膠粉性質(zhì)對(duì)橡膠改性瀝青性能影響研究

張明月， 蔣 恒， 茍宏偉

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引 言

隨著《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《綱要》)的頒布，我國(guó)公路建設(shè)又迎來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)?；赝覈?guó)公路發(fā)展歷程，截至2018年底，我國(guó)公路總里程達(dá)484.65萬(wàn)km，較上一年增長(zhǎng)7.31萬(wàn)km，位居世界第一?！毒V要》提出我國(guó)交通運(yùn)輸發(fā)展的重要任務(wù)之一是“綠色發(fā)展、低碳環(huán)?！盵1]。早期公路建設(shè)存在能耗高、污染大的弊端，為迎合這一發(fā)展理念，公路建設(shè)者們陸續(xù)開(kāi)發(fā)了許多節(jié)能環(huán)保的筑路材料、施工機(jī)具、施工工藝等，橡膠改性瀝青技術(shù)就是其中的典型代表之一。其將廢舊的橡膠輪胎重新利用，加工成為筑路材料——膠粉，并與瀝青在高溫條件下剪切、拌和，形成改性瀝青膠結(jié)料，相比于傳統(tǒng)的SBS改性瀝青技術(shù)，這種方法節(jié)省了15%～20%的基質(zhì)瀝青[2]。

我國(guó)的橡膠改性瀝青技術(shù)現(xiàn)處于起步和發(fā)展階段，仍存在很多缺陷與不足。膠粉的目數(shù)與摻量是橡膠改性瀝青技術(shù)的重要參數(shù)，但我國(guó)現(xiàn)有的規(guī)范、地標(biāo)、指南等對(duì)膠粉性質(zhì)的技術(shù)要求略顯寬松，如對(duì)膠粉目數(shù)一般要求30～80目，膠粉摻量一般大于15%即可[3]。然而基于工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，不同目數(shù)與摻量的膠粉對(duì)改性瀝青的性能有著重要影響，合理選擇摻量與目數(shù)可有效提高瀝青改性質(zhì)量，同時(shí)節(jié)約成本，避免盲目性。為此，本文基于濕法工藝，對(duì)不同摻量與不同目數(shù)的橡膠改性瀝青進(jìn)行性能測(cè)試，探究膠粉摻量與目數(shù)對(duì)改性瀝青性能的影響，以期為工程實(shí)際提供借鑒與指導(dǎo)。

1 原材料與制備工藝

1.1 瀝青

本文選用東海牌70號(hào)基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 70號(hào)基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 橡膠粉

本文選用四川中能橡膠粉有限責(zé)任公司所生產(chǎn)的40～80目橡膠粉(圖1)，參考《橡膠瀝青路面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T 273-2019)，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖1 橡膠粉

表2 橡膠粉技術(shù)指標(biāo)

1.3 橡膠改性瀝青制備工藝

本文基于濕法工藝制備實(shí)驗(yàn)室用橡膠改性瀝青(圖2)，首先將基質(zhì)瀝青加熱至160℃，然后加入相應(yīng)質(zhì)量和目數(shù)的橡膠粉，使用上海昂尼AE300L-P型實(shí)驗(yàn)室剪切乳化機(jī)在180 ℃條件下以1 000 r/min的速率高速剪切60 min，繼續(xù)在180 ℃條件下溶脹15 min，最終得到所需的改性瀝青。

圖2 橡膠改性瀝青制備

2 橡膠改性瀝青機(jī)制

如圖3所示，橡膠顆粒與瀝青在高溫剪切條件下混合，橡膠顆粒充分吸收瀝青中的輕質(zhì)組分而發(fā)生溶脹，使得瀝青中其余飽和酚、芳香酚與瀝青質(zhì)的含量相對(duì)減少，提升了瀝青的黏度。溶脹反應(yīng)的同時(shí)，伴隨著脫硫和降解，橡膠粉中的活性成分進(jìn)入瀝青膠體中，有助于改善瀝青性能。另一方面，膠粉顆粒周?chē)纬傻哪z膜瀝青質(zhì)含量高，可將分散于瀝青中的橡膠顆粒，形成黏度較大的半固態(tài)連續(xù)相的體系[4]。

