高性能橡膠瀝青膠漿流變特性研究

張勝芬 王曉磊

摘要：文章為了研究橡膠瀝青膠漿流變特性，采用動態(tài)剪切流變及彎曲梁流變試驗，通過70 ℃車轍因子（G*/sinδ）、-12 ℃勁度模量及m值等指標(biāo)研究橡膠粉摻量及粉膠比對橡膠瀝青膠漿高溫抗車轍性能及低溫抗裂性能的影響。研究結(jié)果表明：橡膠瀝青膠漿的高溫性能隨橡膠粉摻量及粉膠比的增加而得到改善，但會使低溫性能有所衰減;當(dāng)膠粉摻量為20%、粉膠比為0.95左右時，橡膠瀝青膠漿的流變性能最佳。

關(guān)鍵詞：橡膠粉;瀝青膠漿;流變特性;高溫性能;低溫性能

In order to study the rheological properties of rubber asphalt cement，by using the dynamic shear rheology and bending beam rheological tests，and through the 70 °C rutting factor （G*/sinδ），-12 °C stiffness modulus and m value，this article studies the effects of rubber powder content and mesh number on hightemperature antirutting performance and lowtemperature crack resistance of rubber asphalt cement.The research results show that the hightemperature performance of rubber asphalt cement is improved with the increase of rubber powder content and fillerasphalt ratio，however，the lowtemperature performance is attenuated;when the rubber powder content is 20% and the fillerasphalt ratio is about 0.95，the rheological properties of rubber asphalt cement are the best.

Rubber powder;Asphalt cement;Rheological properties;Hightemperature performance;Lowtemperature performance

0 引言

汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，使廢舊輪胎產(chǎn)生量的迅速增長，對于廢舊輪胎的處理和回收利用將是嚴(yán)峻的考驗。將廢舊輪胎進(jìn)行破碎處理制得橡膠粉，并作為原材料大量應(yīng)用于道路建設(shè)，不僅有效解決了廢舊輪胎的堆積，避免了黑色污染問題，也實現(xiàn)了廢舊輪胎的資源化再利用。同時橡膠瀝青由于其良好的路用性能，不僅降低了道路建設(shè)的經(jīng)濟(jì)成本，而且達(dá)到了綠色環(huán)保、廢物再利用的目的，因此橡膠瀝青逐漸成為道路工作者研究的熱點。

瀝青混合料被認(rèn)為是一種三級空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分散系，其中又以填料為分散相分散在瀝青介質(zhì)形成的膠漿體系最為重要，它的組成結(jié)構(gòu)與性能直接影響著瀝青混合料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及路用性能，研究膠漿性能是揭示瀝青混合料力學(xué)行為響應(yīng)和改善瀝青混合料性能的基礎(chǔ)。對于橡膠瀝青膠漿而言，加入的橡膠粉對瀝青的吸附作用以及自身的溶脹，都會對橡膠瀝青膠漿流變特性產(chǎn)生影響，并進(jìn)一步影響橡膠瀝青混合料的路用性能，因此，有必要對橡膠瀝青膠漿的流變特性展開進(jìn)一步的研究。目前，對橡膠瀝青性能的研究主要集中在橡膠粉目數(shù)、摻量、種類和瀝青種類及加工工藝等因素對橡膠瀝青軟化點、黏度、針入度、延度、存儲穩(wěn)定性、老化特性等常規(guī)技術(shù)指標(biāo)以及橡膠瀝青混合料路用性能的影響。但這些只是針對橡膠瀝青及橡膠瀝青混合料展開的研究，而針對橡膠瀝青膠漿流變特性方面的研究卻相對較少。因此，本研究采用動態(tài)剪切流變試驗（DSR）及彎曲梁流變試驗（BBR）對不同組成橡膠瀝青膠漿流變性能進(jìn)行檢測，通過車轍因子（G*/sinδ）、勁度模量及m值等技術(shù)指標(biāo)分析膠粉摻量和粉膠比對橡膠瀝青膠漿流變特性的影響規(guī)律，提出基于膠漿性能的橡膠瀝青膠漿優(yōu)化參數(shù)，以期指導(dǎo)工程施工。

