橡膠瀝青及其混合料高溫性能研究

馬澤軍 肖啟勁*

(1.天津市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，天津 300050;2.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300457)

1 概述

改革開放以來，我國的交通建設(shè)事業(yè)得到飛速的發(fā)展，道路等級和路面等級也不斷提高，其中瀝青混凝土路面由于其優(yōu)良的使用性能得到廣泛應(yīng)用。然而，由于我國嚴(yán)重的公路運輸超載問題導(dǎo)致了許多在近年建成通車的高等級公路路面都出現(xiàn)了較大面積的早期破壞，其中主要的病害形式為面層高溫穩(wěn)定類病害。提高瀝青混凝土材料的高溫穩(wěn)定性，是當(dāng)前路面材料的研究熱點。

另一方面，隨著人民生活水平的提高，汽車保有量逐年迅速增加。而隨著汽車數(shù)量的增長也產(chǎn)生了一個新問題——廢棄輪胎的大量堆積，這導(dǎo)致了巨大的社會環(huán)保問題:堆積廢輪胎必然占用大量的土地資源，用燃燒等一般的垃圾處理方法又會帶來巨大的環(huán)境污染。由于橡膠和瀝青同屬于高分子有機(jī)材料，具備一定程度的天然親和性，橡膠改性瀝青是一個很好的發(fā)展方向。發(fā)展廢舊輪胎橡膠粉用于道路建設(shè)事業(yè)既可以提高路面使用性能，又能夠解決廢舊輪胎帶來的環(huán)境污染問題，是一個很好的研究方向。本文主要研究橡膠瀝青及其混合料的高溫性能，為橡膠瀝青的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 原材料

本次試驗采用了40目的橡膠粉顆粒進(jìn)行試驗，加工工藝為180℃下簡單機(jī)械攪拌60 min。參考廠商提供的資料，橡膠粉產(chǎn)品規(guī)格見表1。

表1 橡膠粉顆粒參數(shù)指標(biāo)

本次試驗主要采用兩種基質(zhì)瀝青，分別是東海70號和中海70號。為了進(jìn)行膠粉改性瀝青性能上的比較，對比試驗采用SBS改性瀝青，其原基質(zhì)瀝青也是70號，這三種瀝青的參數(shù)指標(biāo)見表2。

表2 三種瀝青的參數(shù)指標(biāo)

3 橡膠瀝青高溫性能

本次研究選擇針入度、軟化點和135℃粘度這三個指標(biāo)作為橡膠粉瀝青高溫性能的常規(guī)指標(biāo)?？紤]到實際工程中橡膠瀝青膠粉含量占橡膠瀝青重量的18%～22%為主，選擇橡膠粉摻量0%，10%，18%，20%，22%和30%進(jìn)行試驗。

3.1 針入度

針入度試驗作為一種剪切蠕變試驗，其物理意義為表觀粘度，它反映了瀝青在荷載作用下的變形能力。通常稠度越高的瀝青，針入度值愈小，表示瀝青愈硬;相反稠度越低的瀝青，針入度值愈大，表示瀝青愈軟。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)是以針入度為等級來劃分瀝青的標(biāo)號。

試驗溫度25℃，總質(zhì)量100 g，針入度貫入時間5 s。圖1是東海70號和中海70號不同橡膠粉摻量的針入度試驗結(jié)果。

圖1 不同橡膠粉摻量的針入度試驗結(jié)果

從圖1中可以看到，隨著橡膠粉摻量的提高，瀝青的針入度呈下降趨勢，而且在10%有一個明顯的變化。說明橡膠粉對瀝青針入度影響較大。

3.2 軟化點

很多國家都采用軟化點來評價改性瀝青的高溫穩(wěn)定性。我國現(xiàn)行規(guī)范試驗法是采用環(huán)球軟化點法(R＆B)。圖2為軟化點試驗結(jié)果。

從圖2中可以看到，隨著橡膠粉摻量的增加，軟化點逐步升高。當(dāng)瀝青中的橡膠粉摻量從0%增加到10%的時候，軟化點提高約8℃。之后從10%逐步添加到30%，軟化點升高約10℃，這些說明橡膠粉摻量對軟化點的影響十分明顯。但是相對于SBS改性瀝青的軟化點能夠達(dá)到70℃ ～80℃以上，橡膠粉改性瀝青提高軟化點的幅度并不是很大，前者的軟化點仍明顯高出很多，主要原因是兩者改性機(jī)理不同。橡膠顆粒在瀝青中雖然產(chǎn)生了體積變化，橡膠瀝青主要由熔脹后的橡膠顆粒和自由瀝青組成，但顆粒之間并沒有發(fā)展出分子鏈接，橡膠顆粒之間沒有較強(qiáng)的化學(xué)粘結(jié)，軟化點測試結(jié)果實際上是橡膠顆粒之間自由瀝青的軟化點，反映的是瀝青輕質(zhì)組分被吸收后瀝青質(zhì)增加的影響。這種影響不會像SBS等其他高聚物改性瀝青能夠產(chǎn)生織態(tài)結(jié)構(gòu)極大地提高抗拉抗墜落能力。

