橡膠粉改性瀝青及瀝青混合料高溫性能試驗(yàn)研究

魏學(xué)成

(永升建設(shè)集團(tuán)有限公司, 新疆 克拉瑪依 834000)

橡膠粉改性瀝青及瀝青混合料高溫性能試驗(yàn)研究

魏學(xué)成

(永升建設(shè)集團(tuán)有限公司, 新疆 克拉瑪依 834000)

為了改善道路瀝青的路用性能，選擇橡膠粉對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性處理，制備橡膠粉改性瀝青。研究了不同摻量條件下，改性瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)、布氏粘度，進(jìn)而評(píng)價(jià)其高溫性能；同時(shí)分別對(duì)AC — 13型和SMA — 13型橡膠粉改性瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，評(píng)價(jià)改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。研究表明，適量橡膠粉可以改善基質(zhì)瀝青及瀝青混合料的高溫性能，最佳摻量為15%，且SMA — 13型混合料比AC — 13型混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性。

橡膠粉； 改性瀝青； 瀝青混合料； 高溫性能

0 引言

橡膠粉是由廢舊橡膠輪胎磨細(xì)制得，簡稱CRM，橡膠粉改性劑中的聚合物能夠吸收瀝青中的油分，使瀝青體積發(fā)生膨脹，從而改善瀝青混合料的穩(wěn)定性[1]，因此橡膠粉改性瀝青是一種優(yōu)質(zhì)的新型聚合物改性復(fù)合材料。常用的SBS改性劑價(jià)格較高，而橡膠粉改性劑以其優(yōu)異的環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)被國內(nèi)外許多學(xué)者所推崇。研究表明[2]，在瀝青中加入橡膠粉改性劑，不僅可以有效改善瀝青路面的路用性能，而且可以緩解廢棄輪胎帶來的污染問題，提高資源利用率。

目前國內(nèi)外許多研究學(xué)者對(duì)橡膠粉改性瀝青及其混合料開展了一些列的研究。Labib[3]等人研究了不同膠粉摻量條件下瀝青的性能，研究表明，按一定的比例在基質(zhì)瀝青中加入膠粉后，基質(zhì)瀝青的流動(dòng)性等施工和易性得到改善，而且使用這種改性瀝青鋪筑瀝青混凝土路面，可以減緩車轍、凍害等常見病害。近年我國許多學(xué)者也一直致力于橡膠粉改性瀝青的生產(chǎn)工藝及其性能研究，葉智剛[4]、黃彭[5]等人基于橡膠粉瀝青的改性機(jī)理，探討了改性瀝青的制備工藝如攪拌溫度、攪拌時(shí)間和攪拌速率等對(duì)瀝青工作性能的影響，當(dāng)采用機(jī)械攪拌時(shí)，橡膠粉聚合物顆粒均勻分散在基質(zhì)瀝青中，吸收瀝青中的油分，出現(xiàn)溶脹現(xiàn)象，從而提高橡膠粉改性瀝青的高溫性能。本文選擇5%、10%、15%、20%、25%等不同摻量的橡膠粉摻入基質(zhì)瀝青中，研究改性瀝青及瀝青混合料的高溫性能，為其在路面工程中的應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)選擇克拉瑪依90#基質(zhì)瀝青，主要性能技術(shù)指標(biāo)符合JTG F40 — 2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)要求，試驗(yàn)按照J(rèn)TJ052 — 2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中相關(guān)要求進(jìn)行，檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 90#基質(zhì)瀝青技術(shù)性能指標(biāo)

選用60目的橡膠粉作為改性劑，橡膠粉的主要物理化學(xué)性能指標(biāo)如表2所示，其檢測(cè)項(xiàng)目均符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 橡膠粉改性劑主要性能指標(biāo)

粗集料采用玄武巖，細(xì)集料采用河沙，物理化學(xué)性能均滿足瀝青面層用集料的相關(guān)要求。填料采用干燥礦粉，無團(tuán)粒結(jié)塊現(xiàn)象，表觀密度2.67 g/cm3。

