WTR/EVA復合改性瀝青及瀝青混合料性能研究

陳世英,謝 虎,潘勤學

(1.青海省交通工程技術服務中心, 青海 西寧 810008; 2.中大檢測(湖南)股份有限公司, 湖南 長沙 410205; 3.長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114)

0 引言

瀝青路面具有低噪音、施工便捷以及行車舒適等優點，我國的高等級公路普遍使用瀝青混合料鋪筑面層[1-2]。然而，瀝青路面在自然環境下出現的高溫車轍、低溫開裂以及瀝青剝落和重復荷載作用下的疲勞損傷等病害是影響瀝青路面服務水平主要因素，病害的存在極大縮短了瀝青路面使用壽命和行車舒適度[3]。已有研究表明，應用聚合物對瀝青進行改性可有效改善瀝青及瀝青混合料的性能[4-7]。

輪胎是眾多橡膠制品中橡膠耗量較大的一種[8-9]，在生產橡膠輪胎的同時也產生了相當數量的廢舊輪胎。然而，廢舊橡膠降解慢、回收率低，對大氣、水以及土地等自然環境造成嚴重污染[10]。廢膠粉(Waste Tire Rubber Powder，簡稱WTR)是廢舊輪胎經粉碎顆粒化后的產物，將廢膠粉應用到道路工程領域，在提升瀝青路面性能的同時有利于緩解環境污染壓力。相關研究表明，WTR改性瀝青具有較好的抗車轍性能，高溫狀態下的抗永久變形能力較強[11-13]。然而，橡膠顆粒與瀝青之間的相容性一般，由此造成的應力集中使得WTR改性瀝青在低溫狀態下易發生斷裂[11]。為解決WTR和瀝青相容性的問題，文獻[14]對WTR改性瀝青進行了復合改性的研究。相比于WTR，乙烯醋酸乙烯酯(Ethylene-Vinyl Acetate，簡稱EVA)作為橡膠類熱塑性聚合物[15]，在塑料領域用途廣泛。然而，降解能力差使得該材料依舊面臨嚴峻的環保問題[16]。研究表明，高分子聚合物EVA與瀝青可形成較為穩定的結構，因此EVA可顯著提升瀝青的低溫柔韌性[17]。基于此，為提升瀝青及瀝青混合料性能，同時緩解環境污染的壓力，本文將應用WTR和EVA兩種改性劑對基質瀝青進行復合改性，研究WTR/EVA復合改性瀝青，以及瀝青混合料的性能。

1 試驗原材料及方法

1.1 瀝青、改性劑以及集料

70-A級石油瀝青作為基質瀝青，80目國產廢舊橡膠粉(WTR)和EVA(其中VA含量為28%，密度為0.96 g/cm3)作為瀝青改性劑，粗細集料采用本領域廣泛使用的石灰巖。本文所用兩種瀝青改性劑的外觀形態如圖1所示，70-A級瀝青的常規指標如下：針入度(25 ℃, 100 g, 5 s)為68.5(0.1 mm)，軟化點為50.8 ℃，延度(15 ℃, 5 cm/min)為>150 cm，黏度(135 ℃)為0.45 Pa·s，黏度(180 ℃)為0.10 Pa·s。

(a)WTR

1.2 主要試驗方法

本文主要研究WTR、EVA兩種改性劑對瀝青和瀝青混合料性能的影響，試驗選取了5個WTR摻量(0%，5%，10%，12%，15%)和4個EVA摻量(0%，2%，4%，6%)制備復合改性瀝青，試驗方案分為瀝青試驗與瀝青混合料試驗兩部分。首先，采用動態剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer,簡稱DSR)和布氏黏度儀評估WTR/EVA改性瀝青的高溫抗車轍性能和施工和易性，低溫彎曲梁試驗(Bending Beam Rheometer, 簡稱BBR)用于表征改性瀝青的低溫性能。其次，研究瀝青混合料的路用性能主要從4個方面分析：高溫抗車轍性能、低溫抗裂性、水穩定性能以及耐老化性能。高低溫性能的表征分別采用車轍試驗和低溫劈裂試驗，水穩定性能及耐老化性能均采用馬歇爾試驗。

2 試樣制備

WTR/EVA復合改性瀝青制備流程如圖2所示。首先，應用烘箱將70#基質瀝青在160 ℃的條件下加熱30 min，使基質瀝青完全熔融處于流體狀態并將其倒入瀝青攪拌桶內。隨后，將WTR倒入攪拌桶內在170 ℃溫度下以3 000 r/min的轉速高速剪切10 min。之后，倒入EVA在剪切速率不變的情況下高速剪切20 min。最后，在170 ℃溫度下普通旋轉10 min，以去除改性瀝青中多余的氣泡。

