膠粉摻量對橡膠瀝青高溫流變性能的影響分析

廖 蘇，廖江林，袁祖光，黃 巖

(廣西交通投資集團百色高速公路運營有限公司，廣西 百色 533000)

0 引言

近年來，隨著人均汽車保有量的逐漸增加，大量廢棄輪胎的處理成為一大社會難題。廢舊輪胎的主要原料是橡膠粉，通過將廢舊輪胎破碎后的橡膠粉摻入基質(zhì)瀝青中，不僅能夠提供一種很好的廢舊輪胎消納方式，還能使基質(zhì)瀝青性能得到一定程度改善。相關(guān)理論研究[1-5]以及許多實體工程的應(yīng)用已經(jīng)證明，橡膠瀝青是一種環(huán)境友好、高性能的道路工程材料。

目前對橡膠瀝青的大量研究集中在其作用機理以及組成配方等方面，而在橡膠瀝青的實際應(yīng)用中，橡膠粉摻量不僅直接關(guān)系到性能變化，同時也對經(jīng)濟性產(chǎn)生影響。為探究橡膠粉摻量對瀝青高溫性能的變化，本文采用布什黏度計和動態(tài)剪切流變儀對不同摻量橡膠粉制備的橡膠瀝青進行性能試驗，從流變角度分析橡膠粉摻量變化對瀝青高溫性能的影響，為后續(xù)相關(guān)橡膠瀝青應(yīng)用提供經(jīng)驗參考。

1 試驗

1.1 原材料及主要儀器設(shè)備

(1)基質(zhì)瀝青：采用泰普克A-70#道路石油瀝青，其性能指標如下頁表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青的性能指標表

(2)橡膠粉：采用廣西交科新材料科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的30～80目橡膠粉，其技術(shù)指標如表2所示。

表2 橡膠粉技術(shù)指標表

(3)主要儀器設(shè)備：上海弗魯克科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高速剪切乳化機；美國TA儀器公司生產(chǎn)的動態(tài)剪切流變儀，型號為DHR-1混合型；美國博勒飛生產(chǎn)的布氏黏度計，型號為DV2T。

1.2 制備方法

采用“攪拌+高速剪切”的方法制備橡膠瀝青，先將基質(zhì)瀝青加熱至流動狀態(tài)，外摻相對劑量的橡膠粉后以500 rad/min的速度攪拌發(fā)育50 min，再以5 000 rad/min的剪切速率高速剪切2 min，最后以500 rad/min的速度攪拌發(fā)育30 min。整個瀝青制備過程的加工溫度維持在180 ℃～190 ℃。

1.3 試驗設(shè)計及試驗方法

采用外摻法添加橡膠粉，橡膠粉的摻量分別為瀝青質(zhì)量的16%、18%、20%、22%和24%，將制備好的橡膠瀝青分別進行以下試驗：

(1)采用布氏黏度計測定橡膠瀝青在180 ℃下的旋轉(zhuǎn)黏度。

(2)采用動態(tài)剪切流變儀對橡膠瀝青進行溫度掃描，采用應(yīng)變控制加載模式，加載頻率為10 Hz，掃描溫度為52 ℃～82 ℃。

(3)采用動態(tài)剪切流變儀對橡膠瀝青進行多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗，在60 ℃試驗溫度條件下，采用0.1 kPa及3.2 kPa兩個應(yīng)力水平分別進行“加載-卸載”循環(huán)，每個應(yīng)力水平下加載1 s，卸載9 s，0.1 kPa下重復(fù)20個周期，3.2 kPa下重復(fù)10個周期，時間共計300 s。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 黏度試驗

SHRP計劃中推薦采用布氏黏度計來測定不同溫度條件下瀝青材料的黏度，并以此來評價瀝青混合料的施工性能。但橡膠粉摻入到瀝青后發(fā)生混熔、熔脹、交聯(lián)等反應(yīng)，不同的反應(yīng)溫度會導(dǎo)致其性能表現(xiàn)出較大的差異，無法進行穩(wěn)定評價。相關(guān)研究表明，在180 ℃的溫度條件下，橡膠瀝青的性能表現(xiàn)較為穩(wěn)定，因此本文以180 ℃作為控制溫度，測定不同橡膠粉摻量的橡膠瀝青的黏度變化，試驗結(jié)果見圖1。

