拌和時(shí)間及拌和溫度對(duì)橡膠瀝青性能的影響

趙 強(qiáng)

(邯鄲市交通局公路工程二處，河北 邯鄲 056001)

利用廢舊輪胎作為橡膠瀝青生產(chǎn)原料，不僅可以改善路面性能，延長(zhǎng)路面使用壽命，而且可以減輕廢輪胎帶來(lái)的環(huán)境壓力，在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，也順應(yīng)了以人為本、節(jié)能減排、資源循環(huán)利用、保護(hù)環(huán)境的時(shí)代要求，符合我國(guó)提出的建設(shè)節(jié)約型社會(huì)和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的政策，也符合我國(guó)當(dāng)前公路建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的需求。

1 橡膠瀝青性能影響因素分析

橡膠瀝青的性能受諸多因素的影響，概括起來(lái)可分為內(nèi)因和外因。內(nèi)因包括橡膠粉的目數(shù)、摻量、瀝青的種類、外摻劑等，外因包括拌和工藝、拌和時(shí)間、拌和溫度等。

在工程應(yīng)用中，橡膠瀝青的技術(shù)性能至關(guān)重要，當(dāng)原材料一定時(shí)，若生產(chǎn)工藝不當(dāng)，將對(duì)橡膠瀝青混合料的性能產(chǎn)生很大影響[1]。例如，若反應(yīng)時(shí)間過(guò)少，則橡膠瀝青中存在著較大的膠粉積聚團(tuán)體，瀝青膠體結(jié)構(gòu)中的分散相大部分沒(méi)有與膠粉結(jié)合形成穩(wěn)定體系；若攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溶脹引起的橡膠顆粒體積增加與脫硫降解導(dǎo)致的橡膠顆粒的體積減小處于不平衡狀態(tài)時(shí)，黏度會(huì)降低。由此可見(jiàn)，控制好橡膠瀝青的生產(chǎn)工藝非常關(guān)鍵，是保證橡膠瀝青技術(shù)性能優(yōu)良的前提。本文將在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量試驗(yàn)來(lái)探討攪拌時(shí)間、拌和溫度對(duì)橡膠瀝青性能的影響。

2 原材料的選擇

橡膠粉是廢舊橡膠制品經(jīng)切割、粉碎加工而成，也稱橡膠屑。路用橡膠粉的來(lái)源通常為廢舊輪胎，故也稱為廢胎膠粉。橡膠粉質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到橡膠瀝青的技術(shù)性能。在橡膠瀝青技術(shù)成熟的國(guó)家，對(duì)路用橡膠粉都制定了相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2]，這有利于保證橡膠瀝青質(zhì)量的穩(wěn)定。我國(guó)橡膠粉生產(chǎn)技術(shù)相對(duì)落后，橡膠成分十分復(fù)雜，含有幾十種對(duì)橡膠瀝青有效的成分，分析橡膠成分的過(guò)程也很繁瑣，儀器設(shè)備并不常見(jiàn)，這給我國(guó)路用橡膠粉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定帶來(lái)了很大的困難。因此試驗(yàn)選用的橡膠粉必須符合交通運(yùn)輸部頒布的《路用廢胎硫化橡膠粉》（JT/T 797—2011）中的物理技術(shù)指標(biāo)、化學(xué)技術(shù)指標(biāo)要求，見(jiàn)表1與表2。基質(zhì)瀝青選用70#瀝青，指標(biāo)如表3所示。

表1路用橡膠粉的物理技術(shù)指標(biāo)

表2路用橡膠粉的化學(xué)技術(shù)指標(biāo)

表3 基質(zhì)瀝青基本指標(biāo)

3 拌和時(shí)間的確定

大量試驗(yàn)結(jié)果表明，在高溫下，橡膠瀝青反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，橡膠瀝青的高溫性能就越低。為了確定出合適的反應(yīng)時(shí)間，很多國(guó)家開(kāi)展過(guò)關(guān)于反應(yīng)時(shí)間對(duì)橡膠瀝青性能影響的研究。巴西的研究人員是通過(guò)比較相同粒徑的橡膠粉的溶脹變化，采用0.5～2mm研磨粉碎的橡膠粉和AC50/70的基質(zhì)瀝青在190℃下反應(yīng)，得到橡膠瀝青的黏度、軟化點(diǎn)、針入度、彈性恢復(fù)等主要性能參數(shù)隨反應(yīng)時(shí)間的變化而變化的關(guān)系曲線[3]。南非確定的反應(yīng)時(shí)間為1～4h，澳大利亞為1～2h，智利為1h，美國(guó)加利福尼亞州為不小于45min，美國(guó)德克薩斯州為為不小于30min，美國(guó)亞利桑那州為1h。溶脹時(shí)間是影響橡膠瀝青質(zhì)量的關(guān)鍵因素。膠粉顆粒在熱瀝青中會(huì)一直持續(xù)反應(yīng)，而橡膠瀝青從開(kāi)始加工到施工結(jié)束冷卻這個(gè)過(guò)程中溫度都一直處于變化之中，因此不利于橡膠瀝青的質(zhì)量穩(wěn)定。如果能找出膠粉細(xì)度、溫度、時(shí)間與橡膠、瀝青的反應(yīng)程度的關(guān)系，那將成為控制橡膠瀝青質(zhì)量的重要依據(jù)。

