橡膠/塑料復(fù)合改性瀝青及混合料的流變性能

張紅春

摘 要：以廢舊橡膠和塑料為改性劑，采用合理的制備工藝對(duì)基質(zhì)瀝青及混合料進(jìn)行改性，并通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)對(duì)單相改性和復(fù)合改性瀝青展開(kāi)研究。結(jié)果顯示：相比于單相改性，復(fù)合改性明顯改善了瀝青的高溫性能和感溫性，但會(huì)使其抗疲勞性能有所降低；橡膠、塑料復(fù)合改性瀝青混合料的流變性指標(biāo)的變化趨勢(shì)與溫度區(qū)間有關(guān)，綜合確定最佳的橡膠、塑料比例為7∶3。

關(guān)鍵詞：道路工程；改性瀝青；復(fù)合改性；流變特性

中圖分類(lèi)號(hào)：U414.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1000-033X（2017）03-0058-05

Abstract： The matrix asphalt and mixture were modified with waste rubber and plastic in a reasonable preparation process， and the dynamic shear rheological test was carried out to study the separate and composite modification of asphalt. The results show that compared with the separate modification， the composite modification can obviously improve the high temperature performance and temperature susceptibility of the asphalt， but it will reduce the fatigue performance； the change tendency of the rheological indicators of the rubber and plastic composite modified asphalt mixture is related to the temperature range， and the optimum ratio of rubber to plastic is 7∶3.

Key words： road engineering； modified asphalt； composite modification； rheological property

0 引 言

道路工程中，將廢舊橡膠和塑料用于瀝青改性不僅能改善瀝青的性能，延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命，而且能為利用工業(yè)廢料提供一條合理途徑[1-3]。馬朝鮮、耿立濤等人的研究表明，以廢舊橡膠為改性劑能明顯提高瀝青的低溫性能，但會(huì)劣化瀝青的高溫性能；賴(lài)增成、劉克等人將廢舊塑料顆粒用于瀝青改性，結(jié)果表明塑料雖然能顯著改善瀝青的高溫性能，但對(duì)瀝青低溫性能和彈性變形能力的改善程度較差[4-6]。因此，以單一的改性劑對(duì)瀝青改性，雖然能改善某方面的性能，但會(huì)使其他性能劣化；而采用2種不同材料對(duì)瀝青進(jìn)行改性，可以發(fā)揮2種材料各自的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼顧瀝青的各方面性能，對(duì)瀝青進(jìn)行最優(yōu)化的改性[7-8]?；诖?，本文通過(guò)流變?cè)囼?yàn)研究不同橡塑比（R/P，橡膠含量為R，塑料含量為P）時(shí)瀝青的流變特性，并與橡膠或塑料單相改性的瀝青對(duì)比，優(yōu)選出合理的R/P；在最佳R/P的基礎(chǔ)上，研究復(fù)合改性瀝青混合料、橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的流變特性，為廢舊橡膠和塑料在道路工程中的應(yīng)用提供理論參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青采用AS70#瀝青，改性瀝青選用星型SBS改性瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1、2。橡塑復(fù)合改性劑為自行研發(fā)，其中R/P分別控制為1∶1、3∶2、7∶3，橡塑復(fù)合改性劑總摻量為15%；粗細(xì)集料均選用玄武巖，礦粉選用磨細(xì)的石灰石粉，集料和礦粉都有良好的物理力學(xué)性能，混合料級(jí)配選用SMA-13，其合成級(jí)配見(jiàn)表3 。

1.2 橡塑復(fù)合改性瀝青的制備

橡塑復(fù)合改性瀝青的制備采用高速剪切法。首先將基質(zhì)瀝青加熱至一定溫度后，相繼加入15%的橡塑復(fù)合改性劑和0.5%的穩(wěn)定劑，并在190 ℃條件下發(fā)育4 h后，采用高速剪切機(jī)以4 000 r·min-1的剪切速率剪切一定時(shí)間，制得橡塑復(fù)合改性瀝青。

1.3 試驗(yàn)方法

采用Bohlin Gemin Ⅱ型動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）測(cè)定各種瀝青的相位角δ和復(fù)數(shù)模量G*。采用車(chē)轍因子G*/sin δ表征橡膠瀝青混合料的抗車(chē)轍能力，G*/sin δ越大，表明瀝青路面的高溫抗車(chē)轍能力越好。采用疲勞因子G*sin δ評(píng)價(jià)瀝青的抗疲勞性能，G*sin δ越小，表明瀝青抗疲勞性能越好。試驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式，設(shè)定頻率為10 Hz。