圖1 不同膠粉摻量條件下橡膠瀝青180 ℃布氏黏度柱狀圖

從圖1可以看出，在180 ℃溫度條件下，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的黏度不斷增加。從數(shù)值上看，橡膠粉摻量在16%與18%時黏度值較為接近，均接近1 Pa·s；當(dāng)橡膠粉增加至20%時，黏度值增加近1倍，達到2 Pa·s左右；橡膠粉摻量增加至22%時，黏度值相比20%摻量橡膠瀝青增加了40%；而當(dāng)膠粉摻量達到24%時，橡膠瀝青的黏度值急劇增長到近5 Pa·s，已是16%膠粉摻量黏度值的5倍。由此得知，純膠粉改性瀝青主要是通過膠粉在熱瀝青中的混熔、熔脹、交聯(lián)等反應(yīng)促進瀝青性能的體系變化，最終導(dǎo)致其黏度增加。結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求及施工經(jīng)驗來看，橡膠瀝青的180 ℃布氏黏度值在2.5～3.0 Pa·s的范圍內(nèi)，其施工性能最佳。膠粉摻量<18%時，橡膠瀝青的黏度值過低，雖然能保證其施工性能，但其經(jīng)濟性較差，膠粉摻量存在進一步提升的空間。膠粉摻量在22%時的黏度值達到一個拐點，能夠在保證施工性能的前提下達到膠粉最大摻量。而膠粉摻量達到24%時，橡膠瀝青的黏度值已超出正常施工范圍，這是因為膠粉摻量過多，基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分不足以被膠粉完全吸收，從而導(dǎo)致部分膠粉不能被瀝青所溶解，未溶解的膠粉則以游離顆粒形式存在于瀝青之中，導(dǎo)致瀝青體系黏度的增加。綜合考慮，橡膠粉改性瀝青的橡膠粉摻量建議≤22%。

2.2 溫度掃描試驗

車轍因子G*/sinδ是SHRP計劃中表征抗車轍性能的重要指標，通過對橡膠瀝青進行溫度掃描可以獲取連續(xù)溫度變化條件下的車轍因子變化，以評價其抗車轍能力，這也是目前研究瀝青流變性能的常用方法。本文對不同橡膠粉摻量的橡膠瀝青進行溫度掃描，以評價其抗車轍能力，具體結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同膠粉摻量條件下橡膠瀝青溫度掃描圖

從圖2可以看出，隨著溫度逐漸升高，各橡膠粉摻量下的橡膠瀝青車轍因子G*/sinδ會持續(xù)下降，表明其抗高溫性能會隨著溫度升高逐步下降。瀝青再摻入橡膠粉后，其性質(zhì)本質(zhì)仍是一種粘彈性材料。隨著溫度不斷升高，其變形會由彈性變形趨向塑性變形，抗高溫性能會逐漸喪失。在同一溫度條件下，不同橡膠粉摻量下的車轍因子G*/sinδ呈現(xiàn)出明顯差異，表明橡膠粉摻量的不同會導(dǎo)致抗高溫性能出現(xiàn)變化。以60 ℃為例，車轍因子G*/sinδ由大到小依次分別是橡膠粉摻量為20%、22%、24%、18%以及16%時。當(dāng)橡膠粉摻量從16%增加至20%時，其車轍因子G*/sinδ持續(xù)增加，表明其抗高溫性能得到有效提升，而當(dāng)橡膠粉摻量從20%增加至24%時，其車轍因子G*/sinδ出現(xiàn)顯著衰減，表明摻加過多橡膠粉并不能有效提升橡膠瀝青的抗高溫性能，反而會起到負面抵消作用。這主要是因為過量的橡膠粉未能在瀝青當(dāng)中吸收足夠多的輕質(zhì)組分，甚至以顆粒形式存在于瀝青中，未形成良好的整體結(jié)構(gòu)性能，導(dǎo)致其抗高溫性能反而因橡膠粉摻量的增加而出現(xiàn)下降。

為進一步探究橡膠粉摻量對瀝青感溫性能的影響，對車轍因子G*/sinδ和溫度T坐標同時取對數(shù)坐標進行線性擬合，擬合公式為：

lg(G*/sinδ)=KlgT+C

(1)

