橡膠改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

何 亮 黃曉明 馬 育 莊大新 馬 濤

(1東南大學(xué)交通學(xué)院，南京210096)(2重慶交通大學(xué)理學(xué)院，重慶400074)

廢輪胎橡膠瀝青以其良好的耐溫變性能、抗疲勞和抗滑性能、降低路面噪音和筑路成本以及廢物循環(huán)利用的優(yōu)勢(shì)受到筑路界的高度關(guān)注;但是橡膠瀝青的高黏度、易離析和高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性差等特性仍然對(duì)施工造成很大的限制，制約著橡膠瀝青路用技術(shù)的發(fā)展［1-3］.為了解決以上難題，人們嘗試從改善瀝青與橡膠粉的相容性入手用膠粉脫硫等方法制備穩(wěn)定型橡膠瀝青.文獻(xiàn)［4-5］用微觀分析證明了脫硫橡膠粉對(duì)橡膠瀝青相容性和穩(wěn)定性的改善;文獻(xiàn)［6］用橡膠瀝青加脫硫劑的方法制得脫硫橡膠瀝青，發(fā)現(xiàn)其在膠粉摻量較高時(shí)儲(chǔ)存穩(wěn)定性會(huì)得到改善;文獻(xiàn)［7］直接用脫硫膠粉制得脫硫橡膠瀝青，發(fā)現(xiàn)膠粉目數(shù)超過(guò)40目時(shí)儲(chǔ)存穩(wěn)定性反而不好.但是對(duì)脫硫橡膠瀝青儲(chǔ)存性能變化規(guī)律的研究很少.

從研究方法來(lái)看，規(guī)范上只用了離析試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性［8］;文獻(xiàn)［9］指出，需要開(kāi)發(fā)新的儀器來(lái)測(cè)量改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性，以分析160～180℃高溫范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)和機(jī)械攪拌等因素的影響;文獻(xiàn)［10］提出一種溶解度方法評(píng)價(jià)橡膠瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性.

綜合借鑒以上研究，本文制作了脫硫橡膠瀝青與普通橡膠瀝青，分別研究了其靜態(tài)儲(chǔ)存與加機(jī)械攪拌2種情況，分析了在不同儲(chǔ)存時(shí)間和不同儲(chǔ)存溫度下兩者的性能變化，并用測(cè)力延度試驗(yàn)評(píng)價(jià)了2種橡膠瀝青熱儲(chǔ)存過(guò)程中低溫力學(xué)性能變化.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

基質(zhì)瀝青為70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青(中國(guó)石油化工總公司);脫硫橡膠粒約5目(福建省金泉建設(shè)集團(tuán)有限公司)，比普通橡膠粉松軟而富有彈性，如圖1(a)所示;普通橡膠粉為常溫研磨法生產(chǎn)的廢胎膠粉，40目(福建省金泉建設(shè)集團(tuán)有限公司)，如圖1(b)所示.

圖1 橡膠顆粒外形

1.2 橡膠瀝青制備與主要技術(shù)指標(biāo)

橡膠瀝青制備采用濕法工藝，將相同2份基質(zhì)瀝青加熱到180～185℃，分別加入20%的普通橡膠粉(外摻)和20%脫硫橡膠粒(外摻)，各自均采用高速剪切機(jī)進(jìn)行攪拌，速度為1 000 r/min，反應(yīng)時(shí)間為60 min.制得橡膠瀝青如圖2所示，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示.

普通橡膠瀝青(AR)表面較粗糙有明顯顆粒凸起，其性能指標(biāo)均滿足ASTM橡膠瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(D 6114—97);脫硫橡膠瀝青(DRA)表面較光滑，未發(fā)現(xiàn)原始橡膠顆粒存在，除黏度很低外其他指標(biāo)均滿足要求，表明脫硫橡膠瀝青有極好的施工和易性.

圖2 本文方法制備的橡膠瀝青

表1 橡膠瀝青測(cè)試結(jié)果

1.3 橡膠瀝青中橡膠顆粒的變化

由于膠粉粒徑對(duì)橡膠瀝青的性能產(chǎn)生影響［7，11］，而本文所用膠粉不同，粒徑也不同，為了排除橡膠粒徑的影響，考慮到脫硫膠較普通廢膠粉軟，較易于切碎，本文采用了高速剪切工藝制備橡膠瀝青.剪切后的橡膠顆粒通過(guò)相應(yīng)的橡膠瀝青經(jīng)溶劑洗脫后獲得.

