膠粉粒徑及其相互作用對橡膠瀝青流變性能的影響

李薇薇

（甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

將廢舊輪胎經(jīng)機械加工粉碎或研磨成膠粉按照不同摻配比例摻入到基質(zhì)瀝青中生產(chǎn)橡膠瀝青，具有顯著的經(jīng)濟環(huán)保效益，被廣泛應(yīng)用于路面建設(shè)和養(yǎng)護(hù)[1-3]。膠粉中的丁苯橡膠、天然橡膠等多種高分子聚合物有利于改善橡膠瀝青的高溫性能、低溫性能、疲勞性能以及水穩(wěn)性能[4-5]。但是不同目數(shù)膠粉制備的橡膠瀝青的性能有較大差異，曹榮吉等[6]發(fā)現(xiàn)20目膠粉制備橡膠瀝青的性能優(yōu)于40目及60目膠粉。徐歐明等[7]認(rèn)為40目膠粉制備橡膠瀝青的車轍因子最大，60目次之，20目最小。而楊永順等[8]發(fā)現(xiàn)80目膠粉制備改性瀝青的性能最優(yōu)，其最佳摻量為15%。因此，膠粉目數(shù)對橡膠瀝青性能的影響還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識。

橡膠瀝青的性能主要受膠粉與瀝青的交互作用（Interaction Effect，IE）和未反應(yīng)膠粉的填充作用（Particle Effect，PE）的影響[9]。李波等[10-11]量化了IE和PE對橡膠瀝青黏度和車轍因子的貢獻(xiàn)，認(rèn)為橡膠瀝青的高溫性能主要取決于膠粉與瀝青的交互作用，而橡膠瀝青中膠粉的填充作用對其貢獻(xiàn)較小。魏永政等[12]量化了不同微波活化時間下基于復(fù)數(shù)剪切模量（G*）橡膠瀝青的IE和PE值?？梢钥闯?，國內(nèi)對于IE和PE的量化主要集中在黏度、車轍因子等高溫流變參數(shù)，并沒有完全量化交互作用和填充作用對橡膠瀝青流變參數(shù)的貢獻(xiàn)。

因此，本研究分別利用40目和80目膠粉制備了40目和80目橡膠瀝青，并使用80目篩對其進(jìn)行過濾分別得到40目和80目過濾瀝青，采用旋轉(zhuǎn)黏度、動態(tài)剪切流變（DSR）試驗對橡膠瀝青和過濾瀝青進(jìn)行測試，基于黏度、車轍因子（G*/sinδ）量化了橡膠瀝青中交互作用和填充作用對各流變參數(shù)的影響，并對不同瀝青的儲存穩(wěn)定性進(jìn)行研究，以期為橡膠瀝青的應(yīng)用和推廣提供參考。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

試驗用基質(zhì)瀝青由甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司提供，其技術(shù)指標(biāo)見表1。膠粉采用常溫法生產(chǎn)40目和80目兩種廢胎膠粉，其在瀝青中的摻量為15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

2.2 橡膠瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青在烘箱中加熱至完全流動狀態(tài)并倒入燒杯，然后將燒杯置于180 ℃的恒溫油浴中迅速升溫，當(dāng)溫度升至140 ℃時緩慢加入膠粉，并借助攪拌器以700 r/min的轉(zhuǎn)速在175～180 ℃下攪拌反應(yīng)30 min，最后冷卻至室溫放置24 h，即制得橡膠瀝青。

為了探究膠粉和瀝青之間的作用關(guān)系，利用如圖1所示的裝置對制得橡膠瀝青進(jìn)行過濾，得到過濾瀝青。具體過程為：將制得的橡膠瀝青在163 ℃的烘箱中加熱60 min并充分?jǐn)嚢杈鶆颍缓髮⑵涞谷?0目過濾篩進(jìn)行過濾以保證過濾瀝青中不含任何顆粒物質(zhì)，整個過程在149 ℃的烘箱中持續(xù)45 min，即得到過濾瀝青。其中，經(jīng)80目膠粉改性得到的橡膠瀝青表示為80目橡膠瀝青，80目橡膠瀝青經(jīng)過濾后得到的過濾瀝青表示為80目過濾瀝青，其他以此類推。

