溫拌橡膠瀝青熱穩定性分析

楊國良 陳奇良 李燕楓 包秀寧

（廣州大學 土木工程學院）

0 引言

在國家提倡節能減排、綠色友好、回收利用的可持續發展背景下，溫拌橡膠瀝青不僅能減低施工溫度、減少煙塵排放、廢舊橡膠輪胎回收利用，而且鋪筑的瀝青路面具有良好的路用性能，逐漸引起人們的關注[1-3]。高溫穩定性是瀝青路面路用性能中一個重要性能，特別在高溫炎熱地區，往往由于高溫穩定性不足容易誘發路面車轍，導致路面平整度下降，影響行車舒適性與安全。瀝青路面高溫穩定性其中一個重要影響因素就是瀝青材料的熱穩定性，高溫條件下熱穩定性不足的瀝青材料不僅容易流動，發生不可恢復的塑性變形，而且瀝青組分中的輕質組分更易于揮發與氧化，引發瀝青老化，瀝青粘附力降低，瀝青材料從集料表面剝落，造成瀝青路面材料松散、坑槽等病害[4-6]。因此，本研究從溫拌橡膠瀝青的軟化點、高溫黏度和熱重分析試驗三方面評價其熱穩定性，為溫拌橡膠瀝青路面的推廣應用提供參考。

1 原材料性能

1.1 基質瀝青

本研究采用70 號A 級道路石油瀝青，其主要性能指標如表1 所示。

表1 70 號基質瀝青基本性能指標

1.2 橡膠粉

本研究采用60 目廢舊輪胎回收橡膠粉，其技術指標如表2 所示。

1.3 溫拌劑

Sasobit 溫拌劑是一種聚烯烴類改性劑，一般情況下為顆粒狀或粉末狀，其性能如表3 所示。

表3 Sasobit 溫拌劑性能指標

Evotherm 溫拌劑是由美國美德維實偉克（Mead-Westvaco）公司生產的最新一代產品，為深黃褐色粘稠狀的低粘度液體，其性能指標如表4 所示。

表4 Evotherm 溫拌劑性能指標

2 溫拌橡膠瀝青配制

稱取一定質量的基質瀝青，將其預熱至140℃后，加入基質瀝青質量3%的Sasobit 溫拌劑，攪拌5 分鐘后，將60 目橡膠粉按照基質瀝青質量20%的比例倒入基質瀝青中，整個摻加過程使用FW30 型攪拌器進行攪拌均勻。整個攪拌過程中，配制溫度控制在(140±5)℃，攪拌速率為350r/min，攪拌時間為60min，即可完成Sasobit 溫拌橡膠瀝青的配制。

Evotherm 溫拌橡膠瀝青的配制流程同上，添加的Evotherm 溫拌劑劑量占基質瀝青質量1%。

3 溫拌橡膠瀝青軟化點試驗

軟化點是瀝青材料性能三大指標之一，是瀝青材料受熱軟化而流動下垂一定距離時的溫度。軟化點越高，瀝青材料熱穩定性越好。本實驗采用軟化點試驗儀檢測溫拌橡膠瀝青的軟化點，試驗結果如圖1 所示。

由圖1 可以看到，兩種溫拌橡膠瀝青的軟化點都較高，Sasobit 溫拌橡膠瀝青軟化點為73.4℃，Evotherm溫拌橡膠瀝青軟化點為71.8℃，而原材料基質瀝青只有47.5℃。這表明上述兩種溫拌橡膠瀝青均具有良好的熱穩定性，Sasobit 溫拌橡膠瀝青的熱穩定性略優于Evotherm 溫拌橡膠瀝青。

圖1 不同溫拌劑的溫拌橡膠瀝青軟化點

4 溫拌橡膠瀝青旋轉黏度試驗

瀝青材料在外力作用下瀝青粒子產生相互位移的抵抗剪切變形的能力稱為黏滯性，常用黏度來表示。黏度是瀝青材料非常重要的參數，其數值越高，抵抗剪切變形的能力越好，熱穩定性更優異。本實驗采用Brookfield 黏度計測量溫拌橡膠瀝青180℃旋轉黏度，轉子采用SC4-27 號轉子，試驗結果如圖2 所示。

圖2 不同溫拌劑的溫拌橡膠瀝青180℃旋轉黏度

從圖2 發現，在180℃高溫條件下，兩種溫拌橡膠瀝青的旋轉黏度均小于1Pa·s，具有良好的施工流動性。在如此高溫條件下，一般基質瀝青的旋轉黏度非常小，并逐漸發生老化，Sasobit 溫拌橡膠瀝青旋轉黏度為0.77Pa·s，Evotherm 溫拌橡膠瀝青旋轉黏度為0.50Pa·s，老化并不明顯。由此可見，溫拌橡膠瀝青具有良好的抵抗高溫剪切變形能力，熱穩定性滿足工程要求；同等條件下，Sasobit 溫拌橡膠瀝青的熱穩定性優于Evotherm 溫拌橡膠瀝青。