利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制備尺寸為Φ150×170 mm的瀝青混合料試件，并冷卻至室溫后，鉆取規(guī)格為Φ100的芯樣，將芯樣兩端切除，控制高度為148～152 mm，由SPT試驗(yàn)儀測(cè)定試件的動(dòng)態(tài)模量和相位角，評(píng)價(jià)瀝青混合料的流變特性。

2 瀝青流變性能

利用DSR測(cè)定不同溫度下R/P分別為1∶1、3∶2和7∶3的橡塑復(fù)合改性瀝青的δ、G*，得到G*/sin δ和G*sin δ，并與基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青和塑料改性瀝青作對(duì)比，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，相比于基質(zhì)瀝青，5種改性瀝青的δ大幅減小、G*大幅增大。表明在相同溫度下，改性瀝青的黏性變形性能較弱，抗低塑性變形能力更強(qiáng)。不同橡塑比的3種復(fù)合改性瀝青的G*大于橡膠改性瀝青，而橡膠改性瀝青的G*大于塑料改性瀝青。其原因主要為：改性劑加入后與瀝青發(fā)生吸附作用，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，瀝青分子間的黏結(jié)力增強(qiáng)，從而限制瀝青向黏流態(tài)轉(zhuǎn)化[9-12]。相比于塑料，橡膠粉在高溫時(shí)具有較高的彈性，荷載作用時(shí)變形較大，對(duì)瀝青分子的束縛力較小，因此橡膠改性瀝青的G*小于塑料改性瀝青；塑料和橡膠復(fù)合改性時(shí)，高溫使塑料分子和橡膠分子發(fā)生共混，形成一定程度的接支，更有利于三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，因此G*增大[13-15]。橡塑復(fù)合改性瀝青的δ值位于橡膠改性瀝青和塑料改性瀝青之間，相比于塑料，橡膠粉的變形能力和變形恢復(fù)能力更強(qiáng)，在外力作用時(shí)，橡膠粉能發(fā)生明顯的變形，吸收較多的能量，使瀝青的抗變形能力增強(qiáng)。故橡膠改性瀝青的彈性性質(zhì)最強(qiáng)，塑料改性瀝青的彈性性質(zhì)最弱，橡塑復(fù)合改性瀝青位于兩者之間。

總體來(lái)說(shuō)，橡塑復(fù)合改性瀝青的G*/sin δ都大于單相改性瀝青，表明橡塑復(fù)合改性瀝青具有更好的抗車(chē)轍能力[16-18]。當(dāng)溫度高于60 ℃時(shí)，3種橡塑復(fù)合改性瀝青的G*sin δ都大于橡膠改性瀝青；而當(dāng)溫度低于60 ℃時(shí)，R/P為7∶3的橡塑復(fù)合改性瀝青的G*sin δ小于塑料改性瀝青，大于橡膠改性瀝青，表明橡塑復(fù)合改性雖然提高了瀝青的抗車(chē)轍性能，卻降低了其抗疲勞性能，路面更容易出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂。隨著R/P的增大，G*/sin δ和G*sin δ都逐漸下降。這主要是因?yàn)椋合啾扔谙鹉z粉，塑料顆粒具有更高的硬度，隨著R/P的增大，橡塑共混體系強(qiáng)度逐漸降低，而變形能力逐漸增強(qiáng)，因此路面的抗車(chē)轍能力下降，而抗疲勞開(kāi)裂能力上升。從G*/sin δ和G*sin δ結(jié)果來(lái)看，當(dāng)R/P為7∶3時(shí)，橡塑復(fù)合改性瀝青具有較高的抗車(chē)轍能力，且抗疲勞能力最佳。

為了評(píng)價(jià)瀝青對(duì)溫度變化的敏感性，對(duì)6種瀝青的G*/sin δ和溫度進(jìn)行雙對(duì)數(shù)線性回歸，回歸方程如下，結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可以看出，6種瀝青的G*/sin δ與溫度之間都有良好的雙對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系，5種改性瀝青的|m|大于基質(zhì)瀝青，其中橡塑復(fù)合改性瀝青和塑料改性瀝青的|m|明顯大于橡膠改性瀝青。這主要是因?yàn)椋弘S著溫度的升高，橡膠粉活性增強(qiáng)，變形逐漸明顯，因此橡膠改性瀝青的感溫性較高；而隨著塑料的摻入，改性劑中橡膠的比例下降，感溫性得到改善。在橡塑復(fù)合改性瀝青中，當(dāng)R/P為7∶3時(shí)|m|最小，瀝青對(duì)溫度的敏感性最低，因此從感溫性角度考慮，推薦R/P為7∶3。

