橡膠瀝青性能試驗(yàn)及影響因素分析

馮明林，馮正翔，鄭偉，馮志強(qiáng)

(1. 河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；2. 江蘇省無錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程學(xué)院，江蘇 無錫 214151；3. 浙江績豐巖土技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310000；4. 河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，使得廢舊輪胎的黑色污染日趨嚴(yán)重。但是，經(jīng)過特殊生產(chǎn)工藝將其研磨成膠粉顆粒并通過干拌或濕拌的方法加入到瀝青混合料中，不僅實(shí)現(xiàn)了綠色交通發(fā)展的理念，也改善了瀝青路面的使用質(zhì)量。方爍[1-3]等人將橡膠粉添加到瀝青中，發(fā)現(xiàn)膠粉在提高瀝青復(fù)數(shù)剪切模量、降低相位角的同時(shí)，瀝青混合料抗車轍性能和疲勞性能也得到改善。程其瑜[4-6]等人研究了不同橡膠粉摻量改性瀝青破壞溫度的變化情況。發(fā)現(xiàn)：當(dāng)橡膠粉摻量從10%增加到20%時(shí)，破壞溫度大大提升。張爭奇[7]等人將SBS與膠粉共同用于基質(zhì)瀝青的復(fù)合改性，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，提高了瀝青的整體性能。橡膠瀝青的研究分析是一個(gè)不斷深化的過程，作者根據(jù)美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(Strategic Highway Research Program, 簡稱為 SHRP)體系試驗(yàn)的要求，擬繼續(xù)展開對(duì)橡膠瀝青性能試驗(yàn)及其影響因素的分析。

1 原材選擇及橡膠瀝青制備

1.1 原材料選擇

本次試驗(yàn)橡膠粉選用深圳路海威20目橡膠粉，含水率為0.55%，檢測(cè)密度為1.15 g/cm3(滿足1.10～1.20 g/cm3要求)；基質(zhì)瀝青為中海油道路70#石油瀝青，檢測(cè)結(jié)果分別見表1,2。

表1 橡膠粉篩分結(jié)果Table 1 Rubber powder screening results

表2 基質(zhì)瀝青檢測(cè)結(jié)果Table 2 Matrix asphalt test results

1.2 橡膠瀝青的制備

橡膠瀝青是在已有研究成果的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的。為了便于膠粉與基質(zhì)瀝青的有效膠聯(lián)，將發(fā)育溶脹時(shí)間適當(dāng)延長，促使膠粉吸收基質(zhì)瀝青中輕組分更加徹底，以增加瀝青和膠質(zhì)的含量。橡膠瀝青的制備工藝流程如圖1所示。

圖1 橡膠瀝青的工藝流程Fig. 1 Process diagram of rubber modified asphalt

2 膠粉物理性能的影響分析

廢胎膠粉按其來源不同，分為貨車輪胎(斜交胎)和小轎車輪胎(子午胎簡稱為：小車輪胎)2大類。它們的物理性差異在于細(xì)度。為了分析的嚴(yán)謹(jǐn)性，膠粉統(tǒng)一取不同輪胎的胎背部位置膠粉。在對(duì)70#石油瀝青進(jìn)行改性時(shí)，先設(shè)定20%的摻量。溫度為170 ℃時(shí)瀝青測(cè)試指標(biāo)匯總見表3。

當(dāng)基質(zhì)瀝青加入膠粉后，由于膠粉與瀝青網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系的形成及二者之間化學(xué)傳質(zhì)作用，其指標(biāo)均得到不同程度的改善。從表3中可以看出，貨車輪胎膠粉改性后的瀝青在常溫和高溫性能方面均超過了小車輪胎膠粉的。即在同目數(shù)的前提下，除了彈性恢復(fù)差別不大以外，貨車輪胎膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)是小車輪胎膠粉改性瀝青的1.1～ 1.3倍，其老化前車轍因子G*/sinδ是小車輪胎膠粉改性瀝青的1.5～2.0倍，其老化后車轍因子G*/sinδ是小車輪胎膠粉改性瀝青的 1.6～2.1倍；貨車輪胎膠粉改性瀝青的抗疲勞因子G*·sinδ在300 kPa左右，只占到上限5 000 kPa的6%，且均小于小車輪胎膠粉改性瀝青的。此外，貨車輪胎膠粉改性瀝青的低溫蠕變勁度均為小車輪胎膠粉改性瀝青的65%～75%。表明：貨車膠粉改性后的橡膠瀝青整體優(yōu)勢(shì)更加明顯。