1 原材料技術(shù)性質(zhì)

1.1 瀝青

基質(zhì)瀝青選用東油70#瀝青，主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

1.2 橡膠粉

橡膠粉采用廣西交科新材料科技有限公司生產(chǎn)的20目橡膠粉，技術(shù)指標(biāo)滿足表2要求。

1.3 礦粉

填料采用石灰?guī)r礦粉，其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

2 試驗方案

2.1 橡膠瀝青膠漿的制備

橡膠瀝青制備工藝：將基質(zhì)瀝青快速加熱到180 ℃，在1 min內(nèi)將橡膠粉加入到基質(zhì)瀝青中并不斷攪拌，在180 ℃±5 ℃環(huán)境下繼續(xù)攪拌30 min后，將其移至剪切機(jī)下，以4 000 r/min剪切速率剪切30 min，之后在180 ℃恒溫箱中攪拌發(fā)育60 min制得橡膠瀝青成品。

橡膠瀝青膠漿制備工藝：將加工好的橡膠瀝青加熱至180 ℃，之后將稱量好的礦粉添加至熔融狀態(tài)的橡膠瀝青中，在180 ℃溫度下攪拌均勻即可。

2.2 橡膠瀝青膠漿高溫流變特性測試

對于橡膠瀝青膠漿的高溫性能，一般通過軟化點及車轍因子等指標(biāo)進(jìn)行表征。車轍因子及復(fù)數(shù)剪切模量（G*）和相位角（δ）正弦值的比值G*/sinδ越大，瀝青的彈性行為越顯著，高溫抗車轍能力越強(qiáng)。本次研究采用動態(tài)剪切流變儀對橡膠瀝青膠漿性能進(jìn)行檢測。儀器參數(shù)設(shè)置為：采用應(yīng)力控制模式;應(yīng)力為100 Pa;頻率為1.59 HZ;試驗溫度為70 ℃。

2.3 橡膠瀝青膠漿低溫流變特性測試

SHRP提出通過低溫蠕變勁度S和蠕變勁度變化率m值表征瀝青低溫抗裂性能。蠕變勁度S越大，則瀝青越脆，路面越易產(chǎn)生低溫開裂;m值越大，則路面材料應(yīng)力松弛越大，路面抵抗由于溫度下降造成的溫度應(yīng)力的能力就越強(qiáng)，產(chǎn)生溫縮裂縫的可能性會隨之減小。因此，蠕變勁度模量較小和m值較大的瀝青膠漿具有較好的低溫抗裂性能。本次研究對不同粉膠比及不同膠粉摻量的橡膠瀝青膠漿在-12 ℃環(huán)境下進(jìn)行彎曲梁流變試驗。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 橡膠粉摻量對橡膠瀝青膠漿高溫流變特性的影響

圖1是橡膠瀝青膠漿高溫性能隨橡膠粉摻量的變化趨勢圖。由圖1可以看出，橡膠瀝青70 ℃車轍因子（G*/sinδ）在橡膠粉摻量為20%時出現(xiàn)峰值，說明橡膠粉摻量為20%時對應(yīng)的橡膠瀝青體系達(dá)到了一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。此時橡膠瀝青具有良好的高溫性能，隨著膠粉的繼續(xù)增多，過多的橡膠粉無法充分溶脹，造成脫硫和降解程度減弱;同時這部分膠粉在體系中會引起結(jié)構(gòu)失穩(wěn)從而造成橡膠瀝青高溫性能衰減;而橡膠瀝青膠漿由于填料礦粉的加入，其高溫性能都出現(xiàn)不同程度的提高。從圖1中也可明顯看出，三種粉膠比的橡膠瀝青膠漿G*/sinδ都隨著橡膠粉摻量的增加呈現(xiàn)先增加而后平緩的趨勢，這是因為礦粉吸附部分自由瀝青，形成一層粘結(jié)力較強(qiáng)的薄膜，抵消了部分橡膠粉過多引起的性能衰減，從而表現(xiàn)出橡膠瀝青膠漿高溫性能趨于平緩的現(xiàn)象。