圖3 橡膠瀝青中洗脫出來(lái)的橡膠顆粒

圖3是用本文方法制備的橡膠瀝青經(jīng)溶劑洗脫得到的橡膠顆粒照片圖.由圖3看出，盡管脫硫橡膠粉的原始顆粒粒徑較大，但經(jīng)高速剪切制備工藝后，脫硫橡膠瀝青中的膠粉粒徑卻明顯小于普通廢膠粉粒徑.這是因?yàn)槊摿蛳鹉z較軟，較容易剪碎;而普通廢橡膠較硬，經(jīng)剪切后粒度變化較小.因此，脫硫膠粉的較大粒徑不會(huì)在2種橡膠瀝青性能的比較中產(chǎn)生不利影響.

圖3也說(shuō)明，脫硫橡膠粒在瀝青里大多分散成無(wú)定形的細(xì)小物質(zhì)，而普通橡膠瀝青溶脹后仍然保持其原有的顆粒核心.

1.4 性能測(cè)試

1)靜態(tài)儲(chǔ)存的穩(wěn)定性試驗(yàn) 將制備的樣品放入長(zhǎng)14 cm，直徑2.5 cm的鋁管中，在163℃下直立放置不同的時(shí)間，或在不同的溫度下放置48 h，然后把試管分成上、中、下3段，測(cè)試管中上、下2段樣品軟化點(diǎn)與70℃車(chē)轍因子之差.

2)機(jī)械攪拌的穩(wěn)定性試驗(yàn) 將制備的樣品放入高11 cm，直徑9 cm的不銹鋼杯中(半杯)，在163℃下放置不同的時(shí)間，或在不同的溫度下放置48 h，然后將不銹鋼杯中樣品加熱到180℃用攪拌器攪拌5 min使其完全均勻，測(cè)試樣品的針入度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)和黏度的前后變化情況.

3)低溫力學(xué)性能穩(wěn)定性試驗(yàn) 采用測(cè)力延度試驗(yàn)方法測(cè)試不同儲(chǔ)存條件下2種橡膠瀝青低溫時(shí)在外力作用下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，評(píng)價(jià)熱儲(chǔ)存過(guò)程中其低溫抗開(kāi)裂性能的變化情況.樣品制作與性能穩(wěn)定性試驗(yàn)相同.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 橡膠瀝青靜態(tài)儲(chǔ)存穩(wěn)定性分析

2.1.1 儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)橡膠瀝青離析的影響

將普通橡膠瀝青和脫硫橡膠瀝青各自放入鋁管中，在163℃下分別放置6，12，24和48 h，上、下2段樣品的軟化點(diǎn)差及70℃車(chē)轍因子差如圖4所示.由圖4看出，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加普通橡膠瀝青與脫硫橡膠瀝青的軟化點(diǎn)差值及70℃車(chē)轍因子差值都逐漸增大，但脫硫橡膠瀝青的差值遠(yuǎn)大于普通橡膠瀝青，說(shuō)明在該溫度下，脫硫橡膠瀝青的離析情況要嚴(yán)重得多.這與文獻(xiàn)［7，11］的研究結(jié)果相同，橡膠瀝青中膠粉尺寸超過(guò)40目后顆粒越小，越不易穩(wěn)定.這是由于膠粉粒徑減小，表面積增大，與瀝青的接觸面積也相應(yīng)增大，膠粉粒子很容易吸收瀝青中輕組分而溶脹，在溫度升高時(shí)，溶脹的細(xì)微橡膠顆粒很容易流動(dòng)變形，產(chǎn)生離析.

圖4 儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)橡膠瀝青穩(wěn)定性影響

圖4中還發(fā)現(xiàn)，脫硫橡膠瀝青和普通橡膠瀝青在儲(chǔ)存12 h后軟化點(diǎn)差和車(chē)轍因子差都基本趨于穩(wěn)定，說(shuō)明此時(shí)離析已經(jīng)到了一個(gè)平衡狀態(tài).

