橡膠粉基本參數(shù)對(duì)橡膠改性瀝青性能指標(biāo)的影響分析

黃光請(qǐng) ，李 瑜

(1.廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術(shù)與筑路材料工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

橡膠輪胎經(jīng)過處理加工為膠粉，通過改性劑的形式加入到基質(zhì)瀝青中取得了良好的應(yīng)用與實(shí)踐，不僅解決了橡膠輪胎污染環(huán)境的問題，而且橡膠改性瀝青的性能尤其適用于寒冷地區(qū)，該技術(shù)是一種環(huán)保、高效的技術(shù)[1]。近年來，隨著公路建設(shè)節(jié)能環(huán)保技術(shù)的大力推廣，我國(guó)部分省份對(duì)橡膠瀝青的應(yīng)用提出了更高的要求，關(guān)于這方面的研究顯著增加。楊錫武首次提出采用再生廢舊塑料作為改性劑(Cracking Recycled Plastic)對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，分析了拌和工藝對(duì)瀝青混合料性能的影響[2]；馮中良等人對(duì)聚合物橡膠改性瀝青的低溫性能進(jìn)行了廣泛的研究，通過與SHRP的BBR試驗(yàn)對(duì)比分析，提出了基于聚合物改性瀝青的低溫特征指標(biāo)[3-4]。曹衛(wèi)東利用干法和濕法不同的加工工藝，分析了施工溫度等因素對(duì)橡膠改性瀝青混合料的性能影響，提出橡膠改性瀝青將會(huì)增加施工溫度，勢(shì)必導(dǎo)致瀝青膠結(jié)料的老化、施工工藝復(fù)雜、能源消耗增加等問題[5]。目前，國(guó)內(nèi)在橡膠改性瀝青路面的應(yīng)用僅處于推廣階段，部分區(qū)域進(jìn)行了試驗(yàn)段或小面積的嘗試，對(duì)成果的研究應(yīng)用還處在繼續(xù)提煉與總結(jié)階段。

綜上，本文通過優(yōu)選橡膠粉，與基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，并開展橡膠改性瀝青基本性能指標(biāo)的基礎(chǔ)研究。通過制備不同摻量、不同目數(shù)的橡膠改性瀝青，對(duì)瀝青的高溫性能、低溫性能、溫度敏感性能及彈性恢復(fù)性能進(jìn)行綜合分析。

1 原材料及方案

1.1 原材料選擇

研究選擇克拉瑪依70#瀝青和90#瀝青作為基質(zhì)瀝青，其檢測(cè)結(jié)果見表1；橡膠粉為北京生產(chǎn)的20目、40目和80目三種不同規(guī)格的廢舊輪胎膠粉，其檢測(cè)結(jié)果見表2。

表1 克拉瑪依70#、90#瀝青試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表

表2 橡膠粉試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表

1.2 橡膠改性瀝青改性工藝

依據(jù)前期相關(guān)研究成果，選擇高速剪切乳化機(jī)進(jìn)行加工。首先，基質(zhì)瀝青加熱至175 ℃～180 ℃，緩慢加入稱量準(zhǔn)確的橡膠粉，邊加入邊攪拌，時(shí)間控制在10 min以內(nèi)；待橡膠粉全部浸入基質(zhì)瀝青后，打開剪切乳化機(jī)控制轉(zhuǎn)速6 500 rmp，溫度控制在180 ℃～185 ℃，時(shí)間為60 min，最后在120 ℃條件下發(fā)育2 h。

2 橡膠改性瀝青高溫性能影響分析

2.1 針入度

針入度試驗(yàn)溫度選擇分別為15 ℃、25 ℃和30 ℃，瀝青類型分別為KLMY 70#基質(zhì)瀝青和KLMY 90#基質(zhì)瀝青，橡膠粉摻量分別為15%、18%、20%、22%、25%，橡膠粉粒徑分別為20目、40目和80目。試驗(yàn)結(jié)果見圖1～3。

圖1 針入度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖(40目)

圖2 膠粉粒徑對(duì)針入度影響柱狀圖(KLMY 70#、40目)

圖3 膠粉摻量對(duì)針入度影響曲線圖(KLMY 70#、40目)

圖1～3描述了橡膠粉對(duì)不同類型基質(zhì)瀝青改性的針入度試驗(yàn)結(jié)果，以及橡膠粉摻量、粒徑變化對(duì)針入度的影響，具體分析如下：

(1)通過橡膠粉與基質(zhì)瀝青的相互作用，針入度發(fā)生了顯著變化，且橡膠改性瀝青的針入度與基質(zhì)瀝青有關(guān)。膠粉的加入使針入度顯著增加，且對(duì)KLMY 90#瀝青的影響大于70#瀝青。隨著溫度的增加，橡膠粉對(duì)兩種瀝青的改性效果也降低。如三種不同溫度下，KLMY 70#的針入度增加幅度分別為18.3%、12.1%、0.2%；KLMY 90#的針入度變化為27.43%、12.7%、2.9%。

