活化橡膠改性瀝青混合料路用性能研究

劉向東

(內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

隨著中國(guó)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)保有量急劇增長(zhǎng)，廢舊輪胎存量大幅增加，對(duì)環(huán)境造成的不良影響也日益加劇。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2016年中國(guó)產(chǎn)生的廢舊輪胎達(dá)到3億條，而廢舊輪胎再生利用率尚達(dá)不到50%，廢舊輪胎——“黑色污染”給環(huán)境帶來(lái)了巨大的壓力。利用廢舊輪胎加工成廢膠粉，廢膠粉作為瀝青改性劑制備廢膠粉改性瀝青(Asphalt Rubber AR)運(yùn)用于道路工程中，能夠改善路面質(zhì)量和延長(zhǎng)路面使用年限。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)廢膠粉改性瀝青及其混合料進(jìn)行了大量的研究。Carl Thodesen等利用統(tǒng)計(jì)回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究和預(yù)測(cè)了不同膠粉種類(lèi)、粒徑、摻量等因素條件下改性瀝青較高溫度(135 ℃以上)的黏度值，結(jié)果表明：相比其他變量，上述3個(gè)獨(dú)立變量對(duì)改性瀝青黏度的影響最大；Nejad F M等采用傳統(tǒng)方法和SHRP測(cè)試方法對(duì)廢膠粉改性瀝青、基質(zhì)瀝青性質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)廢膠粉的加入使瀝青的滲透性、溫度敏感性、延展性、弗拉斯脆點(diǎn)降低，軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)能力、黏附性能增強(qiáng)；李關(guān)龍等以AH-70#為基質(zhì)瀝青，以糠醛抽出油溶脹后的SBS、外摻膠粉制備復(fù)合改性瀝青，對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該改性瀝青在低溫下更柔韌，高溫下更堅(jiān)硬，溫度敏感性降低，抗車(chē)轍形變能力增強(qiáng)。

廢膠粉是由廢舊橡膠經(jīng)過(guò)物理粉碎而成的細(xì)小顆粒，其表面呈惰性，瀝青是由碳?xì)浠衔锛捌溲苌锝M成，瀝青與廢膠粉本身為熱力學(xué)不相容體系，兩種物質(zhì)在性質(zhì)上有很大差異，導(dǎo)致廢膠粉與石油瀝青相容性較差。該文對(duì)廢膠粉進(jìn)行微波活化處理，以增強(qiáng)廢膠粉與瀝青的相容性，通過(guò)濕法工藝制備膠粉改性瀝青，研究活化廢膠粉改性瀝青及其混合料的性能。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及儀器

廢膠粉：天津產(chǎn)卡車(chē)輪胎膠粉；基質(zhì)瀝青：韓國(guó)SK-70#，其性能如表1所示；高速剪切機(jī)1臺(tái)；電熱爐1臺(tái)。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

1.2 廢膠粉活化處理

采取微波對(duì)廢膠粉進(jìn)行預(yù)處理：將粒徑為80目的膠粉置于60 ℃恒溫干燥箱中脫水30 min，然后放入微波活化裝置中，于300 W微波功率下活化2、3、4 min，即得微波活化廢膠粉。為了使膠粉受熱均勻，每次放入膠粉質(zhì)量為150 g。

1.3 膠粉改性瀝青制備

先將微波活化廢膠粉和普通膠粉在110 ℃烘干待用；將基質(zhì)瀝青加入鍋中，在電熱爐上進(jìn)行加熱，使其成為流動(dòng)態(tài)；按照14%含量將廢膠粉加入到基質(zhì)瀝青中；調(diào)節(jié)合成溫度為170 ℃，在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的高速剪切機(jī)下剪切0.5 h，然后采用600 r/min機(jī)械攪拌1 h，即得膠粉改性瀝青。

2 膠粉及其改性瀝青性能評(píng)價(jià)

