膠粉對基質瀝青路用性能的影響研究

梁毓珂

（山西省公路局 長治分局，山西長治 046600）

0 引言

膠粉改性瀝青相對基質瀝青而言，具有明顯的高溫性能優(yōu)勢，它充分利用了廢舊輪胎，環(huán)保效益明顯。但是在使用過程中，膠粉改性瀝青也具有明顯的缺陷，主要表現為膠粉對基質瀝青的低溫性能提升明顯低于高溫性能。膠粉改性瀝青施工時，施工難度較大，同時，膠粉中含有大量的硫化物，施工過程中對周邊環(huán)境及施工人員健康影響較大。另外，普通橡膠粉在與基質瀝青混合時，不容易發(fā)生溶脹，進而導致膠粉和瀝青混溶難度比較大，再加上橡膠粉和基質瀝青之間的反應較小，無法形成穩(wěn)定的三維網絡結構，最終導致膠粉改性瀝青的存儲穩(wěn)定性差[1]。脫硫膠粉采用一定的手段將硫化膠聯鍵斷裂，最終使膠粉的性能趨于穩(wěn)定[2]。大量學者研究了采用干法制備膠粉改性瀝青混合料，夏娟等[3]研究了基質瀝青與橡膠粉在高溫狀態(tài)下的作用機理，采用布氏黏度儀對膠粉改性瀝青的各項指標進行了研究，發(fā)現脫硫膠粉改性瀝青的黏度低于普通膠粉改性瀝青；呂泉等[4]研究了脫硫膠粉與基質瀝青的相容性能，得出脫硫膠粉可以完全溶解于基質瀝青，并且與基質瀝青的相容性強。徐全鵬等[5]得出脫硫膠粉∕SBS 復合改性瀝青的感溫性降低，脫硫膠粉摻量18%、SBS 摻量3%的復合改性瀝青的性能最優(yōu)。目前，大部分學者都對脫硫膠粉改性瀝青開展了各方面的研究，但尚未系統地從兩種膠粉改性瀝青的紅外光譜、黏度變化、存儲穩(wěn)定性、抗老化性、耐高溫性等方面進行研究，評價脫硫膠粉的路用性能。

1 原材料

1.1 基質瀝青

選用埃索90 號A 級基質瀝青為研究對象，其指標均滿足規(guī)范[6]要求?；|瀝青性能見表1。

表1 90號A級基質瀝青性能

1.2 膠粉

試驗用膠粉為普通30 目膠粉和脫硫30 目膠粉兩種。普通膠粉采用貨車輪胎全胎磨碎而成。脫硫膠粉采用雙連桿剪切脫硫法制作而成。

1.3 礦粉

礦粉采用石灰?guī)r磨細制作而成，技術要求符合規(guī)范要求，0.075 mm 通過率為81%，礦粉檢測結果見表2。

表2 礦粉檢測結果

2 試樣制備

2.1 普通膠粉改性瀝青的制備

將基質瀝青加熱到180 ℃，隨后加入普通膠粉，普通膠粉摻量為內摻22%，通過普通攪拌機攪拌30 min 溶脹，再用4 000 r∕min 高速剪切機剪切60 min，最后再用普通攪拌機攪拌30 min發(fā)育，即可制成膠粉改性瀝青。

將基質瀝青加熱到170 ℃，加入基質瀝青內摻質量22%的脫硫膠粉，用普通攪拌機攪拌30 min 溶脹，再用高速剪切機剪切60 min，最后用普通攪拌機攪拌30 min發(fā)育即可制作成脫硫膠粉改性瀝青。

2.2 膠粉瀝青膠漿的制備

基質瀝青加熱到150 ℃，普通膠粉瀝青加熱到180 ℃，脫硫膠粉瀝青加熱到170 ℃，按照2.5 的粉膠比，將礦粉緩慢加入并均勻攪拌，直至膠漿均勻、無色差為止。

3 試驗及分析

3.1 紅外光譜分析

采用傅立葉紅外變換光譜儀對90 號基質瀝青、脫硫膠粉改性瀝青、普通膠粉改性瀝青進行掃描試驗，對比3 種瀝青紅外光譜圖譜，對比結果見圖1。

圖1 基質瀝青與普通膠粉改性瀝青、脫硫膠粉改性瀝青透過率圖

兩種改性瀝青相較基質瀝青來講，在2 363 cm-1處均存在波峰消失，而2 363 cm-1處基質瀝青主要表現為C≡C 的伸縮振動，兩種改性瀝青在此處均無振動，表明兩種改性瀝青均發(fā)生化學反應，形成了新的化學鍵，另外，兩種改性瀝青與基質瀝青的基本走勢相同，加入的兩種膠粉對基質瀝青尚未發(fā)生較為劇烈的化學反應。