圖2 WTR/EVA復合改性瀝青制備流程

在已有WTR/EVA改性瀝青的基礎上，根據Marshall 體積設計法進行瀝青混合料的制備。圖3為集料的合成級配曲線圖，應用粗集料(10～15檔)，細集料(5～10檔)，石屑以及礦粉所占總重的比例分別為16%、41%、40%和3%制備AC-13C型密級配瀝青混合料作為研究對象。根據規范對瀝青混合料空隙率的要求(4%～6%)，最終確定基質瀝青混合料和改性瀝青混合料的最佳油石比分別為4.8%和5.1%。

圖3 合成級配曲線

3 WTR/EVA復合改性瀝青流變性能研究

3.1 WTR/EVA復合改性瀝青高溫流變性能研究

為研究改性瀝青在高溫狀態下的性能表現，采用DSR試驗研究高溫流變性能，黏度試驗用于評價瀝青的施工和易性。圖4(a)為瀝青在60 ℃時的車轍因子，車轍因子與改性劑摻量呈正相關變化趨勢，且WTR對車轍因子增長的影響更顯著。值得注意的是，當WTR摻量為15%時，60 ℃車轍因子在EVA摻入后有較為明顯的提升，但4%EVA比6%EVA摻量的車轍因子增長了約47.1%，兩者分別是基質瀝青的18.7倍和13.7倍。圖4(b)是瀝青在180 ℃溫度下的旋轉黏度，該指標可用于評價瀝青的施工和易性和高溫性能。如圖所示，黏度隨著WTR摻量的增加呈不同的增長趨勢，EVA摻量越高，增長趨勢越明顯，這是由于摻入EVA后，改性瀝青形成了更穩定的結構。此外，15%WTR+4%EVA具有最大的旋轉黏度，這點與車轍因子相類似。當WTR摻量為15%時，4%EVA和6%EVA摻量的黏度，比WTR單一改性瀝青分別增長了313.9%和204.3%。

(a)60 ℃車轍因子

車轍因子以及旋轉黏度結果表明，摻入WTR和EVA有利于瀝青黏度和車轍因子的提升，高溫狀態下的抗永久變形能力得到了顯著改善，且15%WTR+4%EVA具有較佳的高溫性能。為進一步驗證改性劑對高溫性能的影響，將進行瀝青混合料試驗。

3.2 WTR/EVA復合改性瀝青低溫流變性能研究

圖5為改性瀝青的BBR試驗結果，得到評價瀝青低溫性能的兩個重要指標：勁度模量(S值)和m值。根據AASHTO規范，勁度模量可表征瀝青在低溫下的剛度，而m值表示應力分散能力。通常來說，較小的S與較大的m表示瀝青在低溫下具有良好的柔韌性以及較強的抗裂性能。由圖5(a)可知，溫度越低S越大，當溫度達到-18 ℃時，基質瀝青的S值已大于300 MPa。值得注意的是，3個溫度狀態下(-6 ℃，-12 ℃，-18 ℃)改性瀝青的S值均小于基質瀝青，表明改性劑的摻入提升了瀝青的柔韌性。在-18 ℃試驗條件下，當WTR摻量為12%時，6%EVA比2%EVA的S值降低了23.4%；當EVA摻量為4%時，5%WTR比15%WTR的S值下降了19.8%，這表明兩種改性劑均可提升瀝青的低溫柔韌性，但EVA的改善效果更明顯。此外，圖5(b)顯示了改性瀝青在不同試驗溫度下的應力分散能力。由圖可知，所有試樣在-18 ℃時的m值都不滿足m≥0.3的規范要求。對于12%WTR單一改性瀝青，摻入2%EVA后m值(-6℃試驗條件)增加了13.7%，表明EVA的摻入提升了瀝青的應力分散能力。當EVA繼續增加時，m值呈現下降趨勢。然而，當EVA摻量為4%時，m值隨著WTR摻量的增加而減小，15%WTR比5%WTR的m值在-6 ℃和-12 ℃溫度下分別降低了9.2%和7.1%，表明WTR會削弱應力消散水平，但影響并不明顯。綜上，EVA的摻入增加了瀝青的低溫柔韌性，緩解了WTR應力集中對瀝青低溫性能的損傷。這將有利于瀝青在低溫狀態下的抗裂表現。兩者對瀝青進行復合改性有利于瀝青低溫抗裂性能的改善，后文將進一步開展瀝青混合料低溫抗裂性能研究。

(a)勁度模量

4 WTR/EVA改性瀝青混合料性能研究

4.1 WTR/EVA復合改性瀝青混合料高溫性能分析

為進一步研究WTR和EVA對瀝青混合料高溫性能的影響，本研究進行瀝青混合料車轍試驗，用動穩定度指標評價其抗車轍性能。如圖6所示，動穩定度隨摻量的增加，整體呈線性增長趨勢。相比于基質瀝青混合料，摻量為15%WTR+4%EVA和15%WTR+6%EVA時的動穩定度分別增長了225.4%和213.7%，這是由于改性劑可增強混合料內部的黏結力。另外，當WTR摻量為15%時，EVA摻量從0%增加到6%的過程中，動穩定度呈現先增后減的趨勢，表明當EVA的摻量并非越大就越好，超出一定范圍后，對瀝青混合料的高溫性能反而會削弱。由此可知，WTR和EVA可有效提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能，但EVA的摻量不宜過高。動穩定度與車轍因子具有相似的試驗結果，15%WTR+4%EVA具有最優的高溫性能。