式中，K和C值均為擬合方程的回歸系數(shù)，其中K值的絕對值可以用來表征瀝青的感溫性，具體擬合結(jié)果如表3所示。

表3 雙對數(shù)坐標下車轍因子與溫度的線性擬合關(guān)系表

從表3可以看出，各橡膠粉摻量條件下的擬合公式均具有很好的線性相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)均達到0.9以上。隨著橡膠粉摻量的增加，|K|值先增加后減小，并在橡膠粉摻量達到20%時|K|值達到最大。這表明橡膠瀝青的感溫性能隨著橡膠粉摻量的增加先增大后減小，并在橡膠粉摻量為20%時能夠最大程度改善瀝青的感溫性能。這說明過量的橡膠粉不僅對橡膠瀝青的高溫性能會產(chǎn)生負面作用，其感溫性能也會遭到破壞。

2.3 多重應(yīng)力蠕變試驗

相關(guān)研究認為單純依靠車轍因子進行抗車轍能力評價存在相關(guān)性較差的問題，于是SHRP計劃在后期完善多重應(yīng)力蠕變試驗(MSCR)作為另一項高溫性能評價試驗。該方法通過模擬不同荷載情況下的多個“加載與卸載”，以變形恢復(fù)率R和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr等指標來進行高溫性能評價。本文在60 ℃的試驗溫度條件下對不同摻量橡膠瀝青進行多重應(yīng)力蠕變試驗，其具體結(jié)果如下。

圖4 不同膠粉摻量條件下蠕變?nèi)崃縅nr變化柱狀圖

恢復(fù)率R值表示可恢復(fù)應(yīng)變在總應(yīng)變中所占的比例，其值越大表示其抗高溫性能越好，而不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr表示瀝青在應(yīng)力作用下的應(yīng)變水平，其值越小表示其抵抗變形能力越好。從圖3～4可以看出，在0.1 kPa的應(yīng)力水平下，橡膠粉摻量從16%逐漸增加至20%時，R值持續(xù)增加，而當(dāng)橡膠粉摻量從20%逐漸增加至24%時，R值出現(xiàn)顯著下降。而當(dāng)應(yīng)力水平從0.1 kPa增大至3.2 kPa，各橡膠粉摻量下的恢復(fù)率R值出現(xiàn)顯著下降，不同橡膠粉摻量的恢復(fù)率R值變化規(guī)律與0.1 kPa應(yīng)力水平下相同。不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr的變化規(guī)律在兩個應(yīng)力水平條件下也是先減小后增加，在橡膠粉摻量為20%時呈現(xiàn)出明顯拐點。由此得出，隨著應(yīng)力水平的增加，橡膠瀝青的抗高溫性能會變差，而橡膠粉的摻量也不是越多越好，超過最佳摻量后，其抗高溫性能會出現(xiàn)衰減。

圖3 不同膠粉摻量條件下恢復(fù)率R變化柱狀圖

從圖5可以看出，橡膠粉摻量在20%時，恢復(fù)率差值Rdiff最小。恢復(fù)率差值Rdiff可以用來表征瀝青的應(yīng)力敏感性，這說明在該橡膠粉摻量下能夠很好地抵抗由于應(yīng)力增大而出現(xiàn)快速永久變形的趨勢，這與恢復(fù)率R值和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr變化所得出的結(jié)論是一致的。

圖5 不同膠粉摻量條件下恢復(fù)率差值Rdiff變化柱狀圖

3 結(jié)語

(1)橡膠粉摻量的增加會使得橡膠瀝青的180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度增加，結(jié)合相關(guān)施工經(jīng)驗及相關(guān)規(guī)范要求綜合分析，橡膠粉摻量≤22%時能夠保證其具有較好的施工性能。

(2)溫度掃描試驗和多重應(yīng)力蠕變試驗的指標呈現(xiàn)出較為一致的變化規(guī)律，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的抗高溫性能先增加后減小，在橡膠粉摻量為20%時具備最佳的抗高溫性能和感溫性能。

(3)綜合黏度指標及相關(guān)流變指標，橡膠瀝青的最佳膠粉摻量建議為20%。