3.2 粉膠比對橡膠瀝青膠漿高溫流變特性的影響

圖2是橡膠瀝青膠漿高溫性能隨粉膠比的變化趨勢圖。從圖2可明顯看出，隨著粉膠比的增加，G*/sinδ逐漸增大，說明填料礦粉的加入提高了橡膠瀝青膠漿的高溫抗變形能力。這是由于加入的礦粉吸附自由瀝青，在其表面形成一層粘結(jié)力較強(qiáng)的擴(kuò)散結(jié)構(gòu)膜。由于這層結(jié)構(gòu)膜的存在，礦粉被粘結(jié)在一起形成一個相對穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)保證了橡膠瀝青膠漿在高溫下不易流動變形，因此橡膠瀝青膠漿高溫性能得以增強(qiáng)。當(dāng)粉膠比過大時，多余的礦粉填充于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，使得形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，此時橡膠瀝青膠漿的高溫性能主要由礦粉承擔(dān)，從而表現(xiàn)出在高粉膠比條件下，橡膠瀝青膠漿高溫抗變形能力并不隨粉膠比的增大而顯著增強(qiáng)。

3.3 橡膠粉摻量對橡膠瀝青膠漿低溫流變特性的影響

圖3是橡膠瀝青膠漿低溫性能隨橡膠粉摻量的變化趨勢圖。由圖3可知，在低粉膠比條件下，勁度模量隨著膠粉摻量的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，m值出現(xiàn)先趨于平穩(wěn)而后下降的趨勢。這表明橡膠瀝青膠漿應(yīng)力松弛能力隨著膠粉摻量的增加先提升后降低，故而膠粉摻量為20%時對應(yīng)的低溫抗裂性能最優(yōu);在高粉膠比條件下，勁度模量隨著膠粉摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，m值總體表現(xiàn)為下降趨勢。這說明高粉膠比條件下的橡膠瀝青膠漿低溫抗裂性隨膠粉摻量的增加而逐漸減弱。

3.4 粉膠比對橡膠瀝青膠漿低溫流變特性的影響

圖4是橡膠瀝青膠漿低溫抗裂性能隨粉膠比的變化趨勢圖。從圖4可以看出，在任意膠粉摻量條件下，隨著粉膠比的增加，勁度模量呈現(xiàn)出增大的趨勢，m值呈現(xiàn)減小的趨勢。這表明：橡膠瀝青膠漿低溫抗裂性隨粉膠比的增大而變?nèi)酢＿@是因為，礦粉的加入會吸附瀝青，從而在其表面形成一層粘結(jié)力很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)瀝青薄膜，礦粉顆粒因表層的薄膜相互粘結(jié)，自由瀝青的流動被阻礙，而隨著粉膠比的增加，這種行為更加明顯，橡膠瀝青膠漿流動性更差，勁度增大，變形能力降低，低溫抗裂性能變差。

4 結(jié)語

（1）橡膠瀝青膠漿高溫抗車轍能力隨著膠粉摻量的增加逐漸增強(qiáng)，橡膠粉摻量超過20%后抗車轍能力增長緩慢。

（2）膠粉摻量為16%及20%時，對應(yīng)的橡膠瀝青膠漿高溫抗車轍能力隨著粉膠比的增大逐漸增強(qiáng);膠粉摻量為24%時，橡膠瀝青膠漿的抗車轍能力隨粉膠比的增大先增大后趨于平緩。

（3）橡膠粉摻量越多，粉膠比越大，橡膠瀝青膠漿的低溫抗裂性能越差。

（4）基于橡膠瀝青膠漿的高低溫性能及施工和易性，建議橡膠粉摻量取20%，粉膠比取0.95。

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