本研究選取60目橡膠粉，摻量為20%，基質(zhì)瀝青為70#石油瀝青，試驗(yàn)溫度為190℃，選定15min、30min、45min、60min、75min、90min 六個(gè)不同攪拌時(shí)間，對(duì)制成的橡膠瀝青進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖4所示。

圖1 軟化點(diǎn)—反應(yīng)時(shí)間曲線

圖2 針入度—反應(yīng)時(shí)間曲線

圖3 5℃延度—反應(yīng)時(shí)間曲線

圖4 180℃布氏黏度—反應(yīng)時(shí)間曲線

由圖1～圖4可以看出，在反應(yīng)時(shí)間為60min時(shí)，軟化點(diǎn)和180℃布氏黏度達(dá)到峰值；針入度和5℃延度呈現(xiàn)出隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小的趨勢(shì)。結(jié)合已有研究成果可知，若反應(yīng)時(shí)間過(guò)短，則瀝青膠體結(jié)構(gòu)中的分散相大部分沒(méi)有與膠粉結(jié)合形成穩(wěn)定體系，在拉應(yīng)力作用下膠粉積聚團(tuán)本身會(huì)被分裂，最終導(dǎo)致橡膠瀝青的抗拉能力下降。若攪拌時(shí)間太長(zhǎng)，則溶脹引起的橡膠顆粒體積增加與脫硫降解導(dǎo)致的橡膠顆粒的體積減小處于不平衡狀態(tài)，黏度會(huì)降低，針入度和延度呈減小趨勢(shì)。因此，本文建議制備橡膠瀝青時(shí)的最佳反應(yīng)時(shí)間為60min左右。

4 拌和溫度的確定

加工溫度是影響橡膠粉和瀝青反應(yīng)效果的另一個(gè)重要參數(shù)。各國(guó)甚至各地的加工溫度標(biāo)準(zhǔn)都不一樣，但基本集中在180～200℃左右[4]。如南非規(guī)定拌和溫度范圍為180～210℃；澳大利亞規(guī)定不低于180℃，同時(shí)認(rèn)為溫度高于200℃會(huì)導(dǎo)致天然橡膠老化；美國(guó)加利福尼亞州規(guī)定的拌和溫度范圍是190～218℃，德克薩斯州為175～215℃，亞利桑那州為163～191℃；智利為180～200℃。

在橡膠瀝青加工過(guò)程中，反應(yīng)溫度直接影響到最終生產(chǎn)的橡膠瀝青的性能。一般來(lái)說(shuō)，瀝青的溫度越高，其黏度越小，橡膠粉在瀝青中越容易分散，橡膠粉越容易溶脹，從而導(dǎo)致橡膠瀝青的黏度提高[5]；反應(yīng)溫度越高，瀝青的老化也越嚴(yán)重，同時(shí)在高溫下，橡膠粉內(nèi)部的脫硫反應(yīng)也越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致橡膠瀝青的黏度降低。

本文在確定了最佳反應(yīng)時(shí)間的基礎(chǔ)上，對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行常規(guī)性能測(cè)試和老化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4不同反應(yīng)溫度條件下橡膠瀝青的性能試驗(yàn)結(jié)果

分析表4可知：隨著拌和溫度的升高，橡膠瀝青的軟化點(diǎn)和黏度逐漸增大，針入度逐漸降低，延度在190℃左右出現(xiàn)峰值；當(dāng)反應(yīng)溫度較低時(shí)，基質(zhì)瀝青的黏度較小，膠粉在瀝青中比較容易分散，進(jìn)而得以充分地溶脹，橡膠瀝青的黏度也隨之逐漸增大，但當(dāng)反應(yīng)溫度高于190℃后，雖然橡膠瀝青的黏度還在增大，但其抗老化性能逐漸降低。因此，建議橡膠瀝青的最佳反應(yīng)溫度為190℃。

5 結(jié)論

（1）攪拌時(shí)間太長(zhǎng)，橡膠瀝青的黏度會(huì)降低，針入度和延度呈減小趨勢(shì)。因此，建議制備橡膠瀝青時(shí)的最佳反應(yīng)時(shí)間為60min左右。

（2）當(dāng)反應(yīng)溫度較低時(shí)，基質(zhì)瀝青的黏度較小，當(dāng)反應(yīng)溫度較高時(shí)，橡膠瀝青的黏度會(huì)增大。結(jié)合對(duì)抗老化性能的考慮，建議橡膠瀝青的最佳反應(yīng)溫度為190℃。

[1] 石洪波，鄒明旭，廖克儉，等.廢橡膠粉改性道路瀝青的研究發(fā)展[J].化學(xué)工程與工程技術(shù)，2005（2）：27-30.

[2] 陶國(guó)良，楊基和，王占華，等.精細(xì)膠粉改性石油瀝青材料[J].江蘇石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，12（3）：16-19.

[3]董誠(chéng)春.膠粉改性瀝青的生產(chǎn)及在公路建設(shè)中的應(yīng)用[J].特種橡膠制品，2003，（6）3：19-23.

[4] 李志棟，黃曉明，侯曙光，等.應(yīng)用測(cè)力延度試驗(yàn)評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫性能[J].公路交通科技，2005，22（5）：17-18.

[5] 黃彭，呂偉民，魏曉靜，等.橡膠粉改性瀝青混合料性能與工藝技術(shù)研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2001，14（增刊）：4-7.