橡膠/塑料復合改性瀝青及混合料的流變性能

張紅春

摘 要：以廢舊橡膠和塑料為改性劑，采用合理的制備工藝對基質瀝青及混合料進行改性，并通過動態剪切流變試驗對單相改性和復合改性瀝青展開研究。結果顯示：相比于單相改性，復合改性明顯改善了瀝青的高溫性能和感溫性，但會使其抗疲勞性能有所降低；橡膠、塑料復合改性瀝青混合料的流變性指標的變化趨勢與溫度區間有關，綜合確定最佳的橡膠、塑料比例為7∶3。

關鍵詞：道路工程；改性瀝青；復合改性；流變特性

中圖分類號：U414.01 文獻標志碼：B

文章編號：1000-033X（2017）03-0058-05

Abstract： The matrix asphalt and mixture were modified with waste rubber and plastic in a reasonable preparation process， and the dynamic shear rheological test was carried out to study the separate and composite modification of asphalt. The results show that compared with the separate modification， the composite modification can obviously improve the high temperature performance and temperature susceptibility of the asphalt， but it will reduce the fatigue performance； the change tendency of the rheological indicators of the rubber and plastic composite modified asphalt mixture is related to the temperature range， and the optimum ratio of rubber to plastic is 7∶3.

Key words： road engineering； modified asphalt； composite modification； rheological property

0 引 言

道路工程中，將廢舊橡膠和塑料用于瀝青改性不僅能改善瀝青的性能，延長瀝青路面的使用壽命，而且能為利用工業廢料提供一條合理途徑[1-3]。馬朝鮮、耿立濤等人的研究表明，以廢舊橡膠為改性劑能明顯提高瀝青的低溫性能，但會劣化瀝青的高溫性能；賴增成、劉克等人將廢舊塑料顆粒用于瀝青改性，結果表明塑料雖然能顯著改善瀝青的高溫性能，但對瀝青低溫性能和彈性變形能力的改善程度較差[4-6]。因此，以單一的改性劑對瀝青改性，雖然能改善某方面的性能，但會使其他性能劣化；而采用2種不同材料對瀝青進行改性，可以發揮2種材料各自的優勢，同時兼顧瀝青的各方面性能，對瀝青進行最優化的改性[7-8]。基于此，本文通過流變試驗研究不同橡塑比（R/P，橡膠含量為R，塑料含量為P）時瀝青的流變特性，并與橡膠或塑料單相改性的瀝青對比，優選出合理的R/P；在最佳R/P的基礎上，研究復合改性瀝青混合料、橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的流變特性，為廢舊橡膠和塑料在道路工程中的應用提供理論參考。

1 試 驗

1.1 原材料

基質瀝青采用AS70#瀝青，改性瀝青選用星型SBS改性瀝青，其主要技術指標見表1、2。橡塑復合改性劑為自行研發，其中R/P分別控制為1∶1、3∶2、7∶3，橡塑復合改性劑總摻量為15%；粗細集料均選用玄武巖，礦粉選用磨細的石灰石粉，集料和礦粉都有良好的物理力學性能，混合料級配選用SMA-13，其合成級配見表3 。

1.2 橡塑復合改性瀝青的制備

橡塑復合改性瀝青的制備采用高速剪切法。首先將基質瀝青加熱至一定溫度后，相繼加入15%的橡塑復合改性劑和0.5%的穩定劑，并在190 ℃條件下發育4 h后，采用高速剪切機以4 000 r·min-1的剪切速率剪切一定時間，制得橡塑復合改性瀝青。

1.3 試驗方法

采用Bohlin Gemin Ⅱ型動態剪切流變儀（DSR）測定各種瀝青的相位角δ和復數模量G*。采用車轍因子G*/sin δ表征橡膠瀝青混合料的抗車轍能力，G*/sin δ越大，表明瀝青路面的高溫抗車轍能力越好。采用疲勞因子G*sin δ評價瀝青的抗疲勞性能，G*sin δ越小，表明瀝青抗疲勞性能越好。試驗采用應力控制模式，設定頻率為10 Hz。