表3 瀝青測(cè)試指標(biāo)匯總Table 3 Asphalt test index

對(duì)比不同細(xì)度膠粉改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)可以看出，20目膠粉改性瀝青的高溫性能優(yōu)于40和60目膠粉改性瀝青的，它們的低溫和抗疲勞性能相差不大。膠粉的改性原因是膠粉與瀝青形成了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系和二者之間的化學(xué)傳質(zhì)。20目膠粉的粒徑較大，熔脹后與瀝青形成的網(wǎng)格狀態(tài)更顯著，對(duì)橡膠瀝青相對(duì)流動(dòng)的黏滯阻力更大，進(jìn)而表現(xiàn)出瀝青的黏度較大，高溫性能更優(yōu)。因此，綜合考慮，20目貨車輪胎膠粉的改性效果較佳。

3 膠粉摻量的影響分析

橡膠瀝青的改性離不開對(duì)膠粉摻量的分析。本試驗(yàn)選取 20目貨車輪胎膠粉的 4種膠粉摻量(12%,16%,20%和24%)，在170 ℃以70#石油瀝青為基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上，對(duì)改性后瀝青性能指標(biāo)進(jìn)行了分析。不同橡膠粉摻量橡膠瀝青性能指標(biāo)見表4。

表4 不同橡膠粉摻量橡膠瀝青性能指標(biāo)Table 4 Performance index of rubber asphalt with different contents of rubber powder

從表4中可以看出，在膠粉摻量增加的同時(shí)，橡膠瀝青高、低溫性能及抗老化性能均明顯增加。即：膠粉摻量增加一倍，軟化點(diǎn)提高46.8%，彈性恢復(fù)提高13.5%，車轍因子提高6～8倍，-18 ℃勁度模量減少75%。表明：膠粉摻量不斷增加，對(duì)于提高橡膠瀝青整體性能是有利的。其原因是膠粉用量的增加使得混溶體系網(wǎng)格結(jié)構(gòu)更顯著。在高溫、高速剪切時(shí)，膠粉用量越高，膠粉與瀝青的傳質(zhì)過程越明顯，化學(xué)改性幅度越大。從瀝青施工性能的角度出發(fā)考慮，瀝青黏度過高，在泵送及混合料拌合與攤鋪過程中都會(huì)帶來一定的負(fù)面影響。美國亞利桑那州規(guī)定[8]，當(dāng)橡膠瀝青在177 ℃的黏度處在1.5～4.0 Pa·s之間時(shí)，施工的各項(xiàng)環(huán)節(jié)將處于最優(yōu)狀態(tài)。因此，本試驗(yàn)針對(duì)4種摻量的橡膠瀝青進(jìn)行了177 ℃的黏度檢測(cè)，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同反應(yīng)時(shí)間下橡膠瀝青177 ℃黏度指標(biāo)Fig. 2 Viscosity index of rubber asphalt at 177 ℃ under different reaction period

橡膠瀝青在使用過程中會(huì)有一個(gè)發(fā)育溶脹的過程，反應(yīng)時(shí)間在60 min左右，60 min前、后瀝青的黏度對(duì)施工尤為重要。從圖2中可以看出，當(dāng)膠粉摻量為16%和18%、反應(yīng)時(shí)間為60 min、溫度為177 ℃時(shí)的黏度為 1.7～3.2 Pa·s，處在 1.5～4.0 Pa·s范圍之內(nèi)，平緩的黏度曲線為橡膠瀝青的施工提供了保障。而當(dāng)膠粉摻量達(dá)到 20%、反應(yīng)時(shí)間為 60 min、溫度為 177 ℃時(shí)的黏度達(dá)到 8.1 Pa·s，遠(yuǎn)超過規(guī)范要求的4.0 Pa·s，必將給施工帶來一定的困難。因此，從施工的便易性出發(fā)，16%～18%的膠粉摻量比較合適。