3 瀝青混合料流變性能

控制R/P為7∶3，測(cè)定不同溫度（5 ℃、15 ℃、30 ℃、45 ℃和60 ℃）時(shí)，橡塑復(fù)合改性瀝青混合料、橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量（E）和相位角（d）隨頻率（0.1、0.5、1、5、10、20 Hz）的變化規(guī)律，并對(duì)比3種瀝青混合料在10 Hz時(shí)的動(dòng)態(tài)模量和相位角，結(jié)果如圖2、3所示。

從圖2可以看出，3種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量都隨著頻率的增大逐漸增大，其中當(dāng)溫度低于30 ℃時(shí)動(dòng)態(tài)模量隨頻率的變化較小，當(dāng)溫度超過(guò)30 ℃時(shí)動(dòng)態(tài)模量隨頻率的變化較大。其原因?yàn)椋涸趧?dòng)態(tài)荷載作用下，瀝青混合料被加載時(shí)不會(huì)瞬時(shí)被壓縮，卸載時(shí)也不會(huì)瞬時(shí)完全恢復(fù)，會(huì)發(fā)生應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象，且荷載頻率越大，應(yīng)變對(duì)荷載響應(yīng)的滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此動(dòng)態(tài)模量越大。當(dāng)溫度低于30 ℃時(shí)，瀝青混合料彈性性質(zhì)相對(duì)較強(qiáng)，而黏性性質(zhì)相對(duì)較弱，隨著頻率的增大，應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象不明顯，因此動(dòng)態(tài)彈性模量的變化較??；而當(dāng)溫度超過(guò)30 ℃時(shí)，瀝青混合料彈性比例下降，黏性比例上升，荷載作用時(shí)的滯后現(xiàn)象較嚴(yán)重，因此動(dòng)態(tài)模量的變化較大。

從3種瀝青混合料的動(dòng)彈性模量對(duì)比可以看出，在相同條件下橡塑復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)彈性模量大于橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料，而橡膠瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量較為接近。這主要是因?yàn)椋合鹉z粉和SBS改性劑都具有良好的彈性變形能力，在動(dòng)態(tài)荷載作用時(shí)瀝青混合料的變形較大且恢復(fù)能力較強(qiáng)；而橡塑復(fù)合改性瀝青中的塑料顆粒使瀝青黏度增加，混合料整體的強(qiáng)度增大，變形恢復(fù)能力減弱，因此動(dòng)彈性模量較大。

從圖3可以看出，當(dāng)溫度低于30 ℃時(shí)，隨著頻率的增大瀝青混合料的相位角逐漸減小；而當(dāng)溫度超過(guò)30 ℃時(shí)，相位角隨著頻率的增大而增大。其原因主要為：當(dāng)溫度低于30 ℃時(shí)，瀝青結(jié)合料黏度較大，在荷載作用時(shí)對(duì)瀝青混合料的貢獻(xiàn)較大，材料主要體現(xiàn)彈性性質(zhì)，因此相位角隨著頻率的增大逐漸減??；而當(dāng)溫度超過(guò)30 ℃時(shí)，瀝青結(jié)合料黏度降低，瀝青混合料承載能力主要取決于礦料形成的骨架，隨著頻率增大，骨架的單純性影響逐漸減弱，在高頻荷載作用下雖然瀝青表現(xiàn)出一定的彈性性質(zhì)，但仍遠(yuǎn)低于低頻時(shí)骨架的影響，因此相位角呈增大趨勢(shì)。

在相同條件下，當(dāng)溫度低于45 ℃時(shí)，橡塑復(fù)合改性瀝青混合料的相位角低于橡膠瀝青混合料或SBS改性瀝青混合料；而當(dāng)溫度超過(guò)45 ℃時(shí)，橡塑復(fù)合改性瀝青混合料的相位角高于橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料[19-20]。這表明：在低溫度區(qū)，橡塑復(fù)合改性瀝青混合料的黏性性質(zhì)弱于橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料；而在高溫區(qū)段內(nèi)，橡塑復(fù)合改性瀝青混合料的黏性性質(zhì)高于橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）橡塑復(fù)合改性瀝青的G*大于單相改性瀝青；橡塑復(fù)合改性雖然使瀝青的高溫抗車(chē)轍能力提高，但會(huì)降低瀝青的抗疲勞性能，路面更易發(fā)生疲勞開(kāi)裂；當(dāng)R/P為7∶3時(shí)，橡塑復(fù)合改性瀝青在具有較高抗車(chē)轍能力的同時(shí)，具有較好的抗疲勞性能。