圖1 橡膠瀝青過濾裝置

2.3 試驗方法

（1）旋轉(zhuǎn)黏度

根據(jù)ASTM D4402規(guī)范利用AMETEK Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度計對未老化的基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青和過濾瀝青的黏度進(jìn)行測試，測試溫度為120 ℃、135 ℃、150 ℃、165 ℃和180 ℃。

（2）動態(tài)剪切流變（DSR）試驗

按照ASTM D7175對短期老化后的基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青和過濾瀝青利用動態(tài)剪切流變儀對其車轍因子（G*/sinδ）進(jìn)行測試。

3 膠粉-瀝青相互作用的評價方法

橡膠瀝青的性能主要受瀝青與膠粉之間的交互作用（IE）和填充作用（PE）影響，其中IE表示膠粉和瀝青由于化學(xué)作用而引起的性能指標(biāo)的相對變化，而PE表示膠粉在瀝青中由于顆粒填充作用而引起的性能指標(biāo)的相對變化，IE和PE對橡膠瀝青的作用示意圖如圖2所示。本研究通過式（1）和（2）計算基于黏度、車轍因子（G*/sinδ）、平均應(yīng)變恢復(fù)率R、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr和疲勞壽命的IE和PE值，以量化膠粉與瀝青間的交互效應(yīng)和填充效應(yīng)。

圖2 IE和PE對橡膠瀝青的作用示意圖

式中：橡膠瀝青、過濾瀝青和基質(zhì)瀝青分別對應(yīng)各流變性能的指標(biāo)值。

4 結(jié)果與討論

4.1 旋轉(zhuǎn)黏度

圖3為膠粉目數(shù)對橡膠瀝青和過濾瀝青粘度的影響，由圖可以看出，在135 ℃時，40目橡膠瀝青和80目橡膠瀝青的黏度分別是基質(zhì)瀝青的4.6和3.82倍，表明摻加膠粉可以顯著提高橡膠瀝青的黏度。原則上膠粉目數(shù)越大，膠粉越細(xì)，比表面積越大，其越容易吸附瀝青中的輕質(zhì)組分，但是從圖中可以發(fā)現(xiàn)相比于80目膠粉，40目膠粉對瀝青黏度的提升更明顯，這是由于膠粉太細(xì)時，表面能越大，容易造成在瀝青中發(fā)生團(tuán)聚，影響空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，從而導(dǎo)致其黏度降低。從圖3還可以看出，135 ℃條件下，40目過濾瀝青和80目過濾瀝青的黏度與40目橡膠瀝青和80目橡膠瀝青相比，分別降低了63%和61%，但是過濾瀝青的黏度仍大于基質(zhì)瀝青，這說明過濾瀝青粘度增大是由于膠粉摻入瀝青后在高溫攪拌作用下，吸收了瀝青中的輕質(zhì)組分發(fā)生溶脹作用，致使瀝青中的輕質(zhì)組分減小，大分子含量增加，瀝青粘度增加。

圖3 膠粉目數(shù)對橡膠瀝青和過濾瀝青黏度的影響

圖4為IE和PE對橡膠瀝青粘度的影響，可以看出，在試驗溫度范圍內(nèi)，不同目數(shù)膠粉的PE值均大于IE值，表明膠粉顆粒的填充效應(yīng)決定了橡膠瀝青的黏度。40目膠粉的IE和PE值均大于80目膠粉，說明40目膠粉與瀝青之間的交互反應(yīng)和膠粉顆粒的填充作用均優(yōu)于80目膠粉。但是隨著溫度的增加，兩者PE值的差值更大而IE值變化并不明顯，說明隨著溫度的增加，瀝青和膠粉之間并未發(fā)生過多的化學(xué)反應(yīng)，橡膠瀝青中的膠粉已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，瀝青中的輕質(zhì)組分不足以與膠粉發(fā)生溶脹作用，即IE值基本保持不變。而溫度升高導(dǎo)致膠粉顆粒的能量增加，膠粉顆粒在瀝青中的運動加劇，這增加了膠粉顆粒之間發(fā)生交聯(lián)的可能性，因此表現(xiàn)為PE值隨著溫度的增加而增加，這進(jìn)一步說明橡膠瀝青黏度的增加可以歸因于膠粉顆粒對于瀝青的填充作用。