圖3 橡膠改性瀝青機(jī)制

3 膠粉目數(shù)對(duì)橡膠瀝青性能的影響

我國(guó)橡膠瀝青現(xiàn)行規(guī)范、地標(biāo)與指南中尚未對(duì)膠粉目數(shù)做出詳細(xì)規(guī)定，針對(duì)膠粉目數(shù)僅推薦了目數(shù)范圍為30～80目，較為寬泛的范圍勢(shì)必給橡膠瀝青的制備帶來(lái)困擾。因此，為探究膠粉目數(shù)對(duì)橡膠改性瀝青性能的影響，基于前述制備工藝，在20%膠粉摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)條件下，對(duì)不同膠粉目數(shù)(40目、60目、80目)進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同橡膠粉目數(shù)橡膠改性瀝青性能測(cè)試結(jié)果

由表3可知：

(1)膠粉目數(shù)的增大有助于提升橡膠改性瀝青的高溫性能。如圖4a所示，當(dāng)膠粉目數(shù)由40目增大至80目時(shí)，針入度降低4.5(0.1 mm)，軟化點(diǎn)提升7.9℃，高溫性能顯著提高。究其原因在于，橡膠粉目數(shù)越大表明其粒徑越小，橡膠粉顆粒越細(xì)，單位體積內(nèi)橡膠粉顆粒數(shù)量大，比表面積提升，在相同膠粉摻量條件下膠粉與基質(zhì)瀝青溶脹反應(yīng)更加充分，膠粉吸收瀝青中輕質(zhì)組分的速率加快，形成的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物更加穩(wěn)固，因而高溫性能得以改善。

(2)膠粉目數(shù)的增大有助于提升橡膠改性瀝青的低溫性能。如圖4b所示，當(dāng)膠粉目數(shù)由40目增加至60目時(shí)，延度提高36 mm，繼續(xù)增大至80目時(shí)，延度繼續(xù)提升28 mm，在此范圍內(nèi)，延度的提升與目數(shù)幾乎呈線(xiàn)性關(guān)系。這是因?yàn)橄鹉z粉與瀝青的拉伸模量相差較大，當(dāng)延度儀對(duì)瀝青進(jìn)行拉伸時(shí)，瀝青的橫向變形較大，若橡膠顆粒越大，則膠粉在瀝青中的流動(dòng)性越差，拉伸過(guò)程中瀝青與膠粉的界面應(yīng)力集中現(xiàn)象越明顯，越容易發(fā)生斷裂，因此，目數(shù)越大，膠粉顆粒越細(xì)，越有利于提高橡膠改性瀝青的低溫性能。

(3)膠粉目數(shù)的增大不利于橡膠改性瀝青的彈性恢復(fù)能力。如圖4c所示，當(dāng)膠粉目數(shù)由40目增大至80目時(shí)，橡膠改性瀝青的彈性恢復(fù)能力下降9個(gè)百分點(diǎn)，這是因?yàn)橄鹉z粉本身彈性特征遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于瀝青，橡膠粉目數(shù)增大后，粒徑減小，與瀝青反應(yīng)加劇，降解和脫硫現(xiàn)象增加，減少了橡膠中的彈性成分，因而導(dǎo)致改性瀝青的彈性恢復(fù)能力降低。

圖4 膠粉目數(shù)對(duì)瀝青性能影響

4 膠粉摻量對(duì)橡膠瀝青性能的影響

膠粉摻量是橡膠改性技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)之一，我國(guó)相關(guān)規(guī)范、地標(biāo)、指南中對(duì)膠粉摻量的規(guī)定一般為大于15%即可。然而根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠粉摻量過(guò)高時(shí)，瀝青的黏度偏大，不利于施工。因此，為掌握膠粉摻量對(duì)橡膠瀝青性能的影響，本文基于前述制備工藝，采用80目橡膠粉，分別對(duì)不同膠粉摻量(5%、10%、15%、20%、25%、30%)的改性瀝青進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同橡膠粉摻量橡膠瀝青性能測(cè)試結(jié)果

