橡膠瀝青制作工藝的研究

袁 航，李洪峰，陳振超

(1.黑龍江省呼蘭養(yǎng)路總段，哈爾濱 150500；2.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

基質(zhì)瀝青加入橡膠粉能夠改善瀝青的高溫穩(wěn)定性及低溫變形能力[1]，橡膠瀝青在道路工程中具有較好的應(yīng)用前景。影響膠粉與瀝青反應(yīng)的因素有很多，包括膠粉的質(zhì)量及加工工藝、瀝青品質(zhì)、膠粉摻量、拌合方法、拌合時(shí)間和拌合溫度等[2]。膠粉中的炭黑含量、天然橡膠含量及灰分等都會(huì)影響膠粉與瀝青的反應(yīng)效果，為了獲得良好的路用性能，國(guó)內(nèi)建議選用天然橡膠含量高的斜交胎膠粉[3-4]。膠粉的生產(chǎn)一般采用常溫粉碎和冷凍法粉碎兩種方法[5]，常溫粉碎的膠粉表面粗糙，突起多，比表面積大，活性高，而低溫粉碎的膠粉與之相反，因此建議采用常溫粉碎的膠粉。橡膠瀝青的拌合方式包括高速剪切和簡(jiǎn)單攪拌[6]，高速剪切能夠使膠粉均勻快速地分散到瀝青中，但實(shí)驗(yàn)證明改性效果不明顯，而且費(fèi)用高，國(guó)外為提高橡膠瀝青的生產(chǎn)效率，常采用高速剪切加簡(jiǎn)單攪拌的拌合方法。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

90#道路基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 90#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

膠粉：膠粉顆粒過(guò)粗對(duì)瀝青混合料的級(jí)配產(chǎn)生干涉影響，不易壓實(shí)，過(guò)細(xì)價(jià)格偏高，故采用常溫粉碎法生產(chǎn)的斜交胎粉，型號(hào)有30目、40目、60目和80目，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 膠粉技術(shù)指標(biāo)

1.2 橡膠瀝青的制備：

研究表明濕拌法橡膠瀝青改性效果顯著[7]，故采用濕拌法拌合，將90#基質(zhì)瀝青加熱到160℃，然后將預(yù)先稱(chēng)量好的膠粉緩緩加入，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單攪拌后，采用瀝青攪拌臺(tái)在規(guī)定的溫度下機(jī)械剪切60 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)橡膠瀝青性能的影響

選用40目的膠粉，摻量為20%(內(nèi)摻)，分別在170、180、190、200和210℃的拌合溫度下機(jī)械攪拌60 min，實(shí)驗(yàn)方案以針入度、延度、軟化點(diǎn)、黏度、彈性恢復(fù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)[8]，按照J(rèn)TG E20-2011試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)[9]，測(cè)得結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 40目橡膠瀝青不同拌合溫度下的技術(shù)指標(biāo)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基質(zhì)瀝青摻入膠粉后，各技術(shù)指標(biāo)與基質(zhì)瀝青相比均有大幅度的改善。隨著溫度的升高，針入度先減小后增大，延度和黏度與之相反，彈性恢復(fù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，各指標(biāo)多數(shù)在190℃左右時(shí)存在峰值。這是因?yàn)殡S著溫度升高，瀝青黏度減小，膠粉更容易在瀝青中均勻分散，膠粉與瀝青溶脹反應(yīng)更充分，使得瀝青中的輕質(zhì)組分被膠粉充分吸收，瀝青質(zhì)含量相對(duì)增多，瀝青變得粘稠，彈性增大，因而針入度、低溫延度、軟化點(diǎn)及黏度增大。然而溫度繼續(xù)升高，瀝青中的有機(jī)組分發(fā)生氧化，膠粉內(nèi)部發(fā)生脫硫反應(yīng)，膠粉部分溶解在基質(zhì)瀝青中，使得橡膠瀝青彈性損失，黏度降低，造成針入度反而增大、延度減小、彈性恢復(fù)率減小的結(jié)果。由此可知，橡膠瀝青的拌合溫度并不是越高越好，而是存在某個(gè)峰值，使得橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到更優(yōu)，本實(shí)驗(yàn)所采用的最佳拌合溫度為190℃，該條件下的橡膠瀝青稠度高，彈性好。

