橡膠瀝青性能試驗及影響因素分析

馮明林，馮正翔，鄭偉，馮志強

(1. 河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；2. 江蘇省無錫交通高等職業技術學院 交通工程學院，江蘇 無錫 214151；3. 浙江績豐巖土技術股份有限公司，浙江 杭州 310000；4. 河南交通職業技術學院，河南 鄭州 450000)

隨著汽車行業的飛速發展，使得廢舊輪胎的黑色污染日趨嚴重。但是，經過特殊生產工藝將其研磨成膠粉顆粒并通過干拌或濕拌的方法加入到瀝青混合料中，不僅實現了綠色交通發展的理念，也改善了瀝青路面的使用質量。方爍[1-3]等人將橡膠粉添加到瀝青中，發現膠粉在提高瀝青復數剪切模量、降低相位角的同時，瀝青混合料抗車轍性能和疲勞性能也得到改善。程其瑜[4-6]等人研究了不同橡膠粉摻量改性瀝青破壞溫度的變化情況。發現：當橡膠粉摻量從10%增加到20%時，破壞溫度大大提升。張爭奇[7]等人將SBS與膠粉共同用于基質瀝青的復合改性，結合二者的優點，提高了瀝青的整體性能。橡膠瀝青的研究分析是一個不斷深化的過程，作者根據美國公路戰略研究計劃(Strategic Highway Research Program, 簡稱為 SHRP)體系試驗的要求，擬繼續展開對橡膠瀝青性能試驗及其影響因素的分析。

1 原材選擇及橡膠瀝青制備

1.1 原材料選擇

本次試驗橡膠粉選用深圳路海威20目橡膠粉，含水率為0.55%，檢測密度為1.15 g/cm3(滿足1.10～1.20 g/cm3要求)；基質瀝青為中海油道路70#石油瀝青，檢測結果分別見表1,2。

表1 橡膠粉篩分結果Table 1 Rubber powder screening results

表2 基質瀝青檢測結果Table 2 Matrix asphalt test results

1.2 橡膠瀝青的制備

橡膠瀝青是在已有研究成果的基礎上加以改進的。為了便于膠粉與基質瀝青的有效膠聯，將發育溶脹時間適當延長，促使膠粉吸收基質瀝青中輕組分更加徹底，以增加瀝青和膠質的含量。橡膠瀝青的制備工藝流程如圖1所示。

圖1 橡膠瀝青的工藝流程Fig. 1 Process diagram of rubber modified asphalt

2 膠粉物理性能的影響分析

廢胎膠粉按其來源不同，分為貨車輪胎(斜交胎)和小轎車輪胎(子午胎簡稱為：小車輪胎)2大類。它們的物理性差異在于細度。為了分析的嚴謹性，膠粉統一取不同輪胎的胎背部位置膠粉。在對70#石油瀝青進行改性時，先設定20%的摻量。溫度為170 ℃時瀝青測試指標匯總見表3。

當基質瀝青加入膠粉后，由于膠粉與瀝青網格結構體系的形成及二者之間化學傳質作用，其指標均得到不同程度的改善。從表3中可以看出，貨車輪胎膠粉改性后的瀝青在常溫和高溫性能方面均超過了小車輪胎膠粉的。即在同目數的前提下，除了彈性恢復差別不大以外，貨車輪胎膠粉改性瀝青的軟化點是小車輪胎膠粉改性瀝青的1.1～ 1.3倍，其老化前車轍因子G*/sinδ是小車輪胎膠粉改性瀝青的1.5～2.0倍，其老化后車轍因子G*/sinδ是小車輪胎膠粉改性瀝青的 1.6～2.1倍；貨車輪胎膠粉改性瀝青的抗疲勞因子G*·sinδ在300 kPa左右，只占到上限5 000 kPa的6%，且均小于小車輪胎膠粉改性瀝青的。此外，貨車輪胎膠粉改性瀝青的低溫蠕變勁度均為小車輪胎膠粉改性瀝青的65%～75%。表明：貨車膠粉改性后的橡膠瀝青整體優勢更加明顯。

表3 瀝青測試指標匯總Table 3 Asphalt test index

對比不同細度膠粉改性瀝青各項指標可以看出，20目膠粉改性瀝青的高溫性能優于40和60目膠粉改性瀝青的，它們的低溫和抗疲勞性能相差不大。膠粉的改性原因是膠粉與瀝青形成了網格結構體系和二者之間的化學傳質。20目膠粉的粒徑較大，熔脹后與瀝青形成的網格狀態更顯著，對橡膠瀝青相對流動的黏滯阻力更大，進而表現出瀝青的黏度較大，高溫性能更優。因此，綜合考慮，20目貨車輪胎膠粉的改性效果較佳。

3 膠粉摻量的影響分析

橡膠瀝青的改性離不開對膠粉摻量的分析。本試驗選取 20目貨車輪胎膠粉的 4種膠粉摻量(12%,16%,20%和24%)，在170 ℃以70#石油瀝青為基質瀝青的基礎上，對改性后瀝青性能指標進行了分析。不同橡膠粉摻量橡膠瀝青性能指標見表4。

表4 不同橡膠粉摻量橡膠瀝青性能指標Table 4 Performance index of rubber asphalt with different contents of rubber powder