利用旋轉壓實法制備尺寸為Φ150×170 mm的瀝青混合料試件，并冷卻至室溫后，鉆取規格為Φ100的芯樣，將芯樣兩端切除，控制高度為148～152 mm，由SPT試驗儀測定試件的動態模量和相位角，評價瀝青混合料的流變特性。

2 瀝青流變性能

利用DSR測定不同溫度下R/P分別為1∶1、3∶2和7∶3的橡塑復合改性瀝青的δ、G*，得到G*/sin δ和G*sin δ，并與基質瀝青、橡膠瀝青和塑料改性瀝青作對比，結果如圖1所示。

從圖1可以看出，相比于基質瀝青，5種改性瀝青的δ大幅減小、G*大幅增大。表明在相同溫度下，改性瀝青的黏性變形性能較弱，抗低塑性變形能力更強。不同橡塑比的3種復合改性瀝青的G*大于橡膠改性瀝青，而橡膠改性瀝青的G*大于塑料改性瀝青。其原因主要為：改性劑加入后與瀝青發生吸附作用，形成穩定的三維網絡結構，瀝青分子間的黏結力增強，從而限制瀝青向黏流態轉化[9-12]。相比于塑料，橡膠粉在高溫時具有較高的彈性，荷載作用時變形較大，對瀝青分子的束縛力較小，因此橡膠改性瀝青的G*小于塑料改性瀝青；塑料和橡膠復合改性時，高溫使塑料分子和橡膠分子發生共混，形成一定程度的接支，更有利于三維網絡結構的形成，因此G*增大[13-15]。橡塑復合改性瀝青的δ值位于橡膠改性瀝青和塑料改性瀝青之間，相比于塑料，橡膠粉的變形能力和變形恢復能力更強，在外力作用時，橡膠粉能發生明顯的變形，吸收較多的能量，使瀝青的抗變形能力增強。故橡膠改性瀝青的彈性性質最強，塑料改性瀝青的彈性性質最弱，橡塑復合改性瀝青位于兩者之間。

總體來說，橡塑復合改性瀝青的G*/sin δ都大于單相改性瀝青，表明橡塑復合改性瀝青具有更好的抗車轍能力[16-18]。當溫度高于60 ℃時，3種橡塑復合改性瀝青的G*sin δ都大于橡膠改性瀝青；而當溫度低于60 ℃時，R/P為7∶3的橡塑復合改性瀝青的G*sin δ小于塑料改性瀝青，大于橡膠改性瀝青，表明橡塑復合改性雖然提高了瀝青的抗車轍性能，卻降低了其抗疲勞性能，路面更容易出現疲勞開裂。隨著R/P的增大，G*/sin δ和G*sin δ都逐漸下降。這主要是因為：相比于橡膠粉，塑料顆粒具有更高的硬度，隨著R/P的增大，橡塑共混體系強度逐漸降低，而變形能力逐漸增強，因此路面的抗車轍能力下降，而抗疲勞開裂能力上升。從G*/sin δ和G*sin δ結果來看，當R/P為7∶3時，橡塑復合改性瀝青具有較高的抗車轍能力，且抗疲勞能力最佳。

為了評價瀝青對溫度變化的敏感性，對6種瀝青的G*/sin δ和溫度進行雙對數線性回歸，回歸方程如下，結果見表4。

從表4可以看出，6種瀝青的G*/sin δ與溫度之間都有良好的雙對數相關關系，5種改性瀝青的|m|大于基質瀝青，其中橡塑復合改性瀝青和塑料改性瀝青的|m|明顯大于橡膠改性瀝青。這主要是因為：隨著溫度的升高，橡膠粉活性增強，變形逐漸明顯，因此橡膠改性瀝青的感溫性較高；而隨著塑料的摻入，改性劑中橡膠的比例下降，感溫性得到改善。在橡塑復合改性瀝青中，當R/P為7∶3時|m|最小，瀝青對溫度的敏感性最低，因此從感溫性角度考慮，推薦R/P為7∶3。