2.2 摻量及粒徑對(duì)橡膠瀝青性能的影響

在確定最佳拌合溫度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在室內(nèi)進(jìn)行橡膠瀝青制備工藝的研究，將不同粒徑不同摻量的膠粉加入基質(zhì)瀝青中，測(cè)得針入度、延度、軟化點(diǎn)、黏度和彈性恢復(fù)率。

2.2.1 針入度隨膠粉摻量及粒徑的變化規(guī)律

圖1 針入度隨膠粉摻量及粒徑的變化規(guī)律

如圖1所示，基質(zhì)瀝青摻入膠粉后，針入度均有了很大程度的提高，說(shuō)明廢胎膠粉能夠明顯改善瀝青的稠度，使得基質(zhì)瀝青降低一個(gè)標(biāo)號(hào)，針入度曲線的走向基本上呈先增大后減小的趨勢(shì)，膠粉粒徑不同，對(duì)稠度的改善效果也不同，根據(jù)數(shù)據(jù)可知30目針入度最小，效果最顯著，其次是80目、40目和60目。

2.2.2 軟化點(diǎn)隨膠粉摻量及粒徑的變化規(guī)律

由圖2可以看出軟化點(diǎn)隨膠粉摻量的增加而增大，隨粒徑的減小而增大。同時(shí)隨著摻量的增大不同粒徑膠粉的橡膠瀝青軟化點(diǎn)差值變小，軟化點(diǎn)曲線也趨于平緩，說(shuō)明摻量達(dá)到一定水平后，膠粉已將基質(zhì)瀝青中輕質(zhì)組分吸收完全，多余的自由膠粉可能會(huì)影響瀝青的其他指標(biāo)。

圖2 軟化點(diǎn)隨膠粉摻量及粒徑的變化規(guī)律

2.2.3 延度隨膠粉摻量及粒徑的變化規(guī)律

為檢驗(yàn)瀝青的低溫指標(biāo)，本實(shí)驗(yàn)以5℃條件下的延度作為控制指標(biāo)，拉伸速度為1 cm/min[10]，結(jié)果如圖3所示。

圖3 延度隨膠粉摻量及粒徑的變化規(guī)律

由圖3可知，摻加30目膠粉的橡膠瀝青延度維持在較低水平，隨摻量變化較小，其原因在于30目膠粉顆粒過(guò)粗，分散在橡膠瀝青的斷面處，在瀝青斷裂口較細(xì)處產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，瀝青斷面為撕裂狀，其拉伸長(zhǎng)度較短，這也說(shuō)明不宜用延度作為粗膠粉橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)。

對(duì)于30目以上的橡膠瀝青，其延度隨摻量增加而增大，隨粒徑減小而增大，在摻量為24%時(shí)有減小的趨勢(shì)，膠粉在基質(zhì)瀝青中吸收輕質(zhì)組分，發(fā)生溶脹溶解，瀝青質(zhì)含量相對(duì)增加，使瀝青的延伸性能增加，延度增大。但隨著膠粉的增多，瀝青中的輕質(zhì)組分被膠粉吸收完全，多余的橡膠顆粒游離在瀝青中，不但不能改善瀝青的低溫性能，而且阻礙瀝青在低溫時(shí)的拉伸。膠粉粒徑越小，瀝青的低溫延性越好，這是因?yàn)槟z粉粒徑越小，比表面積越大，膠粉更容易分散到瀝青中，更能充分的溶脹溶解，與瀝青發(fā)生反應(yīng)。此外，瀝青在低溫時(shí)發(fā)生收縮，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，膠粉粒徑越小，小粒徑膠粉顆粒產(chǎn)生的局部應(yīng)力越小。

2.2.4 黏度隨膠粉摻量及粒徑的變化規(guī)律

試驗(yàn)采用布洛克菲爾德黏度計(jì)測(cè)定177℃黏度，轉(zhuǎn)子為SC4-27#轉(zhuǎn)子，試驗(yàn)測(cè)得多組不同轉(zhuǎn)速下的黏度值，內(nèi)插法得到扭矩為50%的黏度，以此黏度為實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出30目的黏度值最小，隨摻量變化幅度很小，其他粒徑膠粉對(duì)瀝青的黏度增加產(chǎn)生很大作用，膠粉越細(xì)黏度越大，但是達(dá)到60目后，通過(guò)減小膠粉粒徑提高瀝青黏度的方法效果不明顯。

