橡膠粉改性瀝青性能研究

花文娟，李 影

（撫州贛東公路設(shè)計(jì)院，江西 撫州 344000）

1 研究背景

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展及汽車保有量逐年增加，產(chǎn)生了一個(gè)新的問題即廢棄輪胎的大量堆積。大規(guī)模的廢舊輪胎將會(huì)帶來巨大的環(huán)境問題：堆積廢輪胎必然占用大量的土地資源，用燃燒等一般的垃圾處理方法又會(huì)產(chǎn)生巨大的環(huán)境污染。將廢舊輪胎加工成橡膠粉是國(guó)際上通用的廢舊輪胎再生處理方式，其中廢舊膠粉在公路行業(yè)中的使用是廢舊輪胎處理的主要途徑之一。國(guó)際上廢胎膠粉的加工技術(shù)、生產(chǎn)工藝都已經(jīng)非常成熟。而在我國(guó)，廢胎膠粉橡膠瀝青應(yīng)用的具體方案、技術(shù)開發(fā)等還都處于原創(chuàng)性研究和探索之中。

2 研究?jī)?nèi)容

本文將研究橡膠粉與瀝青的反應(yīng)，通過試驗(yàn)評(píng)價(jià)濕法橡膠改性瀝青的性能，并進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的混合料的試驗(yàn)，探討廢輪胎橡膠粉應(yīng)用于瀝青改性及瀝青混合料的可行性，為橡膠粉改性瀝青用于路面瀝青混合料的設(shè)計(jì)提供參考。

本文主要研究?jī)?nèi)容如下。

（1）橡膠粉與瀝青的反應(yīng)以及橡膠粉改性瀝青的配制工藝

研究橡膠粉與瀝青的反應(yīng)機(jī)理、橡膠粉改性性能的主要影響因素和橡膠粉改性瀝青配制工藝和設(shè)備。

（2）橡膠粉對(duì)瀝青性能的影響

通過對(duì)不同膠粉含量的改性瀝青的性能試驗(yàn)和對(duì)比，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性能分析，研究橡膠粉對(duì)瀝青物理力學(xué)性能的影響，并分析其原因和機(jī)理，為橡膠粉改性瀝青混合料的應(yīng)用提供依據(jù)。

根據(jù)實(shí)際工程的研究和測(cè)試，對(duì)橡膠粉改性后的瀝青及其混合料的性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為今后的橡膠粉改性瀝青混合料用于路面的瀝青混合料設(shè)計(jì)提供參考。

3 橡膠粉改性瀝青性能的影響因素

橡膠粉改性瀝青的效果除了取決于橡膠粉自身的化學(xué)特性外，與橡膠粉的物理特性和拌和工藝也有重要關(guān)系。橡膠粉顆粒的細(xì)度和表面紋理會(huì)直接影響橡膠粉和瀝青混溶反應(yīng)的速度和程度，而拌和工藝也是不可忽視的因素之一，會(huì)從另一方面影響這種反應(yīng)的程度。橡膠粉的細(xì)度可以通過控制篩孔獲得，其表面紋理特性取決于其加工工藝。而拌和工藝所涉及的拌和方式、溫度與時(shí)間可以通過人為來控制。

3.1 橡膠粉顆粒的細(xì)度

用于瀝青改性的橡膠粉，其細(xì)度有一定要求，較細(xì)的顆?？稍龃笈c瀝青的接觸面積，提高改性效果。

表1是我國(guó)目數(shù)等級(jí)及與之對(duì)應(yīng)的篩孔尺寸的有關(guān)規(guī)定。

表1 我國(guó)目數(shù)等級(jí)及與之對(duì)應(yīng)的篩孔尺寸的有關(guān)規(guī)定

很多研究都表明粒徑大的橡膠粉能夠改善瀝青的軟化點(diǎn)及彈性恢復(fù)，粒徑小的橡膠能明顯提高瀝青的延度。同時(shí)研究也指出對(duì)瀝青改性并非橡膠粉越細(xì)越好，因?yàn)檫^細(xì)的橡膠粉在瀝青中將難以形成骨架結(jié)構(gòu)，會(huì)使瀝青的彈性恢復(fù)減弱，并降低軟化點(diǎn)。此外，橡膠粉細(xì)度的提高也會(huì)大大增加生產(chǎn)成本，所以本次試驗(yàn)建議采用40目的細(xì)碎橡膠粉顆粒，進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比后認(rèn)為其滿足使用要求。