2.1.2 儲(chǔ)存溫度對(duì)橡膠瀝青離析的影響

圖5 儲(chǔ)存溫度對(duì)橡膠瀝青穩(wěn)定性影響

將普通橡膠瀝青和脫硫橡膠瀝青各自放入鋁管中在 140，150，163，170，180 ℃下分別放置48 h，上、下兩段樣品的軟化點(diǎn)差與70℃車(chē)轍因子差如圖5所示.由圖5可見(jiàn)，脫硫橡膠瀝青的軟化點(diǎn)差和70℃車(chē)轍因子差在所有試驗(yàn)溫度下均比普通橡膠瀝青的大得多.但脫硫橡膠瀝青的軟化點(diǎn)差隨溫度的變化較小;普通橡膠瀝青的軟化點(diǎn)差和車(chē)轍因子差在140～150℃之間較小，超過(guò)150℃后隨溫度升高而增大，163℃時(shí)軟化點(diǎn)差已超過(guò)聚合物改性瀝青技術(shù)要求2.5℃.2種橡膠瀝青的車(chē)轍因子差在140～163℃之間隨溫度升高而增加，163℃以后則趨于穩(wěn)定.

以上試驗(yàn)結(jié)果分析表明，在靜態(tài)儲(chǔ)存的離析實(shí)驗(yàn)中脫硫橡膠瀝青的穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如普通橡膠瀝青.

2.2 考慮機(jī)械攪拌的橡膠瀝青穩(wěn)定性分析

2.2.1 儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)橡膠瀝青性能穩(wěn)定性的影響

將普通橡膠瀝青和脫硫橡膠瀝青各自放入不銹鋼杯中，在 163 ℃下分別放置 6，12，24，48 h，然后攪拌均勻，得到的針入度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)和黏度如表2所示.

表2 儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)橡膠瀝青穩(wěn)定性的影響

表2數(shù)據(jù)表明:2種橡膠瀝青在163℃，48 h以?xún)?nèi)儲(chǔ)存，除了黏度外其他指標(biāo)都能滿足技術(shù)要求.隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增長(zhǎng)，2種橡膠瀝青的25℃針入度都逐漸增加，但普通橡膠瀝青的增長(zhǎng)幅度更大;2種橡膠瀝青的軟化點(diǎn)都無(wú)明顯變化;2種橡膠瀝青的彈性恢復(fù)都是先減小后增大，并且儲(chǔ)存48 h時(shí)各自的增減量都相同，均為4%;2種橡膠瀝青的175℃黏度都隨儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小，這可能是由于橡膠瀝青在高溫下降解，分子量降低所造成.脫硫橡膠瀝青的黏度衰減幅度比普通橡膠瀝青要小很多，可能是因?yàn)槊摿蛳鹉z與瀝青之間產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合，部分抵消了橡膠瀝青分子量的降低.

2.2.2 儲(chǔ)存溫度對(duì)橡膠瀝青性能穩(wěn)定性的影響

將普通橡膠瀝青和脫硫橡膠瀝青各自放入不銹鋼杯中，在 140，150，163，170，180 ℃下分別放置48 h，然后攪拌均勻，得到的針入度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)和黏度如表3所示.

表3 儲(chǔ)存溫度對(duì)橡膠瀝青穩(wěn)定性的影響

由表3可知，2種橡膠瀝青在儲(chǔ)存過(guò)程中除黏度外都滿足技術(shù)要求.隨著儲(chǔ)存溫度的增加，2種橡膠瀝青的25℃針入度都逐漸增加，但脫硫橡膠瀝青的增長(zhǎng)幅度較小;溫度超過(guò)150℃以后2種橡膠瀝青的軟化點(diǎn)隨貯存溫度升高均略有降低;普通橡膠瀝青的彈性恢復(fù)變化不大，而脫硫橡膠瀝青彈性恢復(fù)逐漸增加;2種橡膠瀝青的黏度都逐漸減小，但普通橡膠瀝青的黏度減小幅度很大，而且在170℃變化開(kāi)始明顯.