從表4中可以看出，在膠粉摻量增加的同時，橡膠瀝青高、低溫性能及抗老化性能均明顯增加。即：膠粉摻量增加一倍，軟化點提高46.8%，彈性恢復提高13.5%，車轍因子提高6～8倍，-18 ℃勁度模量減少75%。表明：膠粉摻量不斷增加，對于提高橡膠瀝青整體性能是有利的。其原因是膠粉用量的增加使得混溶體系網格結構更顯著。在高溫、高速剪切時，膠粉用量越高，膠粉與瀝青的傳質過程越明顯，化學改性幅度越大。從瀝青施工性能的角度出發考慮，瀝青黏度過高，在泵送及混合料拌合與攤鋪過程中都會帶來一定的負面影響。美國亞利桑那州規定[8]，當橡膠瀝青在177 ℃的黏度處在1.5～4.0 Pa·s之間時，施工的各項環節將處于最優狀態。因此，本試驗針對4種摻量的橡膠瀝青進行了177 ℃的黏度檢測，其結果如圖2所示。

圖2 不同反應時間下橡膠瀝青177 ℃黏度指標Fig. 2 Viscosity index of rubber asphalt at 177 ℃ under different reaction period

橡膠瀝青在使用過程中會有一個發育溶脹的過程，反應時間在60 min左右，60 min前、后瀝青的黏度對施工尤為重要。從圖2中可以看出，當膠粉摻量為16%和18%、反應時間為60 min、溫度為177 ℃時的黏度為 1.7～3.2 Pa·s，處在 1.5～4.0 Pa·s范圍之內，平緩的黏度曲線為橡膠瀝青的施工提供了保障。而當膠粉摻量達到 20%、反應時間為 60 min、溫度為 177 ℃時的黏度達到 8.1 Pa·s，遠超過規范要求的4.0 Pa·s，必將給施工帶來一定的困難。因此，從施工的便易性出發，16%～18%的膠粉摻量比較合適。

4 拌和溫度的影響分析

新型物質材料的微觀結構變化多與溫度有關[9-11]。橡膠瀝青的拌合溫度直接關系到膠粉與基質瀝青的熔融速度和程度[12]，反映出瀝青指標的變化。在18%膠粉摻量下，不同拌和溫度下橡膠瀝青試驗結果見表5。

分析蠕變勁度和蠕變速率數據可見，在175 ℃溫度下，橡膠瀝青的低溫性能相對較差，而軟化點和彈性恢復指標變化不明顯，車轍因子G*/sinδ和抗疲勞因子G*·sinδ的變化較為明顯。即：隨著拌和溫度的升高，車轍因子降低，抗疲勞因子升高。表明：拌和溫度過高時，橡膠瀝青的高溫性能和抗疲勞性能下降，建議拌合溫度控制在180 ℃以內。

表5 不同拌和溫度下橡膠瀝青性能的檢測結果Table 5 Performance test results of rubber asphalt under different mixing temperatures

5 基質瀝青類型的影響分析

不同的基質瀝青標號是具有不同的內部組分。在膠粉改性過程中，本試驗將2種標號的基質瀝青作為研究對象，選取膠粉摻量為18%，拌合溫度為175 ℃，對20目的貨車輪胎膠粉進行了試驗，其試驗結果見表6。

瀝青標號較高時，輕組分的含量較高。從表 6中可以看出，基質瀝青在膠粉改性后的低溫性能雖然都滿足PG低溫等級-34的要求，但是70#基質瀝青改性后的性能指標優于 90#的，其車轍因子G*/sinδ和抗疲勞因子G*·sin δ反映得較為明顯。因此，在橡膠瀝青應用研究中，可根據不同區域、氣候條件及路面受力情況，綜合考慮后，對基質瀝青作出選擇。

表6 不同基質瀝青下橡膠瀝青性能檢測結果Table 6 Performance test results of rubber asphalt under different kinds of the matrix asphalt

6 結論

根據SHRP體系試驗要求，完善了橡膠瀝青的制備工藝，分析了膠粉對瀝青改性過程中的各種影響因素，得出的結論為：

1) 橡膠瀝青對膠粉種類和細度具有選擇性。①從膠粉型號上看，膠粉越粗，高溫熔脹后與瀝青形成的網格狀態越顯著，改性后瀝青瀝青性能越優，20目的膠粉優于40目和60目的。②從膠粉種類上看，貨車輪胎膠粉改性后橡膠瀝青的軟化點是小車輪胎膠粉的 1.1～1.3倍。老化前貨車輪胎膠粉的車轍因子是小車輪胎膠粉的 1.5～2.0倍，老化后貨車輪胎膠粉的車轍因子是小車輪胎膠粉改性瀝青的1.6～2.1倍。貨車輪胎膠粉的抗疲勞因子只占到上限要求的 6%，貨車輪胎膠粉的蠕變勁度為小車輪胎膠粉改性瀝青的 65%～75%，整體貨車膠粉優勢明顯。

2) 隨著膠粉摻量的增加，橡膠瀝青高、低溫性能以及抗老化性能明顯增加。從施工的便易性考慮，16%～18%的膠粉摻量比較合適。

3) 隨著拌和溫度的升高，車轍因子降低，抗疲勞因子升高，建議拌合溫度控制在180 ℃以內。

4) 瀝青標號較高時，輕組分的含量較高。70#基質瀝青經過膠粉改性后的性能指標優于 90#的，車轍因子G*/sin δ和抗疲勞因子G*·sin δ反映得較為明顯。即：增加基質瀝青標號，可提高橡膠瀝青的低溫性能、抗老化性能及抗疲勞性能；反之，橡膠瀝青的高溫性能有所下降。