1.2 改性瀝青制備工藝

改性瀝青制備過程中的攪拌時(shí)間、攪拌速率和攪拌溫度等都影響改性劑對(duì)瀝青的改性效果，試驗(yàn)采用瀝青的改性工藝如下：稱取一定比例的橡膠粉改性劑放入烘箱內(nèi)烘干備用，同時(shí)在170 ℃條件下將基質(zhì)瀝青放入烘箱內(nèi)脫水備用；將溫?zé)岬幕|(zhì)瀝青放入改性劑中攪拌20 min至橡膠粉改性劑和基質(zhì)瀝青充分混合；在剪切速率為7000 r/min，剪切溫度為180 ℃的條件下，將混合瀝青剪切60 min后放入180 ℃的環(huán)境中溶脹1～2 h；將混合均勻的瀝青加熱用玻璃棒攪拌一段時(shí)間，直至瀝青中無氣泡，此時(shí)制備即為橡膠粉改性瀝青。

1.3 試驗(yàn)方法

按照《橡膠粉瀝青及瀝青混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南》中相應(yīng)的瀝青試驗(yàn)規(guī)范測(cè)試橡膠粉改性瀝青及瀝青混合料性能。橡膠粉摻量選擇5%、10%、15%、20%、25%，按照改性工藝制備不同配方的瀝青分別測(cè)試其針入度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)和布氏粘度等高溫性能，選擇車轍試驗(yàn)測(cè)試瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，制作級(jí)配為AC — 13和SNA-13的混合料，由馬歇爾試驗(yàn)確定最佳石油比為4.9%，改性瀝青混合料在35 ℃時(shí)成型，試件為300 mm×300 mm×50 mm的車轍板。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 橡膠粉摻量對(duì)改性瀝青高溫性能的影響

瀝青為粘彈性材料，當(dāng)溫度升高時(shí)，瀝青膠體結(jié)構(gòu)會(huì)由彈性體變?yōu)樗苄泽w，此時(shí)瀝青的勁度模量降低，抵抗變形能力降低，用于路面時(shí)更易出現(xiàn)車轍病害。瀝青的針入度是用來評(píng)價(jià)瀝青稠度的指標(biāo)，針入度越大表明瀝青越軟，在一定程度上可以反映瀝青的粘度特性。軟化點(diǎn)反映了瀝青的高溫穩(wěn)定性和瀝青的粘度。彈性恢復(fù)一般用來評(píng)價(jià)橡膠粉類改性瀝青在拉伸后恢復(fù)變形能力，同時(shí)也可以用來反映改性瀝青的彈性增加的程度，在測(cè)定改性瀝青受拉后可恢復(fù)至原始值的百分率。在瀝青受拉發(fā)生變形時(shí)，彈性性能較好的瀝青發(fā)生的變形會(huì)在一定時(shí)間后恢復(fù)過來，不容易產(chǎn)生永久變形，因此彈性恢復(fù)可以用來衡量路面瀝青在受力后恢復(fù)變形的能力。綜上所述，選擇針入度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)和布氏粘度來衡量改性瀝青的高溫性能。其中不同橡膠粉摻量下的改性瀝青高溫性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 不同摻量橡膠粉改性瀝青高溫性能測(cè)試結(jié)果

改性瀝青高溫性能隨橡膠粉摻量變化的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 橡膠粉摻量對(duì)針入度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)和 布氏粘度的影響曲線

由圖1a中可以看出，隨橡膠粉摻量的增加，改性瀝青的針入度降低，在摻量超過15%后，針入度減小變緩。圖1b中隨橡膠粉摻量增加，軟化點(diǎn)增大，且軟化點(diǎn)變化接近線性。由圖1c中可以看出，在橡膠粉摻量小于5%時(shí)，彈性恢復(fù)急劇增加，當(dāng)摻量超過5%后，彈性恢復(fù)增速變慢。圖1d中布氏粘度隨橡膠粉的增加而增加，變化曲線近似指數(shù)關(guān)系。以上指標(biāo)變化顯示，橡膠粉改性瀝青的高溫穩(wěn)定較好。

瀝青是由高分子組成的膠體結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度升高時(shí)，瀝青中的分子鏈和改性劑聚合物更容易結(jié)合，使瀝青的分子量增大，軟化點(diǎn)升高。橡膠粉是一種聚合物改性劑，加入基質(zhì)瀝青后一方面吸收了瀝青中的一些組分，使瀝青產(chǎn)生溶脹現(xiàn)象，進(jìn)而比表面積增加，吸附能力增強(qiáng)，軟化點(diǎn)增高，針入度減?。涣硪环矫?，橡膠粉顆粒較細(xì)，填充在基質(zhì)瀝青之間，增加其粘度，增大其彈性恢復(fù)，進(jìn)而提高基質(zhì)瀝青的高溫性能。