(2)隨著橡膠粉粒徑的降低，針入度值也逐漸下降。在25 ℃時(shí)，三種不同粒徑(20目、40目和80目)橡膠改性瀝青的針入度值分別為78.4、71.2和68.3，粒徑40目和80目的針入度值分別降低了9.18%和12.88%。說明橡膠粉粒徑越小，與基質(zhì)瀝青的溶解度越好，導(dǎo)致膠粉中溶解的瀝青質(zhì)增加，整體上瀝青變硬，針入度降低。

(3)隨著橡膠粉摻量的增加，瀝青的針入度也顯著提高。橡膠粉摻量的增加，使基質(zhì)瀝青變軟，針入度值提高。膠粉與瀝青發(fā)生了溶脹作用，并吸收了瀝青中的輕質(zhì)組分，且瀝青質(zhì)與膠粉顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)橡膠顆粒的分子鏈產(chǎn)生截?cái)嘈Чㄟ^在瀝青中均勻分散，降低了瀝青質(zhì)的含量。

2.2 軟化點(diǎn)

軟化點(diǎn)試驗(yàn)選擇標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，瀝青類型分別為KLMY 70#基質(zhì)瀝青和KLMY 90#基質(zhì)瀝青，橡膠粉摻量分別為15%、18%、20%、22%、25%，橡膠粉粒徑分別為20目、40目和80目。試驗(yàn)結(jié)果見圖4～6。

圖4 軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖(膠粉20%、40目)

圖5 膠粉粒徑對(duì)軟化點(diǎn)影響柱狀圖(KLMY 70#)

圖6 膠粉摻量對(duì)軟化點(diǎn)影響曲線圖(KLMY 70#、40目)

由圖4～6可以看出：橡膠粉的摻加提高了基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)值，對(duì)70#基質(zhì)瀝青的改善幅度稍高于90#瀝青，70#瀝青的軟化點(diǎn)增加幅度為13.5%，90#瀝青的為12.2%。同時(shí)可以看出，對(duì)于90#瀝青，添加20%的橡膠粉，其軟化點(diǎn)值為53.3，達(dá)到了70#瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著膠粉粒徑的降低，橡膠改性瀝青的軟化點(diǎn)顯著增加，如粒徑40目和80目的軟化點(diǎn)值分別提高了37.5%和86.1%(見圖5)。橡膠粉越細(xì)，吸收瀝青中的輕質(zhì)組分越大，瀝青中瀝青質(zhì)組分增加，而軟化點(diǎn)值也顯著增加。

隨著膠粉摻量的增加，橡膠改性瀝青的軟化點(diǎn)也顯著增加(見圖6)，瀝青中膠粉顆粒越多，在瀝青中的接觸表面形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越多(橡膠粉并不是全部溶解于瀝青中)，瀝青的粘稠度增加，相應(yīng)的軟化點(diǎn)也增加。

2.3 旋轉(zhuǎn)黏度

按照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的試驗(yàn)方法，黏度試驗(yàn)選擇175 ℃和190 ℃進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見圖7～8。

由圖7～8可知：

(1)隨膠粉粒徑細(xì)度的增加，瀝青的黏度也增加，隨試驗(yàn)溫度的增加，黏度呈下降狀態(tài)，且190 ℃黏度的增加幅度高于175 ℃，粒徑80目的瀝青黏度值分別增加了64%和86%。隨橡膠粉粒徑細(xì)度的增加，膠粉材料比表面積也增加，與基質(zhì)瀝青融合過程中膠粉更容易吸收輕質(zhì)組分，促使瀝青的黏度也增加。

(2)隨膠粉摻量的增加，瀝青的黏度也顯著增加。膠粉摻量從15%到25%，瀝青黏度值提高了約7倍，且溫度越高，膠粉摻量對(duì)瀝青黏度的影響更為顯著，摻量25%的瀝青黏度值分別增加了700%和766%(與15%相比，175 ℃和190 ℃)，這與膠粉細(xì)度變化對(duì)瀝青黏度影響規(guī)律相一致。

圖7 膠粉粒徑對(duì)黏度的影響柱狀圖(KLMY 70#，20%)

圖8 膠粉摻量對(duì)黏度的影響曲線圖(KLMY 70#、40目)

3 橡膠改性瀝青低溫性能影響分析

延度顯示了瀝青的延伸性能，與路面性能具有一定的關(guān)聯(lián)性，研究采用5 ℃延度指標(biāo)評(píng)價(jià)膠粉含量、膠粉細(xì)度等參數(shù)對(duì)瀝青低溫性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見圖9～11。

圖9 低溫延度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

圖10 膠粉粒徑對(duì)低溫延度的影響柱狀圖(KLMY 70#，20%)

圖11 膠粉摻量對(duì)低溫延度的影響曲線圖(KLMY 70#、40目)