以上試驗(yàn)結(jié)果分析表明在考慮機(jī)械攪拌的儲(chǔ)存條件下脫硫橡膠瀝青具有更好的性能穩(wěn)定性.

2.3 橡膠瀝青低溫力學(xué)性能分析

將橡膠瀝青性能穩(wěn)定性試驗(yàn)中的樣品在5℃進(jìn)行測(cè)力延度試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示.

由圖6可知，無(wú)論是變化儲(chǔ)存溫度還是變化儲(chǔ)存時(shí)間，普通橡膠瀝青在拉力達(dá)到最大后的下降過(guò)程中都有很長(zhǎng)一段的穩(wěn)定過(guò)程，而脫硫橡膠瀝青都沒(méi)有.這可能是因?yàn)槠胀ㄏ鹉z瀝青中存在的橡膠顆粒核心獨(dú)立發(fā)揮了加筋作用.在經(jīng)歷了低溫瀝青初期的彈性變形階段后發(fā)揮了自身良好的韌性抗變形作用，脫硫橡膠瀝青由于沒(méi)有明顯的橡膠顆粒核心只能整體發(fā)揮抗變形能力.下面重點(diǎn)分析測(cè)力延度實(shí)驗(yàn)的3個(gè)重要指標(biāo):曲線達(dá)到頂點(diǎn)的最大拉力(表征瀝青的拉伸屈服力)、曲線斷裂時(shí)的最大拉伸延度(表征瀝青的拉伸延展度)和曲線包圍的面積W(表征瀝青的總拉伸功或黏韌性)［12］.

對(duì)比圖6(a)和(b)可知，隨著儲(chǔ)存溫度的增加，2種橡膠瀝青的最大拉力均不斷減小，普通橡膠瀝青的最大拉伸延度不斷增大，脫硫橡膠瀝青最大拉伸延度總體增大，180℃稍有回落.在圖6(c)和(d)中，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加，2種橡膠瀝青的最大拉伸延度都是先增大后減小，普通橡膠瀝青的最大拉力不斷減小，脫硫橡膠瀝青的最大拉力是先增大后減小但幅度變化不大.這說(shuō)明儲(chǔ)存溫度對(duì)2種橡膠瀝青的低溫拉伸屈服力和拉伸延展度的影響趨勢(shì)基本相同，而儲(chǔ)存時(shí)間的影響趨勢(shì)則不盡相同.

圖6 橡膠瀝青測(cè)力延度圖譜

將圖6中的曲線用Origin軟件積分，得到曲線包圍的面積W，即總拉伸功如圖7所示.從圖7(a)可以看出，相同溫度下隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加，普通橡膠瀝青的總拉伸功先增大后減小，脫硫橡膠瀝青總拉伸功逐漸增大且變化幅度遠(yuǎn)小于普通橡膠瀝青;圖7(b)中隨著儲(chǔ)存溫度的增加2種橡膠瀝青總拉伸功都不斷減小，但普通橡膠瀝青的變化值比脫硫橡膠瀝青大.這也進(jìn)一步說(shuō)明了脫硫橡膠瀝青的性能穩(wěn)定性較好.

圖7 橡膠瀝青測(cè)力延度總拉伸功

3 結(jié)論

1)制備出了符合技術(shù)指標(biāo)的普通橡膠瀝青和低黏度其他滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的脫硫橡膠瀝青，該脫硫?yàn)r青有極好的施工和易性.

2)經(jīng)過(guò)高速剪切工藝，大顆粒的脫硫橡膠已被剪碎成無(wú)定形細(xì)小物質(zhì)，其膠粉顆粒大小在2種橡膠瀝青的性能比較中不產(chǎn)生影響;而普通橡膠粉的粒度剪切前后變化較小，仍然保持其原有的顆粒核心.

3)經(jīng)高溫靜態(tài)儲(chǔ)存后，脫硫橡膠瀝青更易離析，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如普通橡膠瀝青，如需儲(chǔ)存，則使用前需攪拌均勻.

4)熱儲(chǔ)存橡膠瀝青經(jīng)機(jī)械攪拌混勻后，脫硫橡膠瀝青的性能穩(wěn)定性?xún)?yōu)于普通橡膠瀝青.

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