廢輪胎橡膠粉尺寸對橡膠改性瀝青性能的影響研究

張慎

摘要：為對比研究不同目數廢舊橡膠粉改性瀝青的性能，選用30目和50目廢輪胎橡膠粉，在室內制備橡膠改性瀝青，開展常規性能試驗和動態剪切流變性能試驗。實驗證明：與50目廢舊橡膠粉相比，30目廢舊橡膠粉改性瀝青的物理性質較優，但180℃布式旋轉黏度較高，不利于工廠泵送和現場施工；30目橡膠改性瀝青與50目橡膠改性瀝青的存儲穩定性差異較小，但在存儲過程中的橡膠顆粒狀態有所區別；相比50目橡膠改性瀝青，30目橡膠改性瀝青的流變特性具有更好的彈性響應，更好的高溫性能。

關鍵詞：道路工程；廢舊橡膠粉；顆粒大小；常規性能；流變特性

中圖分類號：TQ330.9? ? ?文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）06-0064-04

0 引言

汽車工業的高速發展帶來對橡膠輪胎的巨大需求，然而廢舊輪胎的數量也快速增長。回收利用廢舊輪胎的方案之一是將其制備為橡膠粉應用于瀝青中，制備成橡膠改性瀝青。橡膠粉可以直接（干法）添加到瀝青混合物，或者可以先與瀝青混合料形成改性瀝青（濕法），再與集料混合形成瀝青混合料［1］。與干法相比，濕法可提升瀝青和橡膠粉的相容性，從而提升橡膠改性瀝青的性能。然而，濕法制備橡膠改性瀝青的過程中，橡膠粉與瀝青的相互作用過程取決于各種材料的特性和加工條件［2］。目前，有研究者認為橡膠改性瀝青制備過程的相互作用有2種機制，即物理溶脹和化學降解［3-4］。橡膠粉在瀝青的溶脹過程經歷了一個快速發展階段，然后達到平衡狀態；在相同的橡膠-瀝青相互作用時間下，混合溫度越高，其膨脹率越大［5-6］。因此，橡膠粉顆粒的實際物理特性對膨脹現象具有重要作用，例如粒徑越小，比表面積和長徑比越大，改性瀝青的黏度、軟化點和彈性就越高，抗車轍性就越好。有學者研究表明：在任何情況下，達到平衡溶脹所需的時間與橡膠顆粒直徑的平方成反比［7］。橡膠粉的尺寸和化學成分改變了其與瀝青的相互作用方式，從而改變了橡膠改性瀝青在使用壽命內的服役性能。然而，制造均勻尺寸的橡膠粉顆粒在實踐中是不可行的；相反，橡膠粉由不同直徑的顆粒組成，具有類似礦粉的級配特征。因此，更合適和實用的方法是研究橡膠粉級配的性能，而不是研究單個顆粒的行為。基于此，本文研究橡膠粉顆粒的大小對橡膠改性瀝青的物理、化學、流變和儲存穩定性等性能的影響。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

廢舊橡膠粉選用30目和50目2種型號，采購自廣西南寧某輪胎回收廠，該工廠通過研磨工藝回收重載汽車輪胎用于生產廢舊橡膠粉。對廢舊橡膠粉顆粒的組成進行篩分，繪制級配曲線圖（如圖1所示）。從圖1可知，與50目橡膠粉相比，30目橡膠粉的級配組成中，大顆粒（＞0.6 mm）占據顆粒組成的40%左右。這意味著相比50目橡膠粉，30目橡膠粉具有更大的比表面積，可用于與瀝青的相互作用。

采用70#A級瀝青作為基質瀝青，其技術指標見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 橡膠改性瀝青制備方法

將70#A級瀝青加熱到170 ℃，添加20%的瀝青質量的廢舊橡膠粉，采用高速剪切儀以1 000 rpm的剪切速度剪切攪拌60 min，并用錫紙封閉容器口，將剪切攪拌好的橡膠改性瀝青在170 ℃烘箱中保溫30 min，制得橡膠改性瀝青。選用20%摻量的原因為橡膠改性瀝青的橡膠粉摻量為18%～23%時具有較佳的性能。

1.2.2 試驗方法

（1）常規性能試驗。常規性能試驗主要包括針入度、軟化點、彈性恢復以及儲存穩定性，試驗過程參考我國規范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）［8］中的相關要求。