由表4可知：

(1)隨著膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的高溫性能逐步提升，增速先快后慢。如圖5a所示，當(dāng)膠粉摻量由5%增加至20%時(shí)，針入度下降8.4(0.1mm)，軟化點(diǎn)提升8.5℃，高溫性能顯著提升，這是由于當(dāng)膠粉摻量較少時(shí)，隨著摻量的增加，瀝青與膠粉的溶脹反應(yīng)越加充分完全，膠粉顆粒間的作用加強(qiáng)，形成較為穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物以提升瀝青性能，但是當(dāng)摻量超過(guò)20%后，高溫性能出現(xiàn)波動(dòng)，甚至小幅下降，表現(xiàn)為當(dāng)摻量增加至30%，相較于20%摻量時(shí)軟化點(diǎn)降低1.3℃，究其原因在于瀝青中有限的輕質(zhì)組分無(wú)法滿(mǎn)足與過(guò)量膠粉的反應(yīng)，因而表現(xiàn)為高溫性能的小幅下降。

(2)隨著膠粉摻量的增加，橡膠瀝青低溫性能先提升后下降。如圖5b所示，當(dāng)膠粉摻量由5%增加至20%時(shí)，5℃延度升高115(0.1mm)，低溫性能顯著提升，這就表明瀝青與膠粉反應(yīng)后內(nèi)部形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物有利于改善瀝青的柔韌性，低溫性能得以提升；繼續(xù)增加摻量至30%，5℃延度降低21(0.1mm)，低溫性能小幅下降，造成該現(xiàn)象的原因在于過(guò)量的膠粉無(wú)法充分反應(yīng)完全，將以大顆粒形式存在于瀝青中，且分散不均勻，在延度儀試模拉伸過(guò)程中容易在瀝青與膠粉顆粒界面產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，不利于改善低溫性能。

(3)隨著膠粉摻量的增加，橡膠瀝青彈性恢復(fù)能力逐步提升，當(dāng)摻量高于20%后，提升幅度有限。如圖5c所示，當(dāng)膠粉摻量由5%增加至20%時(shí)，彈性恢復(fù)率提升27個(gè)百分點(diǎn)；繼續(xù)增加至30%，彈性恢復(fù)率僅提升3個(gè)百分點(diǎn)。究其原因在于，一方面膠粉顆粒與輕質(zhì)組分的反應(yīng)間接提升了瀝青中瀝青質(zhì)的含量，另一方面基質(zhì)瀝青本身彈性恢復(fù)率低，橡膠顆粒彈性足，二者共同作用提升了改性瀝青的彈性特征和黏稠度，但是過(guò)量膠粉對(duì)上述性質(zhì)的改善作用明顯不足。

圖5 膠粉摻量對(duì)瀝青性能影響

5 結(jié) 論

基于濕法橡膠瀝青制備工藝，分別制備不同膠粉目數(shù)與不同膠粉摻量的改性瀝青并測(cè)試其基本性能，得出以下結(jié)論:

(1)隨著膠粉目數(shù)的增加，橡膠瀝青高溫性能、低溫性能均顯著提高，但不利于改善瀝青的彈性恢復(fù)能力。

(2)在一定范圍內(nèi)，膠粉摻量增加可改善瀝青的高溫性能、低溫性能與彈性恢復(fù)能力，但是在摻量超過(guò)20%后，橡膠瀝青的高溫性能與彈性恢復(fù)能力提升幅度有限，低溫性能出現(xiàn)小幅下降。

(3)從工程實(shí)際角度出發(fā)，在規(guī)范范圍內(nèi)，考慮施工和易性與經(jīng)濟(jì)性，推薦膠粉目數(shù)為80目、膠粉摻量為20%。