從圖9～11數(shù)據(jù)分析可知：

(1)橡膠粉添加到基質(zhì)瀝青中能顯著改善其低溫延度指標(biāo)，90#瀝青的延度值高于70#瀝青。膠粉改性后兩種瀝青低溫延度差值小于改性前，但膠粉對(duì)70#瀝青的改善效果優(yōu)于90#瀝青，摻量20%時(shí)，延度值分別提高了128.2%和92.9%。

(2)膠粉粒徑變化對(duì)低溫延度影響規(guī)律與針入度、軟化點(diǎn)指標(biāo)相一致，隨粒徑細(xì)度的增加延度也呈增加趨勢(shì)。隨膠粉摻量的增加，延度值呈先增加后降低的趨勢(shì)，摻量20%的延度值最大，這與其他指標(biāo)變化規(guī)律不同。由于膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青未全部充分溶解，其在基質(zhì)瀝青中仍處于懸浮顆粒狀態(tài)，隨瀝青中膠粉顆粒含量的增加，橡膠粉與瀝青的不均勻性更明顯，在受拉力的過程中，膠粉顆粒堆積處更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使瀝青的延度值降低。

4 橡膠改性瀝青彈性恢復(fù)影響分析

彈性恢復(fù)指標(biāo)表征了瀝青路面的抗疲勞性能。提高了瀝青的彈性恢復(fù)性能，有利于降低路面的永久變形。采用溫度25 ℃彈性恢復(fù)率指標(biāo)評(píng)價(jià)橡膠改性瀝青彈性恢復(fù)性能。試驗(yàn)結(jié)果見圖12～14。

圖12 彈性恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

圖13 膠粉粒徑對(duì)彈性恢復(fù)的影響柱狀圖(KLMY 70#，20%)

圖14 膠粉摻量對(duì)彈性恢復(fù)指標(biāo)的影響曲線圖(KLMY 70#、40目)

由圖12～14分析可知：

(1)膠粉顯著改善了基質(zhì)瀝青的彈性恢復(fù)變形能力。90#瀝青的彈性恢復(fù)性能優(yōu)于70#瀝青，但膠粉對(duì)70#瀝青的彈性恢復(fù)改善效果較好。膠粉摻量為20%時(shí)，兩種瀝青的彈性恢復(fù)率分別提高了277.2%和231.7%，這主要與瀝青中四組分的分布比例有直接關(guān)系。

(2)膠粉粒徑越細(xì)，其制備改性瀝青的彈性恢復(fù)性能越好。80目膠粉改性瀝青彈性恢復(fù)率為71.5%，提高了9.5%(與20目相比)。橡膠材料的彈性能力遠(yuǎn)優(yōu)于瀝青材料，膠粉細(xì)度越大，與基質(zhì)瀝青的融合均勻性越強(qiáng)，吸收輕質(zhì)組分的同時(shí)，瀝青質(zhì)組分增加，在瀝青中占的比表面積也顯著提高，促進(jìn)了膠粉改性瀝青的彈性恢復(fù)性能變化。

同時(shí)，隨膠粉摻量的增加，彈性恢復(fù)性能也呈增加趨勢(shì)。但摻量超過20%，彈性恢復(fù)率增加幅度下降，說明橡膠粉在基質(zhì)瀝青改性過程中具有一定的合理?yè)搅浚缒z粉摻量從22%到25%，彈性恢復(fù)率只增加了0.3。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)橡膠粉的添加顯著改善了基質(zhì)瀝青的高溫性能，隨膠粉摻量的增加，針入度、軟化點(diǎn)和黏度均呈增加趨勢(shì)。隨膠粉粒徑細(xì)度的增加，針入度呈下降趨勢(shì)，軟化點(diǎn)和黏度呈增加趨勢(shì)。膠粉摻量變化對(duì)瀝青黏度的改善效果最顯著，對(duì)軟化點(diǎn)的改善效果最小。

(2)橡膠粉提高了基質(zhì)瀝青的低溫延度性能，橡膠粉改性后降低了70#、90#瀝青間的低溫差異性能。隨橡膠粉摻量的增加，低溫延度值呈先增加后降低的趨勢(shì)，摻量20%的低溫延度值最大。

(3)橡膠粉改善了基質(zhì)瀝青的彈性恢復(fù)能力，隨膠粉摻量、膠粉細(xì)度的增加，彈性恢復(fù)率呈穩(wěn)定增加狀態(tài)。膠粉摻量在15%～20%時(shí)，橡膠改性瀝青的彈性恢復(fù)性能提高幅度顯著，超過20%時(shí)，彈性恢復(fù)性能增加幅度較小。結(jié)合上述指標(biāo)分析，橡膠粉與基質(zhì)瀝青的融合能力具有一定的合理范圍，在未添加其他改性劑的條件下，建議橡膠粉合理用量控制在20%左右。