3.2 橡膠粉的表面紋理

輪胎橡膠粉的表面紋理主要取決于生產(chǎn)加工的工藝，如常溫粉碎法生產(chǎn)的橡膠粉顆粒形狀不規(guī)則，表面凹凸，呈毛刺狀；低溫冷凍法生產(chǎn)的橡膠粉顆粒形狀規(guī)則，表明平滑，呈銳角狀；化學(xué)試劑法生產(chǎn)的橡膠粉表面毛刺多成羽狀，表面積比前兩者的大。

3.3 橡膠粉的拌和工藝

橡膠粉在瀝青中發(fā)生溶脹而混合改性的過程中，拌和的條件也是不能忽視的因素之一，其中主要包括拌和方式、拌和溫度和拌和時(shí)間這三個(gè)因素。

3.3.1 拌和方式

常用的拌和方式有兩種：簡(jiǎn)單攪拌和高速剪切。經(jīng)研究，建議使用簡(jiǎn)單攪拌設(shè)備，在橡膠粉摻量較高時(shí)，可適當(dāng)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，減少橡膠粉的分批加入量，并觀察瀝青液面變化，及時(shí)調(diào)整反應(yīng)溫度。

3.3.2 拌和溫度

經(jīng)研究，建議適宜的制備溫度為170～180℃，比通常瀝青的加熱溫度高約10～20℃。

3.3.3 拌和時(shí)間

經(jīng)研究，建議拌和時(shí)間至少要在45min以上，以達(dá)到均勻分散和混溶橡膠粉顆粒的目的，并可采用直觀目測(cè)的方法適當(dāng)延長(zhǎng)拌和時(shí)間。

4 橡膠粉改性瀝青性能

橡膠粉改性瀝青的改性原理與一般的高聚物改性瀝青有很大不同，這些不同不僅表現(xiàn)在改性后的瀝青上，而且會(huì)進(jìn)一步表現(xiàn)為瀝青混合料性能方面的差異。而常規(guī)的瀝青評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)是否適用于評(píng)價(jià)橡膠粉改性瀝青也有待商榷，所以有必要對(duì)橡膠粉改性瀝青的性能進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)，并進(jìn)一步建立起橡膠粉與瀝青混合料性能的相關(guān)關(guān)系。

瀝青混合料的路用性能主要包括高溫性能、低溫性能和老化性能。本研究旨在通過不同的細(xì)度、不同摻量的橡膠粉改性瀝青的性能試驗(yàn)，評(píng)價(jià)橡膠粉改性瀝青用于瀝青混合料后后者的綜合性能，并考慮相關(guān)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，從而為建立更詳細(xì)、更全面的橡膠粉改性瀝青評(píng)價(jià)方法提供依據(jù)。

研究中通過對(duì)加工溫度為180℃下簡(jiǎn)單機(jī)械攪拌60min的40目橡膠粉進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，來評(píng)價(jià)其改性性能。參考橡膠粉生產(chǎn)廠商提供的資料，橡膠粉產(chǎn)品規(guī)格如表2所示。

表2 橡膠粉參數(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)中主要采用兩種基質(zhì)瀝青，ESSO 70#和SHELL 70#瀝青。在兩種基質(zhì)瀝青中采用了多種不同摻量和細(xì)度的橡膠粉對(duì)瀝青性能進(jìn)行對(duì)比研究。

4.1 高溫性能

4.1.1 針入度

表3和表4分別是ESSO和SHELL的針入度試驗(yàn)結(jié)果。

表3 ESSO針入度試驗(yàn)

表4 SHELL針入度試驗(yàn)

從表3、表4中數(shù)據(jù)來看，橡膠粉對(duì)于瀝青的改性比較明顯，主要表現(xiàn)為針入度有所降低，黏度提高。

4.1.2 軟化點(diǎn)

表5和表6分別是ESSO和SHELL的軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果。

表5 ESSO軟化點(diǎn)試驗(yàn)

表6 SHELL軟化點(diǎn)試驗(yàn)

軟化點(diǎn)試驗(yàn)表明，隨著橡膠粉摻量的增加，軟化點(diǎn)逐步升高，且在添加橡膠粉初期的軟化點(diǎn)增量很大。同時(shí)，從不含橡膠粉到10%的橡膠粉含量，軟化點(diǎn)和初始軟化點(diǎn)提高約8℃左右。之后從橡膠粉含量10%逐步添加到26%，軟化點(diǎn)升高約10℃，初始軟化點(diǎn)則上升5℃左右，這些說明橡膠粉摻量對(duì)軟化點(diǎn)的影響十分明顯。

