工廠化生產橡膠瀝青輸運過程的性能穩定性分析

摘要：為研究長途運輸對工廠化生產的橡膠瀝青性能的影響，采用數理統計方法，分析長途運輸前后橡膠瀝青性能指標變化情況。結果表明，成品橡膠瀝青經過遠距離運輸后，軟化點和彈性恢復降低，針入度和延度增大，其中延度變化最明顯，針入度和彈性恢復次之，軟化點變化的顯著性最小。為保證長途運輸后成品橡膠瀝青的性能穩定性，針入度降低值宜lt;10.0 mm，彈性恢復降低值宜lt;3.1%，延度增大值宜lt;4.69 cm。

關鍵詞：道路工程；橡膠瀝青；工廠化生產；三大指標；彈性恢復；儲存穩定性

中圖分類號：U416.217A070213

0 引言

高速公路表面層作為直接承受荷載和外界環境影響的結構層，其技術性能要求較高。瀝青原材料一般采用改性瀝青，橡膠瀝青作為高性能改性瀝青的一種，其使用不僅響應了資源節約、環境友好的經濟政策號召，而且橡膠粉本身含有抗老化劑、交聯劑和炭黑等活性成分，對瀝青的抗老化性有了一定的提升，從而增強了混合料的耐久性［1］。但與此同時，由于橡膠粉不完全降解于基質瀝青中，再加上膠粉與基質瀝青密度不同，瀝青中的膠粉在重力作用下易發生沉淀離析［2-5］，使橡膠瀝青的性能極其不穩定。而存儲穩定性又是制約著膠粉改性瀝青大型工廠化生產的主要因素，因此對膠粉改性瀝青存儲穩定性的研究是有必要的。任義［6］基于膠粉與瀝青的密度差原理，通過傳統的改性瀝青加工工藝，利用PE來加固橡膠粉在基質瀝青中的空間結構，制得的橡膠改性瀝青具有較好的儲存穩定性。在此基礎上，甘宏坤［7］研究發現，當橡膠粉、聚乙烯和抗氧化劑分別為基質瀝青的10%～35%、3%～10%和5.0%時，制得的橡膠改性瀝青儲存穩定性進一步提高。李曉藝［8］通過掃描電鏡和紅外光譜儀對添加PE和SBS改性劑的橡膠瀝青進行微觀研究發現，CR-PE-SBSMA中各添加劑與基質瀝青混溶以物理作用為主，其中PE的加入使復合改性瀝青的穩定性顯著提升。楊通明［9］研究表明，膠粉和基質瀝青的反應程度隨著剪切溫度的升高而加深，瀝青的大部分性能均得到提升，但是反應溫度過高易發生老化和離析，導致其儲存穩定性降低，不宜遠距離長時間運輸，因此橡膠改性瀝青在制備過程時剪切溫度宜控制在180 ℃左右。Wang等［10］研究發現，在試驗過程中加入一定量的SBS，同時將研磨剪切的溫度控制在約185 ℃下并剪切60 min時，橡膠改性瀝青的存儲穩定性處于較高水平。

從上述前人的研究成果可以看出，主要集中研究橡膠粉摻量、外加劑以及加工工藝等指標對橡膠瀝青穩定性的影響，而關于工廠化生產的橡膠瀝青實際應用時性能變化的研究較少，而且即便高性能橡膠瀝青的改進技術實現了工廠化生產，但長途運輸時瀝青罐車保持對橡膠瀝青的加熱與攪拌，經過運輸后瀝青性能的變化仍有待考驗。為了保證工廠化生產的橡膠瀝青在使用前具有較好的穩定性，有必要分析經長途運輸后成品橡膠瀝青的性能變化。因此，本文依托實體工程對工廠化生產的成品橡膠瀝青經過遠距離的運輸到達目的地前后的性能變化進行研究，并通過對比橡膠瀝青出廠時與到場后，針入度、軟化點、延度和彈性恢復四項常規指標的檢測統計，分析其各性能的變化特征，給出運輸后性能的合理控制指標，以期保證橡膠瀝青的穩定性。本文研究可為廣西橡膠瀝青的應用提供參考依據。

1 長途運輸后橡膠瀝青的性能變化

本文采用的是廣西交科集團有限公司生產的高性能橡膠瀝青，產地為廣西欽州市欽州港，目的地為蒙象高速公路二期二工區駐地，運距約為367 km，從出廠至項目工地時性能檢測一般控制在10 h，卸料溫度為177 ℃～182 ℃。通過抽查對比50次工廠化生產的經過遠距離運輸成品橡膠改性瀝青到達目的地前后的性能變化情況，采用統計分析，給出運輸后橡膠瀝青性能合理控制指標，以確保后期橡膠瀝青的穩定性。遠距離運輸后其常規指標的變化情況如表1和下頁圖1所示。

1.1 針入度

從圖1（a）中可以看出，經長途運輸后，橡膠瀝青的針入度值有所增大。結合表1可知，針入度整體平均增加9.3 mm，平均增加率為23.3%。分析可知，瀝青的針入度測試主要依靠測試針刺入，而橡膠粉的殘余，對測試針刺入的阻撓增強，使橡膠瀝青的針入度測試值比基質瀝青的要小。瀝青罐車一般自身攜帶保溫機制，橡膠瀝青經過長途運輸后相當于延長橡膠粉與基質瀝青的反應時間，此時化學反應和物理反應加劇，S-C與S-S等化學鍵持續斷裂，橡膠粉越來越小，這一系列的反應將隨著時間的延長而加劇，最終，橡膠瀝青變得越來越軟，針入度測試值便隨之增大。

