蠟基溫拌添加劑對橡膠粉改性瀝青性能影響研究

周 慧

(昆明公路局，云南 昆明 650200)

0 概 述

疲勞開裂和永久變形是瀝青路面的兩大病害，導致瀝青路面的養護成本增加，使用壽命降低。瀝青膠結料雖然只是瀝青混合料中的一小部分，但對其性能特征有相當大的影響。研究表明，瀝青膠結料的流變性能直接影響瀝青混合料的抗疲勞和抗車轍性能。因此，已有大量研究關于在瀝青膠結料中使用各種添加劑來提高和改善瀝青混合料的抗疲勞和抗車轍性能。

如今，道路上車輛數量的增加已經導致廢舊輪胎的產生速度大幅度提高。由于廢輪胎對環境存在不利影響，其回收與再利用確是一個應當關注的問題。將橡膠粉用于瀝青改性可以提高瀝青混合料的性能，從而延長瀝青路面的使用壽命，降低維護成本。此外，有研究表明，橡膠粉改性瀝青膠結料比純瀝青膠結料具有更好的抗老化性能，提高了瀝青混合料的抗車轍和抗疲勞性能，降低了行車噪聲，并且具有更好的抗滑性能。

盡管具有上述優點，與純瀝青膠結料相比，CRMA膠結料的主要缺點是粘度高，和易性降低，因而需要更高的混合和壓實溫度。而更高的瀝青混合料生產溫度會增加燃料消耗和有毒氣體排放；另一方面，如果壓實溫度不夠，瀝青混合料的體積性能(空隙率和壓實度)就很難甚至無法實現，這將導致瀝青路面短期和長期性能較差。相應地，這些因素也限制了橡膠瀝青混合料的充分推廣應用。因此，我們考慮降低橡膠瀝青混合料混合和壓實溫度的需要。

研究表明，不同類型的WMA添加劑可以通過降低橡膠粘結劑的粘度和增加其和易性來顯著降低瀝青混合料的生產溫度。因此，溫拌橡膠瀝青混合料是一種既環保又能改善性能的可持續鋪裝技術。

1 原材料與試驗方案

1.1 基質瀝青

基質瀝青性質見表1。

表1 基質瀝青性質

1.2 橡膠粉改性劑(CRM)

本研究中采用40目CRM，最大尺寸為0.425 mm，添加量為15%。

1.3 WMA添加劑

松蠟是蠟和油的混合物，聚丙烯蠟是聚丙烯生產過程的副產品。

蠟基添加量為基質瀝青的2%、4%、6%。

表2 蠟基添加劑理化性質

1.4 粘結劑制備

先將基質瀝青與15%CRM混合45 min，在180 ℃下，使用高速剪切攪拌機，轉速為3 600 rpm。然后將蠟基添加劑添加到CRMA粘結劑中，在160 ℃溫度下，攪拌10 min。制備得到8種不同的瀝青粘結劑，見表3。

表3 瀝青粘結劑

2 試驗方法

2.1 旋轉粘度儀試驗(RV)

為了保證瀝青膠結料的泵送性能以及瀝青混合料的和易性，進行旋轉粘度儀試驗，允許最大粘度為3 Pa·s，試驗溫度為135 ℃(標準試驗溫度)、165 ℃、185 ℃。

2.2 動態剪切流變試驗(DSR)

DSR試驗通過測量瀝青膠結料的復剪切模量G*和相位角δ來描述其彈性和粘性行為，剪切頻率為10 rad/s。G*/sinδ用來評價瀝青膠結料的抗車轍性能，G*/sinδ值越大，表明瀝青粘結劑的抗車轍能力越強，未老化粘結劑的G*/sinδ值應大于1 kPa，RTFO老化粘結劑的G*/sinδ值應大于2.2 kPa。G*·sinδ用于評價瀝青膠結料在中間溫度的疲勞性能。通過將壓力老化粘結劑的G*·sinδ值限制在5 000 kPa以下可以控制疲勞開裂。

2.3 多應力蠕變恢復試驗(MSCR)

對RTFO老化粘結劑在64 ℃條件下進行MSCR試驗。計算不可恢復蠕變柔量Jnr和恢復率R%兩個主要參數，Jnr用于評價反復荷載作用下瀝青粘結劑車轍行為，R表示每個循環中可恢復應變與總應變的比值；Jnr-diff表示兩種應力水平下Jnr的差值，用于評價瀝青粘結劑的應力水平敏感性。

3 試驗結果及分析

3.1 RV試驗

圖1、圖2顯示了蠟基添加劑對CRMA粘結劑旋轉粘度的影響。在135 ℃時，橡膠改性粘結劑的粘度約為基質粘結劑的3倍。橡膠改性粘結劑粘度的明顯升高可以解釋為在攪拌過程中芳香油的吸收和CRM顆粒的膨脹導致。可以看出，兩種蠟基添加劑都降低了CRMA粘結劑的粘度，聚丙烯蠟對CRMA粘結劑粘度的降低程度更大。在135 ℃下，添加6%的聚丙烯蠟可使橡膠改性粘結劑的旋轉粘度降低約50%。