5 溫拌橡膠瀝青熱重分析試驗

為了進一步分析溫拌橡膠瀝青熱解過程中質量變化及其變化速率，揭示不同溫拌橡膠瀝青熱穩定性的差異性，本研究進行了熱重分析試驗。

稱取試驗樣品10㎎，將其放入天平支架上的坩堝中，將系統密閉抽真空后，打開氣體開關并通入惰性氣體N2，氣體流量100ml/min，按照20℃/min 的升溫速率從室溫升溫至700℃，分別得到熱重（Thermogravimetry）曲線（簡稱TG 曲線）和微分熱重（Differential Thermogravimetry）曲線（簡稱DTG 曲線）。

圖3 試驗結果顯示Evotherm 溫拌橡膠瀝青的熱解過程經歷了零熱解、劇烈熱解、緩慢熱解三個階段：室溫～250℃屬于零熱解階段，TG 曲線和DTG 曲線為水平線，質量無變化，失重速率基本為零；劇烈熱解階段發生在250℃～525℃，TG 曲線較為緩慢階降，質量損失約為70%，DTG 曲線在峰值前后反復出現多個尖窄局部吸熱峰和放熱峰，失重速率最大值12.86%/min-1出現在475℃附近；緩慢熱解階段出現在525～700℃，TG 曲線緩慢下降，Evotherm 溫拌橡膠瀝青繼續熱解，最終質量剩余百分率約為15%，DTG 曲線以1%/min-1～3%/min-1失重速率下降，逐漸趨于平緩。

圖3 Evotherm 溫拌橡膠瀝青熱重分析TG-DTG 曲線

從圖4 可以看到，Sasobit 溫拌橡膠瀝青的熱解也經歷了零熱解、劇烈熱解、緩慢熱解三個階段：室溫～270℃屬于零熱解階段，TG 曲線和DTG 曲線為水平線，質量無變化，失重速率基本為零；劇烈熱解階段發生在270～522℃，TG 曲線較為緩慢階降，質量損失約為73%，DTG 曲線吸熱峰底寬頂窄尖，在達到峰值前反復出現多個明顯尖銳局部吸熱峰和放熱峰，失重速率最大值14.12%/min-1出現在462℃附近；緩慢熱解階段出現在522～700℃，TG 曲線很緩慢下降，Sasobit 溫拌橡膠瀝青繼續熱解，最終質量剩余百分率約為19%，DTG 曲線出現寬而平的不明顯吸熱峰，曲線趨于平緩，失重速率在1%/min-1～2%/min-1之間波動。

圖4 Sasobit 溫拌橡膠瀝青熱重分析TG-DTG 曲線

對比圖3 和圖4 發現，兩種溫拌橡膠瀝青均經歷了零熱解、劇烈熱解、緩慢熱解三個階段；劇烈熱解后的質量損失都不小于70%，但Sasobit 溫拌橡膠瀝青劇烈熱解的起始溫度比Evotherm 溫拌橡膠瀝青延后大約20℃；緩慢熱解后的溫拌橡膠瀝青殘留物主要是焦炭類物質和灰分，殘余物質質量均大于10%，Evotherm 溫拌橡膠瀝青在緩慢熱解階段的失重速率比Sasobit 溫拌橡膠瀝青的大。

6 結論

⑴Sasobit 和Evotherm 兩種溫拌橡膠瀝青的軟化點均大于70℃，180℃旋轉黏度都在0.50Pa·s 以上，具有良好的抵抗高溫剪切變形能力，熱穩定性滿足工程要求。

⑵Sasobit 和Evotherm 兩種溫拌橡膠瀝青的熱解過程都經歷了零熱解、劇烈熱解、緩慢熱解三個階段，Sasobit 溫拌橡膠瀝青劇烈熱解的起始溫度比Evotherm 溫拌橡膠瀝青延后大約20℃，劇烈熱解階段反復出現多個局部吸熱峰和放熱峰，緩慢熱解階段Evotherm 溫拌橡膠瀝青失重速率比Sasobit 溫拌橡膠瀝青的大，700℃時Evotherm 和Sasobit 溫拌橡膠瀝青熱解殘余物質量分別約為15%和19%。

⑶同等條件下，Sasobit 溫拌橡膠瀝青的熱穩定性略優于Evotherm 溫拌橡膠瀝青。