3.2 黏度分析

現有規(guī)范中改性瀝青的拌和溫度和壓實溫度不是以黏溫曲線確定，而是采用普通瀝青的施工溫度增加約20 ℃得來，這就使不同改性瀝青的溫度確定具有了很大的不確定性，依據單雙成等[7]的研究成果，改性瀝青及其膠漿的黏度變化規(guī)律與基質瀝青不同，采用瀝青膠漿的黏度∕溫度變化規(guī)律確定拌和溫度和壓實溫度更接近實際。所以，采用規(guī)范中基質瀝青拌和黏度（0.17±0.02）Pa·s 和壓實黏度（0.28±0.03）Pa·s 作為切入點，導出基質瀝青的拌和壓實溫度，在瀝青膠漿圖中查找基質瀝青的拌和黏度、壓實黏度，再以此拌和黏度、壓實黏度分別查出對應的各改性瀝青的拌和溫度、壓實溫度。

由圖2 可知，基質瀝青拌和黏度（0.17±0.02）Pa·s和壓實黏度（0.28±0.03）Pa·s 時，對應的拌和溫度為153～160 ℃，壓實溫度為140～145.8 ℃。將以上溫度帶入圖2b 中，得出基質瀝青膠漿的拌和黏度為0.9～1.29 Pa·s，壓實黏度1.87～2.5 Pa·s。黏度對施工拌和過程難易程度起主要作用，所以，為獲得與基質瀝青相同的和易性能，各改性瀝青的黏度也選基質瀝青膠漿的黏度，通過普通膠粉膠漿、脫硫膠粉膠漿計算得普通膠粉瀝青的拌和溫度為195～205 ℃，壓實溫度為180～187 ℃；脫硫膠粉瀝青的拌和溫度為166～175 ℃，壓實溫度為151～158 ℃。脫硫膠粉改性瀝青的拌和、壓實溫度低于普通膠粉改性瀝青，主要原因為，當膠粉脫硫后，膠粉中的交聯網絡受到破壞，膠粉顆粒表面變得更為粗糙，基質瀝青更容易滲入膠粉顆粒中，大顆粒的膠粉得到更為充分的溶解，脫硫膠粉瀝青的均勻性得到進一步的保障。

圖2 基質/改性瀝青膠漿黏度圖

3.3 存儲穩(wěn)定性分析

采用JTG T 0661—2011 開展普通膠粉改性瀝青和脫硫膠粉改性瀝青的離析試驗，試驗結果見表3。

表3 膠粉改性瀝青離析軟化點差試驗結果 單位：℃

由表3 可知，在靜止狀態(tài)下，48 h 后脫硫膠粉和普通膠粉瀝青均存在離析的問題，表現為48 h 后離析軟化點差均超出規(guī)范要求。均勻狀態(tài)下，膠粉瀝青、脫硫膠粉瀝青的軟化點分別為64 ℃、65 ℃，163 ℃靜置48 h后，普通膠粉改性瀝青表現為膠粉上浮，上層瀝青的軟化點變大；脫硫膠粉改性瀝青表現為膠粉下沉，下層瀝青的軟化點變大。表明兩種膠粉改性瀝青在靜置狀態(tài)下存儲均無法使用。

進一步研究了在163 ℃靜置48 h 后，再將脫硫膠粉改性瀝青和普通膠粉改性瀝青加熱到180 ℃，分別通過攪拌機攪拌0 min、3 min、6 min、9 min 后測定各時間結點的離析軟化點差，測試結果見表4。

表4 不同攪拌時間后瀝青離析軟化點差試驗結果 單位：℃

由表4 可知，在攪拌的條件下，普通膠粉改性瀝青的離析軟化點差趨于合格的難度遠大于脫硫膠粉改性瀝青，且攪拌9 min 后，普通膠粉改性瀝青的離析軟化點差尚不能滿足規(guī)范要求，而脫硫膠粉改性瀝青約攪拌4 min 后，即可滿足離析軟化點差絕對值≤2 ℃的要求，也進一步說明了脫硫膠粉改性瀝青在抗離析方面具有更強的優(yōu)勢。