3.3 粘度

由于瀝青的流變特性直接會影響瀝青路面的路用性能，所以研究瀝青的流變特性對于確定改性瀝青的適宜拌合、攤鋪和碾壓的溫度是十分有必要的。粘度是瀝青材料重要的技術(shù)指標(biāo)，粘度大的瀝青在荷載作用下產(chǎn)生較小的剪切變形，彈性恢復(fù)性能好，與瀝青混合料的動穩(wěn)定度有很好的相關(guān)關(guān)系。粘度是對流體流變特性的一種度量，反映流體發(fā)生流動時其內(nèi)部分之間摩擦阻力的大小。而且改性瀝青流體的流變性質(zhì)與基質(zhì)瀝青和改性劑之間的混合均勻程度有著密切的聯(lián)系。Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計通過計算剪切速率和剪應(yīng)力能又快又容易地測量瀝青的高溫粘度。

進(jìn)行試驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用較大的鉆子時，鉆子和固定的容器的側(cè)壁縫隙較小，其尺寸已經(jīng)與部分未溶脹完全的橡膠粉顆粒接近。當(dāng)鉆子旋轉(zhuǎn)以后，較大的橡膠粉顆?？赡軙趥?cè)壁產(chǎn)生摩擦和阻力，間接提高了摩阻系數(shù)，從而直接影響了旋轉(zhuǎn)粘度的準(zhǔn)確性。所以在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)粘度試驗時應(yīng)考慮在儀器允許的量程內(nèi)盡量選取標(biāo)號較高、尺寸較小的鉆子，以確保試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

本次研究測定了不同摻量下135℃時的布氏粘度，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 135℃布氏粘度試驗結(jié)果

從圖3試驗結(jié)果看出，橡膠粉的摻加能夠大大提高瀝青的粘度，而且隨摻量的增加，橡膠瀝青的粘度表現(xiàn)出良好的規(guī)律性。當(dāng)橡膠粉摻量達(dá)到22%后，粘度的增幅相當(dāng)大，相對于前面的摻量有明顯的差別，考慮到較高的橡膠粉摻量會增加未完全溶脹的橡膠粉顆粒的含量，而間接影響到了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。粘度的增大可能是由于在布氏旋轉(zhuǎn)粘度試驗過程中，橡膠粉顆粒與鉆子產(chǎn)生較大的摩擦阻力所致。所以橡膠粉顆粒粒徑和粘度試驗鉆子尺寸也是需要考慮的因素之一。

4 橡膠瀝青混合料高溫性能

4.1 橡膠瀝青混合料設(shè)計

瀝青混合料設(shè)計主要參考了《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》和《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，進(jìn)行了AC-13粗型和AC-20粗型兩種混合料的設(shè)計，并采用SBS改性瀝青進(jìn)行同種級配的混合料設(shè)計，以比較橡膠粉改性瀝青混合料的高溫性能。本次橡膠瀝青混合料采用東海70號+20%橡膠粉的橡膠改性瀝青作為粘結(jié)料。

4.2 高溫穩(wěn)定性能

本次研究主要采用車轍試驗進(jìn)行高溫穩(wěn)定性能的研究。動穩(wěn)定度是反映瀝青混合料高溫抵抗永久變形性能的一個指標(biāo)。動穩(wěn)定度越高，瀝青混合料的抗車轍能力越強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性越好。按試驗規(guī)程要求，試驗溫度60℃，輪壓為0.7 MPa，試件采用輪碾法制作300 mm×300 mm×50 mm試件，測定其動穩(wěn)定度。

圖4 60℃車轍試驗結(jié)果

由圖4試驗結(jié)果可見，本次進(jìn)行對比試驗的SBS改性瀝青性能較好，動穩(wěn)定次數(shù)能夠達(dá)到4 500次以上，而采用橡粉改性瀝青混合料的動穩(wěn)定次數(shù)也超過4 000次，同樣具有很好的高溫性能。從試驗結(jié)果可以看出，采用膠粉改性瀝青后，其高溫性能不差于SBS改性瀝青。

5 結(jié)語

本次研究主要采用了國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)常用的瀝青指標(biāo)評價體系評價橡膠瀝青的高溫性能，并采用了車轍試驗分析橡膠瀝青混合料的高溫性能，得出了以下結(jié)論:

1)橡膠粉能夠提高瀝青的高溫性能，主要表現(xiàn)在降低瀝青針入度、提高軟化點和增加高溫粘度。

2)采用膠粉改性瀝青，其瀝青混合料的動穩(wěn)定度得到顯著提高，說明橡膠粉改性瀝青混合料具有很好的高溫性能。

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