橡膠瀝青水老化性能試驗研究

吳美平

（南京市江北新區(qū)建設(shè)和交通工程質(zhì)量檢測中心，江蘇 南京 211500）

0 引言

從 20 世紀(jì) 60 年代開始，美國已經(jīng)開始將廢舊輪胎粉添加到瀝青之中以制備橡膠瀝青，既實現(xiàn)了廢膠粉的資源化利用，又改善了瀝青的技術(shù)性能，因此，橡膠瀝青一直是道路工作者的關(guān)注熱點［1-3］。近些年來，針對傳統(tǒng)橡膠瀝青施工粘度過大等問題，有學(xué)者通過添加 TOR 維他改性劑，不僅降低了橡膠瀝青的施工粘度，而且增加了其存儲穩(wěn)定性，推動了橡膠瀝青的進(jìn)一步利用［4-5］。

當(dāng)前，人們對于新制備橡膠瀝青的各類性能已有了較充分的認(rèn)識，但瀝青路面的服役壽命長達(dá)數(shù)年乃至十?dāng)?shù)年，在此期間，瀝青承受交通荷載和環(huán)境因素的雙重作用，必然不可避免產(chǎn)生老化，導(dǎo)致瀝青變硬變脆［6-7］，而人們尚未對橡膠瀝青的抗老化性能進(jìn)行深入研究，這影響了橡膠瀝青的推廣應(yīng)用。因此，本文擬對傳統(tǒng)橡膠瀝青和 TOR 橡膠瀝青的抗老化性能進(jìn)行研究，通過室內(nèi)試驗?zāi)M并測試自然因素（熱、水、氧等）組合對橡膠瀝青技術(shù)性能的影響，為橡膠瀝青路面的耐久使用提供理論支撐。

1 橡膠瀝青的制備

試驗選用 70# 基質(zhì)瀝青作為制備橡膠瀝青的基體，所用膠粉為姜堰產(chǎn) 60 目膠粉，TOR 為德國專利產(chǎn)品。對于常規(guī)橡膠瀝青，膠粉摻量為基體瀝青質(zhì)量的 18 %；對于 TOR 橡膠瀝青，再摻入膠粉質(zhì)量 4.5 % 的TOR。制備時首先將基質(zhì)瀝青加熱至 170 ℃，然后將稱量好的膠粉/TOR 邊攪拌邊加入瀝青中，以 500 rpm 的攪拌速率持續(xù)攪拌 60 min，制備過程中嚴(yán)格控制瀝青溫度。攪拌結(jié)束后在保溫狀態(tài)下發(fā)育 60 min。基體瀝青和橡膠瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)如表 1 所示。

表1 瀝青技術(shù)性能指標(biāo)

2 試驗方案

援引 JTG E20－2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中瀝青薄膜加熱試驗（T0609－2011）來模擬瀝青的短期老化過程，壓力老化容器試驗（T0630－2011）模擬瀝青的長期老化過程，在進(jìn)行長期老化試驗的同時加入水汽以模擬水分對老化的影響［8］。本試驗在水分中加入氯鹽［9］和硫酸［10］以進(jìn)一步模擬水分酸堿度和和氯鹽含量對瀝青老化的影響。

將所需瀝青進(jìn)行老化處理后，分別使用軟化點試驗（T0606－2011）、黏度試驗（T0625－2011）、動態(tài)剪切流變試驗（DSR）（T0628－2011）和彎曲流變試驗（BBR）（T0627－2011）測試瀝青老化前后的各項技術(shù)性能指標(biāo)，通過分析指標(biāo)的變化來探究橡膠瀝青的抗老化性能。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 軟化點試驗結(jié)果及分析

橡膠瀝青軟化點測試指標(biāo)如表 2 所示。由表 2 可知，隨著水的 pH 值和氯鹽含量的改變，經(jīng)水老化試驗后瀝青的軟化點也隨之改變。試驗結(jié)果可以看出，水中 pH 值大小和氯鹽含量的多少影響瀝青長期老化后的性能。當(dāng) pH＜5.5（酸雨的 pH 值小于 5.6）時，隨著 pH 值的增大，橡膠瀝青和 TOR 橡膠瀝青的軟化點逐漸降低，而當(dāng) 5.5≤pH≤7.5 時，其軟化點隨著 pH 變化基本上不發(fā)生變化。隨著氯鹽含量的增加，橡膠瀝青和 TOR 橡膠瀝青瀝青的軟化點也都呈現(xiàn)出增加的趨勢。