為保證橡膠瀝青的施工和易性[11-13]，參考美國(guó)亞利桑那州橡膠瀝青技術(shù)規(guī)范，177℃黏度范圍應(yīng)控制在1.5～4.0Pa.s[14]。

圖4 黏度隨膠粉摻量及粒徑的變化規(guī)律

2.2.5 彈性恢復(fù)隨膠粉摻量及粒徑的變化規(guī)律

彈性恢復(fù)能夠體現(xiàn)瀝青發(fā)生應(yīng)變時(shí)的恢復(fù)能力，對(duì)于瀝青混合料的抗疲勞破壞能力有著重要影響。圖5為各粒徑下不同摻量的橡膠瀝青彈性恢復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，看出橡膠粉的加入對(duì)瀝青的彈性恢復(fù)有顯著的影響，彈性恢復(fù)率隨摻量的增大逐漸增大，在達(dá)到膠粉摻量24%時(shí)，彈性恢復(fù)率的增加幅度變得緩慢，除30目橡膠瀝青外，其他粒徑膠粉的橡膠瀝青彈性恢復(fù)率趨于90%。60目、80目的彈性恢復(fù)率都在75%以上，加入膠粉使得瀝青受拉變形的恢復(fù)能力明顯提高。30目的橡膠瀝青與其他橡膠瀝青相比，抵抗變形的能力偏小，原因在于，膠粉粒徑較粗，會(huì)停滯瀝青的回縮，使瀝青的受拉變形得不到及時(shí)恢復(fù)。

圖5 彈性恢復(fù)隨膠粉摻量及粒徑的變化規(guī)律

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

表4為本實(shí)驗(yàn)所采用膠粉價(jià)格，隨著膠粉粒徑的減小，膠粉價(jià)格增幅逐漸變大。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出30目橡膠瀝青指標(biāo)普遍偏低，將80目橡膠瀝青與60目橡膠瀝青相比較，見(jiàn)表5發(fā)現(xiàn)80目橡膠瀝青與60目橡膠瀝青性能指標(biāo)相近。80目黏度超過(guò)4Pa.s，施工和易性差，60目各性能指標(biāo)符合橡膠瀝青各技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表6，故宜采用60目膠粉制備道路橡膠瀝青，合適摻量為24%。

表4 膠粉價(jià)格

表5 摻量24%橡膠瀝青性能指標(biāo)比較

表6 橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)

3 結(jié) 論

基質(zhì)瀝青加入膠粉后，瀝青的高溫性能及低溫性能有了很大的改善，針對(duì)不同粒徑不同摻量的膠粉，對(duì)比分析了摻量、粒徑對(duì)橡膠瀝青指標(biāo)的影響，對(duì)道路橡膠瀝青的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)作用。

(1)確定橡膠瀝青的最佳拌合溫度為190℃，溫度過(guò)低，膠粉在基質(zhì)瀝青中溶脹溶解不充分，溫度過(guò)高，針入度反而變大，低溫延度變小。

(2)橡膠瀝青的黏度度和軟化點(diǎn)隨摻量增大而增加。超過(guò)膠粉最佳摻量后，多余的膠粉顆粒游離在基質(zhì)瀝青中，在低溫拉伸過(guò)程中膠粉顆粒產(chǎn)生局部應(yīng)力，反而不利于橡膠瀝青的拉伸，同時(shí)也不利于橡膠瀝青的回縮，彈性恢復(fù)效果較差，因此膠粉摻量也不是越多越好，存在某個(gè)峰值使橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到最好。

(3)膠粉粒徑不宜過(guò)粗，粗粒徑橡膠顆粒制作的橡膠瀝青各技術(shù)指標(biāo)均較差。膠粉粒徑偏細(xì)，177℃黏度超過(guò)4 Pa.s，施工和易性差，而且價(jià)格昂貴。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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