永久变形。与市售的灌缝胶相比,制备的灌缝胶的锥入度和粘度相对较小,软化点、弹性恢复率、流动度和抵抗永久变形的能力相差不大。总体来讲,制备的灌缝胶具备良好的工作性能,达到了开发目标。最后,由室内模拟试验分析施工老化对灌缝胶性能的影响,研究表明:灌缝胶在施工过程中存在一定的轻质油分挥发导致老化,使得灌缝胶的锥入度和软化点出现不同程度的下降,但流动度和弹性恢复率没有明显的变化规律,这可能是由于不同灌缝胶的组分配比、生产工艺等方面存在差异所致。
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