橡膠瀝青及其混合料高溫性能研究

2014-06-07 13:07:30馬澤軍肖啟勁

山西建筑 2014年17期

馬澤軍肖啟勁*

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

1 概述

改革開放以來，我國的交通建設事業得到飛速的發展，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良的使用性能得到廣泛應用。然而，由于我國嚴重的公路運輸超載問題導致了許多在近年建成通車的高等級公路路面都出現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定類病害。提高瀝青混凝土材料的高溫穩定性，是當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。而隨著汽車數量的增長也產生了一個新問題——廢棄輪胎的大量堆積，這導致了巨大的社會環保問題: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境污染。由于橡膠和瀝青同屬于高分子有機材料，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展方向。發展廢舊輪胎橡膠粉用于道路建設事業既可以提高路面使用性能，又能夠解決廢舊輪胎帶來的環境污染問題，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用提供技術支持。

2 原材料

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

表1 橡膠粉顆粒參數指標

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

表2 三種瀝青的參數指標

3 橡膠瀝青高溫性能

本次研究選擇針入度、軟化點和135℃粘度這三個指標作為橡膠粉瀝青高溫性能的常規指標。考慮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。我國現行標準是以針入度為等級來劃分瀝青的標號。

試驗溫度25℃，總質量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果。

圖1 不同橡膠粉摻量的針入度試驗結果

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定性。我國現行規范試驗法是采用環球軟化點法(R＆B)。圖2為軟化點試驗結果。

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理不同。橡膠顆粒在瀝青中雖然產生了體積變化，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展出分子鏈接，橡膠顆粒之間沒有較強的化學粘結，軟化點測試結果實際上是橡膠顆粒之間自由瀝青的軟化點，反映的是瀝青輕質組分被吸收后瀝青質增加的影響。這種影響不會像SBS等其他高聚物改性瀝青能夠產生織態結構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指標，粘度大的瀝青在荷載作用下產生較小的剪切變形，彈性恢復性能好，與瀝青混合料的動穩定度有很好的相關關系。粘度是對流體流變特性的一種度量，反映流體發生流動時其內部分之間摩擦阻力的大小。而且改性瀝青流體的流變性質與基質瀝青和改性劑之間的混合均勻程度有著密切的聯系。Brookfield旋轉粘度計通過計算剪切速率和剪應力能又快又容易地測量瀝青的高溫粘度。

進行試驗中發現，當采用較大的鉆子時，鉆子和固定的容器的側壁縫隙較小，其尺寸已經與部分未溶脹完全的橡膠粉顆粒接近。當鉆子旋轉以后，較大的橡膠粉顆粒可能會在側壁產生摩擦和阻力，間接提高了摩阻系數，從而直接影響了旋轉粘度的準確性。所以在進行旋轉粘度試驗時應考慮在儀器允許的量程內盡量選取標號較高、尺寸較小的鉆子，以確保試驗數據的準確性。

本次研究測定了不同摻量下135℃時的布氏粘度，其結果如圖3所示。

圖3 135℃布氏粘度試驗結果

從圖3試驗結果看出，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出良好的規律性。當橡膠粉摻量達到22%后，粘度的增幅相當大，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果的準確性。粘度的增大可能是由于在布氏旋轉粘度試驗過程中，橡膠粉顆粒與鉆子產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。