圖1 松蠟對瀝青粘結劑旋轉粘度的影響

圖2 聚丙烯蠟對瀝青粘結劑旋轉粘度的影響

3.2 DSR試驗

圖3、圖4為未老化和RTFO老化瀝青粘結劑高溫下G*/sinδ值。值得注意的是，所有改性粘結劑G*/sinδ變化率均比基質粘結劑低，表明高溫抗車轍能力得到了提高。并且，添加聚丙烯蠟的橡膠改性粘結劑的車轍參數最大值均與CR15P2有關，但隨著聚丙烯蠟摻量的增加，抗車轍性降低。松蠟對橡膠改性粘結劑的抗車轍性能無顯著影響。

圖3 未老化瀝青粘結劑G*/sinδ值

圖4 RTFO老化瀝青粘結劑G*/sinδ值

瀝青粘結劑的高溫性能如表4。在基質瀝青中添加15%的CRM，高溫性能可提高一個等級。2%的聚丙烯蠟提高了橡膠改性粘結劑的高溫性能，而松蠟的加入降低了其高溫性能。

表4 瀝青粘結劑的高溫性能

表5為25 ℃下不同瀝青粘結劑的Superpave疲勞參數的詳細計算結果，所有瀝青膠結料G*·sinδ值均不超過5 000 kPa，滿足要求。

表5 25 ℃下G*·sinδ計算結果

3.3 MSCR試驗

圖5、圖6為0.1 kPa和3.2 kPa兩種應力水平下瀝青膠結料MSCR試驗結果，較低的Jnr值表明更好的抗永久變形能力和抗車轍性能。R%越大，表明粘結劑的應變恢復能力越強。與基質粘結劑相比，CRMA粘結劑的Jnr值較低，R%值較高，表明其抗永久變形能力較強。在制備階段，由于CRM顆粒與基質粘結劑的相互作用，使得分子網絡結構的剛度增大，改性瀝青粘結劑的復模量G*增大，剛度增大。因此，CRMA粘結劑對永久變形的抗力增加。在3.2 kPa應力水平下，松蠟不僅提高了Jnr值，而且降低了恢復率；而在0.1 kPa應力水平下，松蠟的添加使得恢復率略有增加。隨著添加量的增加，恢復率逐漸降低。因此，添加松蠟的CRMA粘結劑抗永久變形能力降低。此外，在0.1 kPa應力水平下，聚丙烯蠟降低了Jnr值，提高了恢復率；而在3.2 kPa應力水平下，恢復率并沒有明顯改變。一般來說，聚丙烯蠟提高了CRMA粘結劑的抗車轍性。在所有瀝青粘結劑試樣中，CR15P2在兩種應力水平下的抗車轍能力均最高。蠟基添加劑對CRMA膠凝劑的車轍性能有不同的影響。一般而言，WMA添加劑的摻加，特別是蠟基添加劑的加入，可以促進CRM與基質粘結劑的相互作用。

圖5 瀝青膠結料不可恢復蠕變柔量Jnr

圖6 瀝青膠結料恢復率R%

圖7為瀝青粘結劑Jnr-diff參數變化情況。可以看出，CRM的使用增加了基質粘結劑對應力水平變化的敏感性。隨著松蠟的加入，這一趨勢仍在繼續，其結果在可接受范圍內(小于15%)。在所有瀝青粘結劑中，CR15S6的Jnr-diff值最高，CR15P2的Jnr-diff值最低。結果表明，聚丙烯蠟的加入可以降低CRMA粘結劑對應力水平變化的敏感性。

圖7 瀝青膠結料Jnr-diff值

4 總 結

研究了兩種蠟基溫拌添加劑對CRMA粘結劑流變性能的影響，對粘結劑樣品進行了RV、DSR、MSCR等一系列試驗，主要結論如下。

(1)松蠟和聚丙烯蠟降低橡膠改性粘結劑的粘度。添加劑摻量的增加導致CRMA粘結劑粘度的降低。然而，摻聚丙烯蠟粘度降低程度更大，在135 ℃下，6%摻量降低CRMA粘結劑旋轉粘度50%。

(2)聚丙烯蠟提高了CRMA粘結劑的高溫性能。加入2%聚丙烯蠟后，CRMA粘結劑的PG高溫由70 ℃提高到76 ℃。另一方面，松蠟降低了CRMA粘結劑的高溫性能，CR15S6的PG高溫與基質粘結劑差不多。

(3)MSCR試驗結果表明，聚丙烯蠟對改善CRMA粘結劑的車轍參數有積極作用，隨著其摻量的增加，積極影響逐漸下降。其中，含2%聚丙烯蠟的橡膠改性粘結劑抗車轍性能最好，相較CRMA粘結劑，Jnr值降低49%，R%提高46%。另一方面，松蠟的摻加降低了CRMA粘結劑的抗車轍性，但與基質粘結劑相比，摻松蠟的CRMA粘結劑仍表現出較好的抗車轍性能。

(4)從總體上看，摻CRM和溫拌添加劑可提高基質粘結劑的應力敏感性。然而，2%的聚丙烯蠟會降低CRMA粘結劑在高溫下對增加的應力水平的脆弱性。