3.4 高溫性能分析

采用AASHTO TP5 試驗方法，分別對原樣普通膠粉改性瀝青、脫硫膠粉改性瀝青、短期老化后的普通膠粉改性瀝青及脫硫膠粉改性瀝青開展DSR 試驗，以52～88 ℃的溫度為區(qū)間，測試4 個瀝青樣品的相位角δ和復數剪切模量G*，試驗結果見圖3、圖4。

圖3 膠粉瀝青的相位角

圖4 膠粉瀝青的車轍因子

從圖3 可知，4 個膠粉瀝青樣品隨溫度的升高，動態(tài)剪切流變試驗中相位角逐漸變大，黏性性能逐漸變大，而RTFOT 普通膠粉改性瀝青的相位角增速最小，RTFOT 脫硫膠粉改性瀝青相位角增速最大，主要原因為普通膠粉在脫硫活化劑的作用下，其中部分S-O 鍵、S-C 鍵得到破壞，使普通膠粉的致密結構變得疏松，在加熱后的瀝青中抵抗變形能力變差，同時在老化過程中膠粉中橡膠油進一步析出，導致隨溫度的提升，RTFOT 脫硫膠粉改性瀝青抵抗彈性變形能力不及RTFOT 普通膠粉改性瀝青。

從圖4 可知，綜合考慮復數剪切模量G*和相位角δ時，RTFOT 脫硫膠粉改性瀝青的車轍因子最大，雖然相位角隨溫度的升高黏性成分進一步增加，但抗車轍性能相對其他樣品最強，因為經脫硫活化劑將膠粉中大部分硫分析出后，膠粉瀝青在拌和過程中均勻性更加容易保證，并在短期老化過程中析出大量芳烴油，使膠粉在基質瀝青中溶脹效果更加明顯，性能表現更為優(yōu)越。

3.5 老化性能分析

依據旋轉膜烘箱試驗方法及壓力老化試驗方法，對普通膠粉改性瀝青及脫硫膠粉改性瀝青進行短期及長期老化試驗，研究兩種改性瀝青的差異。試驗結果見圖5。

圖5 兩種瀝青老化后各性能指標變化

隨老化程度的延長，普通膠粉改性瀝青及脫硫膠粉改性瀝青均出現針入度降低、軟化點升高、彈性恢復性能降低、旋轉黏度增加、低溫勁度模量增加、蠕變速率降低的現象。老化前后，普通膠粉改性瀝青的軟化點、旋轉黏度均遠高于脫硫膠粉改性瀝青，脫硫膠粉改性瀝青的蠕變速率遠高于普通膠粉改性瀝青，普通膠粉改性瀝青的抗老化性能強于脫硫膠粉改性瀝青。主要原因為，當膠粉脫硫時，膠粉中的抗氧化劑等成份被分解、脫去，造成脫硫膠粉改性瀝青的整體抗老化性能降低，低溫蠕變速率變化較大，低溫敏感性變強。

4 結論

a）制作脫硫膠粉改性瀝青、普通膠粉改性瀝青時，膠粉與瀝青均發(fā)生輕微的化學反應，紅外圖譜中只產生極小的官能團改變，表明膠粉瀝青生產過程物理共混占主導。

b）普通膠粉瀝青的拌和溫度為195～205 ℃，壓實溫度為180～187 ℃；脫硫膠粉改性瀝青的拌和溫度為166～175 ℃，壓實溫度為151～158 ℃。脫硫膠粉改性瀝青的拌和溫度、壓實溫度明顯低于普通膠粉改性瀝青。

c）在靜止狀態(tài)下脫硫膠粉改性瀝青、普通膠粉改性瀝青48 h 后離析軟化點差均超出規(guī)范不大于2%的技術要求，但通過攪拌，脫硫膠粉的性能恢復速度遠快于普通膠粉改性瀝青。

d）RTFOT 脫硫膠粉改性瀝青的車轍因子最大，表明老化后的脫硫膠粉改性瀝青抗車轍性能相對其他樣品最優(yōu)。從老化方面講，普通膠粉改性瀝青的軟化點、旋轉黏度均遠高于脫硫膠粉改性瀝青，脫硫膠粉改性瀝青的蠕變速率遠高于普通膠粉改性瀝青，普通膠粉改性瀝青的抗老化性能強于脫硫膠粉改性瀝青。