（2）按照《動態剪切流變儀測定瀝青粘結劑流變特性的標準試驗方法》（ASTM D7175—15）［9］中的要求，開展頻率掃描試驗，試驗溫度為5 ℃、15 ℃、25 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃，加載頻率為0.1～15 Hz，對每種瀝青進行3次重復的頻率掃描測試。使用直徑為8 mm和25 mm、間隙為2 mm和1 mm的平行板，其中5 ℃和15 ℃為8 mm的平板、2 mm的間隙，其余溫度為25 mm的平板、1 mm的間隙。在試驗過程中，將應變設置為0.01%，防止瀝青結合料超出線性黏彈性區域。

2 試驗結果及分析

2.1 常規性能試驗結果及分析

常規性能試驗結果見表2，試驗結果包括針入度、軟化點、彈性恢復和180 ℃布式旋轉黏度。

由表2可知，摻加廢橡膠粉后，橡膠改性瀝青常規性能中，針入度降低、軟化點和彈性恢復率增大，表明廢橡膠粉提高了瀝青的彈性能力。橡膠顆粒的大小對橡膠改性瀝青的影響較大，30目的橡膠改性瀝青的各項性能優于50目橡膠改性瀝青，例如30目橡膠改性瀝青的針入度和軟化點分別為29.8 mm和64.5 ℃，而50目橡膠改性瀝青的針入度和軟化點分別為35.1 mm和60.1 ℃。橡膠顆粒大小的一個突出的影響表現在25 ℃的彈性恢復和180 ℃布式旋轉黏度2個指標上。30目橡膠改性瀝青的彈性恢復比50目橡膠改性瀝青高12.5%，前者表現出更大的彈性行為。然而，較細顆粒（50目）廢橡膠粉對橡膠改性瀝青有利的方面是其黏度較低，較低的黏度有利于工廠泵送和施工，并能降低瀝青混合料的出廠溫度和壓實溫度，有利于節約能源消耗和實現環保排放。

儲存穩定性試驗結果見表3。由表3可知：30目橡膠改性瀝青的頂部/底部軟化點之差為3.2 ℃，而50目橡膠改性瀝青的頂部/底部軟化點之差為3.4 ℃，表明廢舊橡膠粉的顆粒大小對儲存穩定性的影響不大。然而，30目橡膠改性瀝青的頂部試樣具有更高的軟化點，這可能是由于30目橡膠改性瀝青相比50目橡膠改性瀝青具有更高的黏度所致。與50目橡膠改性瀝青相比，更高的黏度不利于橡膠顆粒在管中向下遷移。由于橡膠含量高（20%），在烘箱中模擬儲存期間，橡膠顆粒比重相較基質瀝青更大，因此橡膠顆粒沒有足夠的空間移動和遷移到管的底部，這解釋了為何30目橡膠改性瀝青頂部試樣具有更高的軟化點，而50目橡膠改性瀝青底部軟化點更高的試驗現象。

2.2 動態剪切流變性能試驗

2.2.1 頻率掃描試驗結果及分析

5 ℃和80 ℃的頻率掃描試驗結果如圖2至圖5所示。由圖2至圖5可知：試驗溫度為5 ℃時，70#瀝青的儲存模量G′和損失模量值G″都隨加載速率先快速增加而后線性增加。表明70#瀝青的黏彈性對頻率有很高的敏感性。與之類似的，橡膠改性瀝青也顯示出類似的上升趨勢，但橡膠改性瀝青的模量隨頻率的增加幅度和速率小于70#瀝青。表明廢舊橡膠粉與70#瀝青發生了充分的相互作用并對其進行了改性。在80 ℃和低頻條件下，未改性的70#瀝青表現出一部分熔融狀態（如圖3所示）。此外，橡膠改性瀝青相比70#瀝青具有更大的復數剪切模量，而且具有一定的平臺區。上述現象表明：廢舊橡膠顆粒提升了70#瀝青在高溫下抵抗剪切變形的能力，并且在抵抗高溫變形方面占據主導作用，這一點與聚合物改性瀝青的作用類似。在高溫下，儲能模量G′受到施加載荷速率的影響較小，這是橡膠材料的常見特征［10-11］。