研究表明，當(dāng)瀝青的軟化點(diǎn)大于65 ℃時(shí) 瀝青路面才會(huì)保證一定的高溫抵抗變形的能力，故由圖1b中可以看出，改性瀝青中橡膠粉的摻量應(yīng)大于15%。圖1c顯示，在橡膠粉摻量小于15%時(shí)，改性瀝青的彈性恢復(fù)較?。辉?5%點(diǎn)彈性恢復(fù)急劇增大；15%～25%時(shí)，改性瀝青的彈性恢復(fù)開始變緩，故橡膠粉摻量為15%時(shí)為其彈性恢復(fù)變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)。同時(shí)為滿足施工過程中的和易性，瀝青的粘度要求小于5 Pa·s，由圖1d可得在實(shí)驗(yàn)所選摻量范圍內(nèi)均可以達(dá)到要求。綜上所述，為滿足瀝青高溫性能的各項(xiàng)指標(biāo)，橡膠粉的最佳摻量為15%。

2.2 橡膠粉改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)橡膠粉改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，采用國產(chǎn)車轍試驗(yàn)儀對(duì)摻量為15%的橡膠粉改性瀝青進(jìn)行車轍試驗(yàn)，以動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以60 min內(nèi)所產(chǎn)生的車轍深度作為參考值，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表4和圖2中可以看出，對(duì)AC — 13型和SMA — 13型混合料而言，橡膠粉加入基質(zhì)瀝青后，改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了695%和436%，車轍深度減小，故在基質(zhì)瀝青中加入橡膠粉后，瀝青混合料的高溫性能得以改善。對(duì)同一種混合料類型來說，改性瀝青的車轍深度明顯減小，使橡膠粉改性瀝青混合料的抗車轍性能得到很大的提高，從而提高了混合料的高溫穩(wěn)定性。

圖2 改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于SMA — 13型混合料來說，基質(zhì)瀝青和改性瀝青的車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度和車轍深度與AC — 13型混合料的測(cè)試結(jié)果變化相似，但是AC — 13型混合料的動(dòng)穩(wěn)定度和車轍深度均低于同種瀝青種類下的SMA — 13型混合料，即SMA — 13型混合料比AC — 13型混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性。這是因?yàn)镾MA — 13型混合料采用的是間斷級(jí)配，集料之間相互粘結(jié)后整體性較好，且礦粉填充在集料和瀝青之間，增加混合料的粘結(jié)性，使其表面性能較好，從而使SMA — 13型基質(zhì)瀝青混合料和橡膠粉改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值和車轍深度較高，高溫穩(wěn)定性較好。

3 結(jié)論

1) 隨橡膠粉摻量的增加，改性瀝青的針入度降低，軟化點(diǎn)增大，彈性恢復(fù)增加，布氏粘度增加，即加入橡膠粉可以改善瀝青的高溫穩(wěn)定。

2) 綜合實(shí)際路面工程需要，為滿足瀝青高溫性能的各項(xiàng)指標(biāo)，橡膠粉的最佳摻量為15%。

3) 在基質(zhì)瀝青中加入橡膠粉后，瀝青混合料的高溫性能得以改善，且間斷級(jí)配SMA — 13型混合料比AC — 13型混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性。

[1] Nahas N C, Bardet J, Eckmann B, et al. Polymer modified asphalts for high performance hot mix pavement binders[J]. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, 1990, 59: 509-525.

[2] 劉貞鵬,王晶, 陸芳,等.橡膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青高溫性能試驗(yàn)研究[J].道路工程,2016(4):6-9.

[3] Labib M E, Chollar B H, Memon G M. Compatibilizer for crumb rubber modified asphalt[P].U.S. Patent:6478951,2002-11-12.

[4] 葉智剛, 張玉貞. 廢膠粉改性瀝青溶解度的判別與比較[J]. 中國建筑防水, 2004 (12): 14-16.

[5] 黃彭, 呂偉民, 張福清, 等. 橡膠粉改性瀝青混合料性能與工藝技術(shù)研究[J]. 中國公路學(xué)報(bào), 2001 (S1): 4-7.

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