3 瀝青混合料流變性能

控制R/P為7∶3，測定不同溫度（5 ℃、15 ℃、30 ℃、45 ℃和60 ℃）時，橡塑復合改性瀝青混合料、橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的動態模量（E）和相位角（d）隨頻率（0.1、0.5、1、5、10、20 Hz）的變化規律，并對比3種瀝青混合料在10 Hz時的動態模量和相位角，結果如圖2、3所示。

從圖2可以看出，3種瀝青混合料的動態模量都隨著頻率的增大逐漸增大，其中當溫度低于30 ℃時動態模量隨頻率的變化較小，當溫度超過30 ℃時動態模量隨頻率的變化較大。其原因為：在動態荷載作用下，瀝青混合料被加載時不會瞬時被壓縮，卸載時也不會瞬時完全恢復，會發生應變滯后于應力的現象，且荷載頻率越大，應變對荷載響應的滯后現象越嚴重，因此動態模量越大。當溫度低于30 ℃時，瀝青混合料彈性性質相對較強，而黏性性質相對較弱，隨著頻率的增大，應變滯后于應力的現象不明顯，因此動態彈性模量的變化較小；而當溫度超過30 ℃時，瀝青混合料彈性比例下降，黏性比例上升，荷載作用時的滯后現象較嚴重，因此動態模量的變化較大。

從3種瀝青混合料的動彈性模量對比可以看出，在相同條件下橡塑復合改性瀝青混合料的動彈性模量大于橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料，而橡膠瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料的動態模量較為接近。這主要是因為：橡膠粉和SBS改性劑都具有良好的彈性變形能力，在動態荷載作用時瀝青混合料的變形較大且恢復能力較強；而橡塑復合改性瀝青中的塑料顆粒使瀝青黏度增加，混合料整體的強度增大，變形恢復能力減弱，因此動彈性模量較大。

從圖3可以看出，當溫度低于30 ℃時，隨著頻率的增大瀝青混合料的相位角逐漸減小；而當溫度超過30 ℃時，相位角隨著頻率的增大而增大。其原因主要為：當溫度低于30 ℃時，瀝青結合料黏度較大，在荷載作用時對瀝青混合料的貢獻較大，材料主要體現彈性性質，因此相位角隨著頻率的增大逐漸減小；而當溫度超過30 ℃時，瀝青結合料黏度降低，瀝青混合料承載能力主要取決于礦料形成的骨架，隨著頻率增大，骨架的單純性影響逐漸減弱，在高頻荷載作用下雖然瀝青表現出一定的彈性性質，但仍遠低于低頻時骨架的影響，因此相位角呈增大趨勢。

在相同條件下，當溫度低于45 ℃時，橡塑復合改性瀝青混合料的相位角低于橡膠瀝青混合料或SBS改性瀝青混合料；而當溫度超過45 ℃時，橡塑復合改性瀝青混合料的相位角高于橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料[19-20]。這表明：在低溫度區，橡塑復合改性瀝青混合料的黏性性質弱于橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料；而在高溫區段內，橡塑復合改性瀝青混合料的黏性性質高于橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料。

4 結 語

（1）橡塑復合改性瀝青的G*大于單相改性瀝青；橡塑復合改性雖然使瀝青的高溫抗車轍能力提高，但會降低瀝青的抗疲勞性能，路面更易發生疲勞開裂；當R/P為7∶3時，橡塑復合改性瀝青在具有較高抗車轍能力的同時，具有較好的抗疲勞性能。

（2）G*/sin δ與溫度之間具有良好的雙對數相關關系，其中改性瀝青的|m|大于基質瀝青；橡塑復合改性瀝青和塑料改性瀝青的|m|明顯大于橡膠改性瀝青；不同橡塑比復合改性瀝青中，當R/P為7∶3時|m|最小，瀝青的感溫性最低。因此推薦R/P為7∶3。