圖4 基于粘度的IE和PE值

4.2 車轍因子（G＊/sinδ）

圖5為不同目數(shù)膠粉改性橡膠瀝青過濾前后的G*/sinδ，可以看出，基質(zhì)瀝青中摻加40目和80目膠粉后，58 ℃條件下的G*/sinδ比基質(zhì)瀝青分別增加了304%和201%，說明摻加膠粉可以顯著改善瀝青的抗車轍能力，40目膠粉改性橡膠瀝青比80目膠粉的抗永久變性能力更強。與此同時，58 ℃條件下，40目和80目過濾瀝青的G*/sinδ分別比40目和80目橡膠瀝青降低了61%和55%，比基質(zhì)瀝青增加了57.4%和35.2%，其他掃描溫度下也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，說明橡膠瀝青的G*/sinδ主要受膠粉的填充效應(yīng)影響。

圖5 膠粉目數(shù)對橡膠瀝青和過濾瀝青G＊/sinδ的影響

圖6為IE和PE對G*/sinδ的貢獻(xiàn)值，可以看出在不同掃描溫度下，PE值遠(yuǎn)大于IE，說明填充效應(yīng)對G*/sinδ的影響遠(yuǎn)大于交互效應(yīng)。此外，40目膠粉的PE值比80目膠粉的更大，這是因為40目膠粉更易于吸附瀝青中的輕質(zhì)油分，致使膠粉顆粒發(fā)生交聯(lián)，即其填充作用更強，并且PE值隨著溫度的增加而增加，說明高溫可以加劇膠粉的交聯(lián)效果，提高其在瀝青中的填充效應(yīng)。在不同掃描溫度下，40目膠粉的IE值均大于80目膠粉，說明40目膠粉更容易與瀝青中的輕質(zhì)組分發(fā)生反應(yīng)，但是隨著溫度的增加40目和80目膠粉的IE值變化并不明顯，這是因為膠粉與瀝青中的輕質(zhì)組分反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)所致。

圖6 基于G＊/sinδ的IE和PE值

4.3 儲存穩(wěn)定性

高溫條件下，膠粉顆粒易發(fā)生離析，導(dǎo)致橡膠瀝青存儲穩(wěn)定性較差，這嚴(yán)重影響橡膠瀝青的推廣使用。為此，對5種瀝青進(jìn)行離析試驗，通過軟化點差評估其儲存穩(wěn)定性，結(jié)果如圖7所示。由圖可知，基質(zhì)瀝青、40目過濾瀝青和80目濾瀝青的軟化點差均小于2.2 ℃，表明其具有較好的儲存穩(wěn)定性。但是40目和80目橡膠瀝青的軟化點差分別為11.1 ℃和8.8 ℃，說明兩者的儲存穩(wěn)定性較差，而這種差異主要是由于膠粉和瀝青的密度不同造成了兩種物質(zhì)在化學(xué)性質(zhì)上形成熱力學(xué)不形容體系。因此在實際施工過程中，應(yīng)采用現(xiàn)場制備的方法，每天按照橡膠瀝青實際需求量進(jìn)行制備。

圖7 不同瀝青靜置48h后上下層的軟化點差

5 結(jié)語

（1）瀝青與膠粉顆粒之間的交互效應(yīng)與膠粉顆粒的填充效應(yīng)受膠粉顆粒粒徑、溫度等因素的影響，40目膠粉的填充效應(yīng)大于80目膠粉，且填充效應(yīng)隨著溫度的增加而提升。

（2）橡膠瀝青流變參數(shù)的變化主要取決于膠粉的填充效應(yīng)，膠粉與瀝青之間的交互作用對其流變性能貢獻(xiàn)較小。

（3）40目橡膠瀝青的黏度、G*/sinδ均優(yōu)于80目橡膠瀝青，但儲存穩(wěn)定性比80目橡膠瀝青略差。

（4）過濾瀝青的各流變參數(shù)明顯比橡膠瀝青的差，但是其儲存穩(wěn)定性和基質(zhì)瀝青相當(dāng)，基本不會發(fā)生離析。