2.1 膠粉紅外分析

圖1為相同功率下廢膠粉經(jīng)過(guò)不同活化時(shí)間的紅外光譜圖。

從圖1可以看出：470 cm-1的S-S鍵隨著活化時(shí)間的增加，其吸收峰逐漸減弱，表明經(jīng)過(guò)微波輻射后，原來(lái)交聯(lián)狀態(tài)的S-S鍵被打斷，且斷裂程度隨時(shí)間的增長(zhǎng)而變大，同時(shí)紅外光譜中羥基峰(3 500 cm-1左右)和羧基峰(1 680 cm-1和1 480 cm-1左右)明顯增強(qiáng)，說(shuō)明微波輻射能夠增加膠粉表面的含氧基團(tuán)，使雙鍵再生，提高膠粉的反應(yīng)活性。但從圖1可以看出3 min時(shí)羥基和羧基峰最大，之后又減少，說(shuō)明并不是輻射時(shí)間越長(zhǎng)，廢膠粉含氧基團(tuán)越多，因此該文選用活化時(shí)間為3 min。

圖1 不同活化時(shí)間下膠粉紅外光譜圖

2.2 膠粉改性瀝青三大指標(biāo)

根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0604-2011、T0606-2011、T0605-2011對(duì)活化膠粉瀝青、普通膠粉瀝青以及基質(zhì)瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 三大指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

由表2可知:加入廢膠粉后瀝青針入度下降，軟化點(diǎn)升高，5 ℃延度增加，這主要是因?yàn)閺U膠粉在與瀝青接觸的過(guò)程中，膠粉吸收瀝青中的輕組分發(fā)生溶脹，使瀝青稠度變大，反映為瀝青針入度下降、軟化點(diǎn)升高，同時(shí)廢膠粉在瀝青中充當(dāng)“橋梁”作用，使瀝青與瀝青分子之間交聯(lián)在一起，最終反映為瀝青延度增加。

2.3 彈性恢復(fù)能力和離析穩(wěn)定度

根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0662-2000、T0661-2011對(duì)上述3種瀝青進(jìn)行彈性恢復(fù)能力、離析軟化點(diǎn)差(上層與下層軟化點(diǎn)差值)性能測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 3種瀝青彈性恢復(fù)率和離析穩(wěn)定性

由表3可知:彈性恢復(fù)率大小為：活化膠粉瀝青>普通膠粉瀝青>基質(zhì)瀝青，這是因?yàn)槟z粉的加入改變了瀝青原有的組分和結(jié)構(gòu)，同時(shí)膠粉作為分散相加入，使得瀝青分子之間通過(guò)膠粉這種“橋梁”使作用力變得更強(qiáng)，表現(xiàn)出橡膠的彈性，具有比基質(zhì)瀝青更高的彈性恢復(fù)能力。膠粉經(jīng)過(guò)微波活化后，利用微波切斷廢膠粉中S-S鍵達(dá)到活化的目的，使得微波活化廢膠粉比普通廢膠粉有更高的活性，與瀝青發(fā)生溶脹時(shí)相容性更好，同時(shí)活化膠粉瀝青離析軟化點(diǎn)差要小于普通膠粉瀝青，因此其相容性更好。

2.4 高溫穩(wěn)定性

車(chē)轍因子G*/sinδ反映瀝青高溫抗車(chē)轍能力的大小，其值越大，表明瀝青的高溫穩(wěn)定性越好，抗車(chē)轍能力越強(qiáng)。對(duì)活化膠粉瀝青、普通膠粉瀝青、基質(zhì)瀝青進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)，得到各瀝青50～80 ℃車(chē)轍因子數(shù)據(jù)，通過(guò)車(chē)轍因子來(lái)評(píng)價(jià)其高溫穩(wěn)定性，結(jié)果如表4所示。

表4 車(chē)轍因子G*/sinδ試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知：3種瀝青的車(chē)轍因子均隨著溫度的升高而減小，說(shuō)明瀝青的抗車(chē)轍能力隨溫度升高而減弱。同時(shí)，普通膠粉瀝青和活化膠粉瀝青車(chē)轍因子均高于基質(zhì)瀝青，證明膠粉的加入提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性。微波活化膠粉改性瀝青的車(chē)轍因子高于普通粉改性瀝青，說(shuō)明微波活化膠粉能與瀝青較好地溶脹混合，有助于進(jìn)一步提高改性瀝青的高溫穩(wěn)定性。