（3）當溫度低于30 ℃時，3種瀝青混合料的動態模量隨頻率增長的趨勢不明顯，而當溫度超過30 ℃時，動態模量隨頻率的增長趨勢較顯著；橡塑復合改性瀝青混合料的動彈性模量明顯大于橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料。

（4）當溫度低于45 ℃時，相比于橡膠瀝青混合料或SBS改性瀝青混合料，橡塑復合改性瀝青混合料具有更小的相位角；而當溫度超過45 ℃時，橡塑復合改性瀝青混合料的相位角大于橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料。

參考文獻：

[1] 黃文元，張隱西.路面工程用橡膠瀝青的反應機理與進程控制[J].公路交通科技，2006，23（11）：5-9.

[2] 耿立濤，楊新龍，任瑞波，等.穩定型橡膠改性瀝青混合料動態模量預估[J].建筑材料學報，2013，16（4）：720-724.

[3] 馬曉燕.橡膠瀝青及橡膠瀝青混合料性能影響因素研究[D].西安：長安大學，2012.

[4] 馬朝鮮.復合改性橡膠瀝青應用技術研究[J].筑路機械與施工機械化， 2015，32（12）：46-48.

[5] 賴增成，劉 克，楊錫武，等.廢舊塑料改性瀝青性能研究[J].山東科技大學學報：自然科學版，2010，29（5）：73-77.

[6] 楊錫武，劉 克.對研究廢舊塑料改性瀝青的思考[J].西藏大學學報：自然科學版，2010，25（1）：68-75.

[7] 于 新，孫文浩，羅怡琳.橡膠瀝青溫度敏感性評價方法研究[J].建筑材料學報，2013，16（2）：266-270.

[8] 黃 彭，呂偉民，張福清，等.橡膠粉改性瀝青混合料性能與工藝[J].中國公路學報，2001，14（21）：4-7.

[9] 張 倩，謝來斌，李彥偉，等.廢舊塑料改性瀝青混合料動態模量研究[J].西安建筑科技大學學報：自然科學版，2011，43（5）：755-759.

[10] 李玉環.廢舊塑料改性瀝青的研究[D].北京：中國石油大學，2010.

[11] 李駿宇.廢舊聚乙烯該系瀝青及其混合料的性能研究[D].長沙：長沙理工大學，2012.

[12] 王元元，董 強，李昌洲.廢塑膠粉復合改性瀝青及其混合料性能研究[J].重慶交通大學學報：自然科學版， 2012， 31（5）：65-67.

[13] 楊 光，申愛琴，陳志國，等.季凍區橡膠粉/SBS復合改性瀝青工廠化參數分析與性能評價[J].公路交通科技， 2015， 32（12）：29-37.

[14] 劉貞鵬.SBS/橡膠復合改性瀝青混合料高溫性能研究[D].重慶：重慶交通大學， 2014.

[15] 劉漢中.廢舊輪胎橡膠粉復合改性瀝青性能試驗研究[D].長沙：長沙理工大學， 2010.

[16] 羅 妮.廢橡膠粉及廢橡膠粉復合改性瀝青的性能研究[J].湖南交通科技， 2008， 34（2）：12-15.

[17] 李廣權.橡膠粉改性瀝青技術性能及質量控制研究[J].中國公路學報，2015，28（4）：1-3，5.

[18] 許明娟.廢舊塑料橡膠復合改性瀝青應用技術研究[D].南京：東南大學， 2015.

[19] 石洪波，王洪國，廖克儉，等.廢舊橡膠粉改性瀝青感溫性的評價[J].科學技術與工程，2006，6（4）：439-442.

[20] 原健安，李玉珍，周吉萍.SBS改性瀝青的兩種典型亞微觀結構[J].長安大學學報：自然科學版， 2005， 25（5）：19-24.

[責任編輯：杜敏浩]