（2）G*/sin δ與溫度之間具有良好的雙對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系，其中改性瀝青的|m|大于基質(zhì)瀝青；橡塑復(fù)合改性瀝青和塑料改性瀝青的|m|明顯大于橡膠改性瀝青；不同橡塑比復(fù)合改性瀝青中，當(dāng)R/P為7∶3時(shí)|m|最小，瀝青的感溫性最低。因此推薦R/P為7∶3。

（3）當(dāng)溫度低于30 ℃時(shí)，3種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量隨頻率增長(zhǎng)的趨勢(shì)不明顯，而當(dāng)溫度超過(guò)30 ℃時(shí)，動(dòng)態(tài)模量隨頻率的增長(zhǎng)趨勢(shì)較顯著；橡塑復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)彈性模量明顯大于橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料。

（4）當(dāng)溫度低于45 ℃時(shí)，相比于橡膠瀝青混合料或SBS改性瀝青混合料，橡塑復(fù)合改性瀝青混合料具有更小的相位角；而當(dāng)溫度超過(guò)45 ℃時(shí)，橡塑復(fù)合改性瀝青混合料的相位角大于橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃文元，張隱西.路面工程用橡膠瀝青的反應(yīng)機(jī)理與進(jìn)程控制[J].公路交通科技，2006，23（11）：5-9.

[2] 耿立濤，楊新龍，任瑞波，等.穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量預(yù)估[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2013，16（4）：720-724.

[3] 馬曉燕.橡膠瀝青及橡膠瀝青混合料性能影響因素研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[4] 馬朝鮮.復(fù)合改性橡膠瀝青應(yīng)用技術(shù)研究[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化， 2015，32（12）：46-48.

[5] 賴(lài)增成，劉 克，楊錫武，等.廢舊塑料改性瀝青性能研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，29（5）：73-77.

[6] 楊錫武，劉 克.對(duì)研究廢舊塑料改性瀝青的思考[J].西藏大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，25（1）：68-75.

[7] 于 新，孫文浩，羅怡琳.橡膠瀝青溫度敏感性評(píng)價(jià)方法研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2013，16（2）：266-270.

[8] 黃 彭，呂偉民，張福清，等.橡膠粉改性瀝青混合料性能與工藝[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2001，14（21）：4-7.

[9] 張 倩，謝來(lái)斌，李彥偉，等.廢舊塑料改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，43（5）：755-759.

[10] 李玉環(huán).廢舊塑料改性瀝青的研究[D].北京：中國(guó)石油大學(xué)，2010.

[11] 李駿宇.廢舊聚乙烯該系瀝青及其混合料的性能研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2012.

[12] 王元元，董 強(qiáng)，李昌洲.廢塑膠粉復(fù)合改性瀝青及其混合料性能研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2012， 31（5）：65-67.

[13] 楊 光，申愛(ài)琴，陳志國(guó)，等.季凍區(qū)橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青工廠化參數(shù)分析與性能評(píng)價(jià)[J].公路交通科技， 2015， 32（12）：29-37.

[14] 劉貞鵬.SBS/橡膠復(fù)合改性瀝青混合料高溫性能研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)， 2014.

[15] 劉漢中.廢舊輪胎橡膠粉復(fù)合改性瀝青性能試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 2010.

[16] 羅 妮.廢橡膠粉及廢橡膠粉復(fù)合改性瀝青的性能研究[J].湖南交通科技， 2008， 34（2）：12-15.

[17] 李廣權(quán).橡膠粉改性瀝青技術(shù)性能及質(zhì)量控制研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2015，28（4）：1-3，5.

[18] 許明娟.廢舊塑料橡膠復(fù)合改性瀝青應(yīng)用技術(shù)研究[D].南京：東南大學(xué)， 2015.

[19] 石洪波，王洪國(guó)，廖克儉，等.廢舊橡膠粉改性瀝青感溫性的評(píng)價(jià)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2006，6（4）：439-442.

[20] 原健安，李玉珍，周吉萍.SBS改性瀝青的兩種典型亞微觀結(jié)構(gòu)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2005， 25（5）：19-24.

[責(zé)任編輯：杜敏浩]