2.2.2 溫度掃描試驗結果及分析

儲能模量和損耗模量可以用復數剪切模量G*和相位角δ的形式共同描述。G*表示材料的總體抗剪切強度，而δ表示彈性和黏性成分的相對比例。相位角大小為0～90°，其中0表示純彈性（固體），而90°表示純黏性（流體）材料。復數剪切模量G*和相位角δ隨溫度的變化如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7中可以看到，即使在中等溫度（25 ℃）條件下，70#瀝青也容易受到溫度變化的影響。此外，橡膠改性瀝青在低溫條件下具有較低的剛度和相位角值，適用于寒冷地區；而且在高溫條件下的剛度較大，因此在炎熱氣候區域也適用。從圖2至圖7中可以看出，就橡膠瀝青顆粒大小因素的影響而言，30目橡膠改性瀝青在彈性方面比50目橡膠改性瀝青表現更好，尤其是在高溫條件下，這可能與較大尺寸顆粒的比例比50目橡膠改性瀝青相對較高有關。如果粗和細2種顆粒在高溫下與瀝青發生溶脹，則細顆粒將具有更大的溶脹潛力，并且其比粗顆粒具有更大的比表面積，因此可以更快地溶脹。如果2種顆粒都與瀝青相互作用一段時間（即直到較粗的顆粒達到其平衡階段），則較細的顆粒很有可能解聚并溶解在瀝青中。解聚現象導致聚合物添加到基礎瀝青中的不利影響的損失，從而導致高溫下的相位角更大。然而，較粗的顆粒具有較低的溶脹程度，這意味著與較細的顆粒相比，它從基質瀝青中吸收的油分較少，膨脹的顆粒分散在基質瀝青中，如果與瀝青相互作用的時間更長，混合物的熱穩定性將更高。盡管較細的橡膠顆粒顯示出較高的溶脹潛力和溶脹程度，但會引起橡膠瀝青的彈性降低且熱穩定性較差。

2.2.3 Black曲線分析

為了進一步理解和驗證橡膠改性瀝青流變特性變化，根據頻率掃描試驗結果繪制70#基質瀝青、橡膠改性瀝青Black曲線（如圖8所示）。Black曲線是區分簡單流變材料和復雜材料的一種簡便的方法。簡單流變材料隨著溫度的變化表現出從黏彈性固體到黏彈性流體的平穩過渡，而任何添加劑的存在都會改變這種平穩過渡，這是由于基質瀝青和添加劑的流變特性會隨著溫度變化而發生變化。

從圖8可以觀察到，70#基質瀝青產生了平滑的過渡曲線，表明材料的熱流變性主要體現為簡單流變材料。廢舊橡膠粉的加入使熱流變模式從簡單材料變為復雜材料。與未改性瀝青相比，可以觀察到在中、低溫度（5～25 ℃）下添加廢舊橡膠粉的變化主要為復數剪切模量值下降。在5～25 ℃的范圍內，橡膠改性瀝青也遵循70#基質瀝青的變化規律，因此該溫度范圍的橡膠改性瀝青的黏彈特性主要由基質瀝青主導。然而，廢舊橡膠粉的加入降低了低溫下的復合剪切模量，能避免路面在低溫下的開裂風險，并提高其抗疲勞特性。25～60 ℃有一個過渡區，2種類型的材料（基質瀝青和橡膠改性瀝青）都顯示出黏彈特性的變化過程，表現為復數剪切模量的顯著下降和相位角值的微小變化。復數剪切模量的下降是由瀝青隨著溫度的升高而軟化引起的，而相位角值的變化是由于加入橡膠粉導致的。80 ℃時，與橡膠改性瀝青相比，基質瀝青流變行為變化最小，因為它已經處于流體狀態。對于橡膠改性瀝青而言，此時橡膠粉在高溫下占主導地位，導致相位角的大小急劇降低，從而產生非彈性響應。橡膠粉顆粒大小因素的影響表現為低溫和高溫下復數剪切模量的差異，最顯著的影響是高溫區的相位角，2種不同大小顆粒的橡膠粉改性瀝青之間的差異約15°，30目橡膠改性瀝青能提供更彈性的響應。此外，與50目橡膠改性瀝青相比，30目橡膠改性瀝青的Black曲線更光滑、連續。

3 結論

通過對不同顆粒大小的橡膠改性瀝青以及70#基質瀝青開展物理、儲存穩定性以及流變性能試驗，得出結論如下：在物理性質方面，30目橡膠改性瀝青比50目橡膠改性瀝青的性能表現更好，但50目橡膠改性瀝青具有更低的180 ℃布式旋轉黏度，因此在工廠泵送和現場施工方面比30目橡膠改性瀝青具有優勢。在儲存穩定性方面，30目橡膠改性瀝青與50目橡膠改性瀝青差別較小，但二者的存儲穩定性有不同的表現，30目橡膠改性瀝青在存儲中，其橡膠顆粒不易下沉，而50目橡膠改性瀝青在存儲中，其橡膠顆粒容易下沉。廢舊橡膠粉顆粒大小對橡膠改性瀝青的性能有一定的影響。研究發現，與30目橡膠改性瀝青相比，50目橡膠改性瀝青降低了橡膠改性瀝青的彈性（彈性恢復率和相位角），其在溶脹形式下更具顆粒韌性，而30目橡膠改性瀝青流變特性更多是彈性響應。

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