圖6 瀝青混合料車轍試驗結果

4.2 WTR/EVA復合改性瀝青混合料低溫性能分析

對于瀝青路面而言，低溫狀態下的抗裂性能也尤為重要[18]。應用低溫狀態下的劈裂強度作為低溫抗裂性能評價指標具有一定的可行性。如圖7所示，WTR和EVA的摻入使得劈裂抗拉強度有所提升，但效果并不顯著。與高溫性能不同的是，15%WTR+6%EVA改性瀝青混合料具有最佳的低溫劈裂強度，相比于基質瀝青混合料提升了34.8%。值得注意的是，當WTR摻量為15%時，劈裂抗拉強度隨EVA的增加而穩步提升，6%EVA比0%EVA摻量的劈裂抗拉強度增長了22.0%；當EVA摻量為4%時，劈裂抗拉強度隨WTR的增加而穩步提升，15%EVA比5%EVA摻量的劈裂抗拉強度增長了6.2%。由此可知，WTR和EVA對提升低溫性能具有積極作用，且EVA比WTR的效果更明顯，這得益于EVA對低溫柔韌性的改善。

圖7 瀝青混合料低溫劈裂試驗結果(-10℃)

4.3 WTR/EVA復合改性瀝青混合料水穩定性能分析

瀝青路面在自然環境下因水的作用易產生剝落等病害，直接影響瀝青路面的使用壽命和行車舒適度[19]。因此，本文采用浸水馬歇爾殘留穩定度作為研究瀝青混合料抗水損害能力的評價指標。如圖8所示，瀝青混合料的浸水殘留穩定度是馬歇爾穩定度與浸水后穩定度的比值。從整體上來看，摻入改性劑后殘留穩定度有較大幅度的增加。當EVA摻量為4%時，15%WTR(93.4%)比5%WTR(84.3%)摻量時的殘留穩定度增長了10.8%；當WTR摻量為15%時，6%EVA(89.6%)比0%EVA(86.4%)摻量時的殘留穩定度增長了3.7%，結果表明WTR摻量對水穩定性能的提升效果更明顯。值得注意的是，15%WTR+4%EVA瀝青混合料的殘留穩定度最接近100%，說明改善效果最佳。因此，WTR和EVA可增強瀝青的黏附性能，減少瀝青的空隙率，其水穩定性能也得到了一定程度的改善。

圖8 瀝青混合料水穩定性能試驗結果

4.4 WTR/EVA復合改性瀝青混合料抗老化性能分析

瀝青的老化是瀝青路面在自然環境中使用一段時間后不可避免出現的現象。老化后的瀝青會變硬變脆，且瀝青與集料之間的黏附力會降低[20]，極大影響瀝青路面的服務水平[21-22]。本文中采用長期老化后的馬歇爾穩定度比來評價瀝青混合料的抗老化性能，其中將試件在85 ℃的溫度下放置5 d，用以模擬道路在自然環境下老化10 a的狀態。老化后試件的穩定度都有不同程度的升高，這是由于瀝青輕質組分減少、瀝青變硬所致，因此穩定度比越大表明瀝青混合料的抗老化性能越差。如圖9所示，改性劑的添加可有效降低穩定度比，表明其抗老化性能的提升。15%WTR+4%EVA的穩定度比最小(105.2%)，比基質瀝青(144.7%)降低了 39.5%，表明抗老化性能有較大的提升。同時，分析穩定度比值隨著改性劑摻量變化的趨勢可以發現，WTR對瀝青混合料抗老化性能的影響要大于EVA。

圖9 瀝青混合料老化試驗結果

5 結論

a.WTR和EVA均可有效提升瀝青的抗變形能力。此外，EVA可改善瀝青的低溫柔韌性，緩解WTR應力集中對瀝青低溫性能的損傷。

b.根據動穩定度和低溫劈裂強度，表明改性劑對高溫性能的積極作用更明顯。WTR有利于改善瀝青混合料抗車轍性能，而EVA主要對低溫劈裂強度的提升起主要積極作用。

c.試驗結果表明，WTR和EVA均有利于瀝青混合料水穩性能和抗老化性能的改善。15%WTR+4%EVA瀝青混合料的水穩定性能以及抗老化性能比基質瀝青混合料分別提升了15%和39.5%。綜上，推薦WTR/EVA復合改性瀝青的最佳摻量為15%WTR+4%EVA。