4.1.3 黏度

由于瀝青的流變特性會(huì)直接影響瀝青路面的路用性能，所以研究瀝青的流變特性對(duì)于確定改性瀝青拌和、攤鋪和碾壓的適宜溫度十分有必要。

本次研究測(cè)定了不同摻量下135℃的布氏黏度，其結(jié)果列于表7和表8中。

表7 ESSO135℃布氏黏度

表8 SHELL135℃布氏黏度

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，橡膠粉的摻加能夠大大提高瀝青的黏度，而且隨著其摻量的增加，橡膠瀝青的黏度表現(xiàn)出良好的規(guī)律性。但黏度的增大可能是由于在布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)過程中，橡膠粉顆粒與鉆子產(chǎn)生較大的摩擦阻力所致。所以橡膠粉顆粒粒徑和黏度試驗(yàn)用的鉆子尺寸也是需要考慮的因素。

4.2 低溫性能

本次研究主要采用5℃和15℃兩種溫度條件下的延度值作為評(píng)價(jià)橡膠粉改性瀝青低溫性能的一個(gè)指標(biāo)。表9和表10分別是ESSO和SHELL在5℃和15℃的延度試驗(yàn)結(jié)果。

表9 ESSO延度試驗(yàn)

表10 SHELL延度試驗(yàn)

從整體來看，隨著橡膠粉摻量的提高，橡膠粉改性瀝青的低溫延度降低。

4.3 老化性能

表11和表12分別是ESSO和SHELL薄膜老化試驗(yàn)后質(zhì)量損失的結(jié)果。

表11 ESSO質(zhì)量損失

表12 SHELL質(zhì)量損失

由表11和表12可知，相對(duì)于原基質(zhì)瀝青，橡膠粉改性瀝青的質(zhì)量損失要小一點(diǎn)，這應(yīng)該是由于橡膠粉顆粒不含輕質(zhì)易揮發(fā)組分，減少了質(zhì)量損失量。

表13和表14分別是ESSO和SHELL薄膜老化試驗(yàn)后針入度試驗(yàn)的結(jié)果。

表13 ESSO殘留針入度比

表14 SHELL殘留針入度比

從整體來看，橡膠粉改性瀝青的殘留針入度相對(duì)原基質(zhì)瀝青提高了25%左右，說明其耐老化性能有了一定的提高。另一方面，仍然有部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)離散，考慮可能是由于橡膠粉改性瀝青的不均勻性造成，另外試樣備制的不確定性也需要有所考慮。

同樣進(jìn)行了殘留延度的試驗(yàn)，表15和表16分別是ESSO和SHELL薄膜老化試驗(yàn)后15℃延度試驗(yàn)的結(jié)果。

表15 ESSO15℃殘留延度比

表16 SHELL15℃殘留延度比

試驗(yàn)結(jié)果表明，延度指標(biāo)不適合用來評(píng)價(jià)橡膠粉改性瀝青的柔韌性或者低溫抗裂性能。

5 結(jié)論

依據(jù)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中常用的瀝青指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，通過進(jìn)行瀝青針入度、軟化點(diǎn)、黏度、薄膜老化等對(duì)比試驗(yàn)，分析得出以下結(jié)論：

（1）橡膠粉能夠提高瀝青的高溫性能，主要表現(xiàn)在瀝青的針入度降低、軟化點(diǎn)升高、黏度提高；

（2）橡膠粉能夠提高瀝青的抗老化性能，主要表現(xiàn)為殘留針入度比的提高和質(zhì)量損失的減??；

（3）由于橡膠粉改性瀝青含有未完全溶脹的橡膠粉顆粒，針入度指標(biāo)和延度指標(biāo)并不能很好地與橡膠粉改性瀝青的性能建立聯(lián)系，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)離散性較大；

（4）盡管橡膠粉改性瀝青的黏度試驗(yàn)表現(xiàn)出良好的規(guī)律性，但考慮到含有未完全溶脹的橡膠粉顆粒，傳統(tǒng)的布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)的結(jié)果可能存在一定的假象，需要通過其他試驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)；

（5）橡膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)、黏度隨橡膠粉摻量的增加顯著提高，其他指標(biāo)隨摻量變化的影響較小。根據(jù)不同橡膠粉摻量的試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)的建議，橡膠粉摻量選擇在18%～20%為宜。

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