4 拌和溫度的影響分析

新型物質(zhì)材料的微觀結(jié)構(gòu)變化多與溫度有關(guān)[9-11]。橡膠瀝青的拌合溫度直接關(guān)系到膠粉與基質(zhì)瀝青的熔融速度和程度[12]，反映出瀝青指標(biāo)的變化。在18%膠粉摻量下，不同拌和溫度下橡膠瀝青試驗(yàn)結(jié)果見表5。

分析蠕變勁度和蠕變速率數(shù)據(jù)可見，在175 ℃溫度下，橡膠瀝青的低溫性能相對(duì)較差，而軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)指標(biāo)變化不明顯，車轍因子G*/sinδ和抗疲勞因子G*·sinδ的變化較為明顯。即：隨著拌和溫度的升高，車轍因子降低，抗疲勞因子升高。表明：拌和溫度過高時(shí)，橡膠瀝青的高溫性能和抗疲勞性能下降，建議拌合溫度控制在180 ℃以內(nèi)。

表5 不同拌和溫度下橡膠瀝青性能的檢測(cè)結(jié)果Table 5 Performance test results of rubber asphalt under different mixing temperatures

5 基質(zhì)瀝青類型的影響分析

不同的基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)是具有不同的內(nèi)部組分。在膠粉改性過程中，本試驗(yàn)將2種標(biāo)號(hào)的基質(zhì)瀝青作為研究對(duì)象，選取膠粉摻量為18%，拌合溫度為175 ℃，對(duì)20目的貨車輪胎膠粉進(jìn)行了試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表6。

瀝青標(biāo)號(hào)較高時(shí)，輕組分的含量較高。從表 6中可以看出，基質(zhì)瀝青在膠粉改性后的低溫性能雖然都滿足PG低溫等級(jí)-34的要求，但是70#基質(zhì)瀝青改性后的性能指標(biāo)優(yōu)于 90#的，其車轍因子G*/sinδ和抗疲勞因子G*·sin δ反映得較為明顯。因此，在橡膠瀝青應(yīng)用研究中，可根據(jù)不同區(qū)域、氣候條件及路面受力情況，綜合考慮后，對(duì)基質(zhì)瀝青作出選擇。

表6 不同基質(zhì)瀝青下橡膠瀝青性能檢測(cè)結(jié)果Table 6 Performance test results of rubber asphalt under different kinds of the matrix asphalt

6 結(jié)論

根據(jù)SHRP體系試驗(yàn)要求，完善了橡膠瀝青的制備工藝，分析了膠粉對(duì)瀝青改性過程中的各種影響因素，得出的結(jié)論為：

1) 橡膠瀝青對(duì)膠粉種類和細(xì)度具有選擇性。①從膠粉型號(hào)上看，膠粉越粗，高溫熔脹后與瀝青形成的網(wǎng)格狀態(tài)越顯著，改性后瀝青瀝青性能越優(yōu)，20目的膠粉優(yōu)于40目和60目的。②從膠粉種類上看，貨車輪胎膠粉改性后橡膠瀝青的軟化點(diǎn)是小車輪胎膠粉的 1.1～1.3倍。老化前貨車輪胎膠粉的車轍因子是小車輪胎膠粉的 1.5～2.0倍，老化后貨車輪胎膠粉的車轍因子是小車輪胎膠粉改性瀝青的1.6～2.1倍。貨車輪胎膠粉的抗疲勞因子只占到上限要求的 6%，貨車輪胎膠粉的蠕變勁度為小車輪胎膠粉改性瀝青的 65%～75%，整體貨車膠粉優(yōu)勢(shì)明顯。

2) 隨著膠粉摻量的增加，橡膠瀝青高、低溫性能以及抗老化性能明顯增加。從施工的便易性考慮，16%～18%的膠粉摻量比較合適。

3) 隨著拌和溫度的升高，車轍因子降低，抗疲勞因子升高，建議拌合溫度控制在180 ℃以內(nèi)。

4) 瀝青標(biāo)號(hào)較高時(shí)，輕組分的含量較高。70#基質(zhì)瀝青經(jīng)過膠粉改性后的性能指標(biāo)優(yōu)于 90#的，車轍因子G*/sin δ和抗疲勞因子G*·sin δ反映得較為明顯。即：增加基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)，可提高橡膠瀝青的低溫性能、抗老化性能及抗疲勞性能；反之，橡膠瀝青的高溫性能有所下降。