1.2 軟化點

從圖1（b）中可以看出，經長途運輸后橡膠瀝青的軟化點測試值均減小。結合表1可知，軟化點整體平均下降2.1 mm，平均下降率為2.9%。這是因為考慮了汽車輪胎的工作使用需求，常采用硫化工藝使輪胎具有較好的彈性，增強了其在各種使用環境中的適應性，延長了輪胎的使用壽命。膠粉與基質瀝青的反應則是與之相反的脫硫降解，硫化是為了讓橡膠輪胎具有良好的應用性能，而脫硫的過程往往要添加軟化劑、脫硫劑，與擠出反應綜合作用對橡膠進行脫硫。當膠粉與基質瀝青的反應時間延長，在橡膠瀝青內部時刻發生著脫硫反應，軟化劑和脫硫劑的功效得以充分發揮，此時橡膠瀝青逐漸變軟，抵抗高溫變形的能力也逐漸降低，軟化點的測試值隨之變小。

1.3 延度

結合圖1（c）和表1可知，在延度方面，經長途運輸后其值均有所增大，總體平均增大4.3 cm，平均增加率為36.2%。這是因為橡膠粉與基質瀝青的相容性有限，再加上橡膠粉不完全降解于瀝青中，導致橡膠瀝青始終是一種均勻性相對較低的材料，而材料的不均勻性易造成某一點的應力集中。在進行延度試驗時，瀝青處于被拉伸的狀態，當集中力持續發展到大于橡膠瀝青的抵抗作用時，橡膠瀝青便被拉斷，因此橡膠的延度測試值比一般的改性瀝青小。同理，隨著反應時間的延長，橡膠粉與基質瀝青進一步反應，其不均勻性逐漸改善，應力集中得到有效的緩解。因此在進場后測定延度時，橡膠瀝青的變形能力將會得到一定程度的提升，其延度指標的總體趨勢是變大的。

1.4 彈性恢復

結合圖1（d）和表1可知，經長途運輸后，橡膠瀝青的彈性恢復總體平均降低2.7%，平均下降率為3.1%。同理，因為橡膠粉的存在，使橡膠瀝青在高溫下的彈性性能有較大幅度的提升，對于抵抗路面變形和疲勞開裂起到決定性的作用，常用彈性恢復表征。在一般的反應溫度以及存儲溫度范圍之間，由于短時間內橡膠粉未得到充分的降解和溶脹，且外層的凝膠組分在膠粉的四周形成的保護膜抑制其進一步反應，橡膠粉仍以一定數量分布于整個瀝青空間中，彈性恢復性能趨于不變。當反應時間延長時，在攪拌裝置的工作下，橡膠粉進一步游離于基質瀝青的四周，凝膠組分逐漸被破壞，橡膠瀝青內部的反應效率提升，膠粉進一步溶脹降解，使改性瀝青的彈性恢復性能下降。

2 性能變化間的聯系模型

為進一步研究長途運輸后對成品橡膠瀝青的影響，將其軟化點差值與針入度差值、延度差值、彈性恢復差值分別進行擬合，以分析橡膠瀝青各性能變化之間的聯系。擬合結果分別如圖2～4所示，擬合模型如表2所示，其中ΔS為軟化點差值，ΔN為針入度差值，ΔD為延度差值，ΔE為彈性恢復差值。

由表2可知，軟化點差值與延度差值的擬合相關性系數均＞0.910，其中線性擬合的更是高達0.934，相關性較強，而軟化點差值與彈性恢復差值、針入度差值的非線性擬合的相關性系數分別為0.920、0.957，非線性擬合的程度更高。橡膠瀝青的穩定性評價常以軟化點差值來表征，對于其他性能的技術指標尚未有統一的標準，而從上述的分析可知，其軟化點的變化和延度、彈性恢復以及針入度三者的變化均呈一定的相關性，因此將延度差值、彈性恢復差值和針入度差值作為橡膠瀝青遠距離運輸后穩定性的評判指標理論上有一定的可行性。

按橡膠瀝青儲存穩定性評判的現行指標，軟化點差值應＜2.5 ℃，結合表2的擬合結果可知，針入度差值和彈性恢復差值與軟化點的非線性擬合程度高，按式ΔN=7.783ΔS0.278和ΔE=1.661ΔS0.675可得，針入度降低值應＜10.0 mm，彈性恢復降低值應＜3.1%，而延度差值與軟化點差值則按線性擬合方程ΔD=0.917ΔS+2.397可得，延度的增大值應＜4.69 cm。

3 結語

（1）成品橡膠瀝青經過遠距離運輸后，其常規性能的變化規律并不一致，具體表現為軟化點和彈性恢復值降低，針入度和延度值增大。

（2）長途運輸后對成品橡膠瀝青各性能的影響程度排序為：延度gt;針入度gt;彈性恢復gt;軟化點。

（3）為保證成品橡膠瀝青的穩定性，工廠化生產的橡膠瀝青經長途運輸后，針入度降低值宜＜10.0 mm，彈性恢復降低值宜＜3.1%，延度增大值宜＜4.69 cm。

參考文獻

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［9］楊通明.生產工藝參數對膠粉改性瀝青混合料強度影響的試驗研究［J］.公路交通技術，2014（5）：33-37.

［10］Wang Yah，Zhan Bo Chuan，Cheng Jian.Study 01l Preparation Process of SBS/Crumb Rubber Composite ModifiedAsphalt［J］.Advanced Materials Research，2012（450-451）：417-422.

收稿日期：2023-10-08

作者簡介：黃小華（1979—），工程師，主要從事試驗檢測工作。