表2 軟化點試驗結(jié)果 ℃

3.2 粘度試驗結(jié)果及分析

圖1 粘度測試結(jié)果

橡膠瀝青粘度測試結(jié)果如圖 1 所示。粘度是瀝青重要性能指標(biāo)之一，既能反映瀝青的高溫性能，又能表征其施工和易性。從圖 1 可以看出橡膠瀝青和 TOR 橡膠瀝青在不同的 pH 值和氯鹽含量下，粘度是不同的。在相同條件下，TOR 橡膠瀝青的粘度高于橡膠瀝青，說明 TOR 橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性好于橡膠瀝青。就水分pH 值對橡膠瀝青粘度影響而言，兩種橡膠瀝青的粘度均隨著 pH 值的增大而呈現(xiàn)出凹形拋物線趨勢，拋物線拐點對應(yīng)的 pH 值為 5.5～6.5，并且拐點之后橡膠瀝青粘度隨 pH 值的變化趨緩。就氯鹽含量對橡膠瀝青粘度影響而言，兩種橡膠瀝青的粘度均隨著氯鹽含量增加而增加，說明氯鹽含量越高，對瀝青造成的老化越明顯。

結(jié)合軟化點和粘度試驗結(jié)果可知：在水老化試驗中，隨著水中 pH 值大小和氯鹽含量的多少對橡膠瀝青軟化點和粘度的影響更突出一些。

3.3 DSR 試驗結(jié)果及分析

橡膠瀝青的 DSR 測試結(jié)果以疲勞因子（G*·sinδ）表示，結(jié)果如表 3 所示。疲勞因子表征的是瀝青的抗疲勞開裂能力，瀝青的疲勞因子越大，說明瀝青更容易在各類荷載下發(fā)生疲勞開裂。由表 3 可以看出，在本文所選的測試溫度下，TOR 橡膠瀝青的疲勞因子均更小，說明 TOR 的摻入有效改善了常規(guī)橡膠瀝青的抗疲勞能力。就水分 pH 值對疲勞因子的影響而言，兩種橡膠瀝青的疲勞因子均隨著 pH 值的增大而呈現(xiàn)出凹形拋物線趨勢，并且拐點之前橡膠瀝青疲勞因子隨 pH 值的變化較為劇烈，拐點之后這一變化趨緩。就氯鹽含量對橡膠瀝青疲勞因子影響而言，兩種橡膠瀝青的疲勞因子均隨著氯鹽含量增加而增加，說明氯鹽含量越高，橡膠瀝青的抗老化性能越低。

3.4 BBR試驗結(jié)果及分析

BBR 測量結(jié)果以蠕變勁度 S 和勁度變化速率 m 值來表示，這兩個指標(biāo)均用以表征瀝青的低溫性能。其中，S 值越小，表明瀝青在低溫下具有更好的變形能力，降低了其低溫脆裂的可能；m 值越大，說明瀝青消散應(yīng)力的能力越好，也能夠減低瀝青因溫度應(yīng)力發(fā)生開裂的可能。

橡膠瀝青 BBR 測試結(jié)果如表 4 所示。由表 4 可知，兩種橡膠瀝青的 S 值均隨著溫度降低而增大，m 值則隨著溫度降低而減小，說明溫度越低，橡膠瀝青的低溫性能越差。就水分 pH 值對測試結(jié)果的影響而言，兩種橡膠瀝青的 S 值均隨著 pH 值的增大而呈現(xiàn)出凹形拋物線趨勢，m 值均隨著 pH 值的增大呈現(xiàn)出凸形拋物線趨勢，并且拐點之前測試指標(biāo)隨 pH 值的變化較為劇烈，拐點之后這一變化趨緩。就氯鹽含量對測試指標(biāo)的影響而言，S 值均隨著氯鹽含量增加而增加，m 值則呈現(xiàn)相反趨勢，說明氯鹽含量的增加對橡膠瀝青的長期低溫性能具有不利影響。

表3 疲勞因子 G*·sin δ 試驗結(jié)果

表4 蠕變勁度 S 和蠕變速率 m 的試驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文對常規(guī)橡膠瀝青和 TOR 橡膠瀝青的長期水老化性能展開研究，探究水分 pH 值和氯鹽含量對橡膠瀝青抗水老化性能的影響，結(jié)論如下。

1）在未經(jīng)老化階段，TOR 橡膠瀝青的高溫及低溫指標(biāo)均優(yōu)于常規(guī)橡膠瀝青，表明 TOR 橡膠瀝青的技術(shù)性能更優(yōu)。

2）在相同老化條件下，TOR 橡膠瀝青的高溫及低溫指標(biāo)均優(yōu)于常規(guī)橡膠瀝青，表明 TOR 橡膠瀝青的抗老化性能更優(yōu)。

3）在水分 pH 值對橡膠瀝青抗老化性能影響方面，橡膠瀝青的高溫和低溫性能指標(biāo)均隨著 pH 值的增大而呈現(xiàn)出拋物線變化趨勢，拋物線拐點對應(yīng)的 pH 值為5.5～6.5，并且拐點之前測試指標(biāo)隨 pH 值的變化較為劇烈，拐點之后這一變化趨緩，說明 pH 值越低，對橡膠瀝青老化性能影響越大。

4）在氯鹽含量對橡膠瀝青抗老化性能影響方面，橡膠瀝青的高溫和低溫性能指標(biāo)均隨著氯鹽含量增加而劣化，氯鹽含量對橡膠瀝青的抗老化性能具有明顯影響。