3 廢膠粉改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

3.1 級(jí)配的確定

由于廢膠粉改性瀝青的特殊性，瀝青混合料應(yīng)該具有足夠的集料間隙率容納廢膠粉改性瀝青。國(guó)外研究表明：采用間斷級(jí)配能夠獲得路用性能良好的廢膠粉改性瀝青混合料?；谝陨峡紤]，選擇AR-AC13間斷級(jí)配作為廢膠粉改性瀝青混合料的級(jí)配類(lèi)型，其級(jí)配如表5所示。

表5 AR-AC13間斷級(jí)配范圍

3.2 油石比的確定

按表5中的級(jí)配進(jìn)行配料，其中混合料的油石比分別為5.5%、6.0%、6.5%、7.0%、7.5%，根據(jù)馬歇爾試件的體積參數(shù)、穩(wěn)定度及流值等相關(guān)指標(biāo)優(yōu)選油石比，如表6所示，最終得到AR-AC13間斷級(jí)配最佳油石比為6.4%。

表6 AR-AC13馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3.3 壓實(shí)溫度對(duì)混合料壓實(shí)效果的影響

廢膠粉增大了瀝青的黏度，降低了瀝青的流動(dòng)性，廢膠粉改性瀝青混合料的拌和與壓實(shí)較普通瀝青混合料困難，壓實(shí)溫度對(duì)廢膠粉改性瀝青混合料的體積參數(shù)具有較大影響。該文將研究不同壓實(shí)溫度(140、150、160、170 ℃)對(duì)廢膠粉改性瀝青混合料壓實(shí)效果的影響，拌和溫度為180 ℃，以空隙率評(píng)價(jià)混合料的壓實(shí)特性，具體結(jié)果如表7所示。

表7 不同壓實(shí)溫度下的混合料體積特性

由表7可知：壓實(shí)溫度對(duì)廢膠粉改性瀝青混合料的體積特性具有較大影響。隨著壓實(shí)溫度的上升，混合料的空隙率會(huì)有一定程度降低；當(dāng)壓實(shí)溫度升高到一定程度時(shí)，混合料的體積參數(shù)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)壓實(shí)溫度為140 ℃時(shí)，混合料的空隙率較大，達(dá)到7.11%，超過(guò)規(guī)范要求值。壓實(shí)溫度從140 ℃上升到160 ℃，廢膠粉改性瀝青的黏度變小，流動(dòng)性變大，流動(dòng)性大的廢膠粉改性瀝青能與集料獲得更好的壓實(shí)效果。當(dāng)壓實(shí)溫度達(dá)到160 ℃以上時(shí)，廢膠粉改性瀝青的流動(dòng)狀態(tài)變化不大，混合料的空隙率基本保持穩(wěn)定，上述試驗(yàn)結(jié)果表明廢膠粉改性瀝青混合料的壓實(shí)溫度取160～170 ℃較適宜。

4 路用性能研究

4.1 高溫穩(wěn)定性

采用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫抗變形能力，依照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比分析瀝青、級(jí)配類(lèi)型對(duì)瀝青混合料抗變形能力的影響，其中連續(xù)級(jí)配AR-AC13、AC-13的級(jí)配選用JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中AC-13的級(jí)配中值，車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：廢膠粉改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度較普通瀝青混合料有大幅度增長(zhǎng)，說(shuō)明廢膠粉改性瀝青能有效提高瀝青混合料的高溫抗變形能力。由于廢膠粉在路面高溫下仍具有高彈性，在車(chē)輛荷載的作用下，廢膠粉改性瀝青混合料表現(xiàn)出一定的彈性能力，當(dāng)荷載卸去時(shí)，廢膠粉改性瀝青混合料形變能夠得到一定程度恢復(fù)，因而剩余累積變形減少，降低了車(chē)轍深度，這與上述瀝青車(chē)轍因子的試驗(yàn)結(jié)果相符。相對(duì)間斷級(jí)配AR-AC13而言，連續(xù)級(jí)配AR-AC13的礦料間隙率較小，沒(méi)有足夠的空間容納廢膠粉改性瀝青，瀝青混合料容易形成“懸浮-密實(shí)”結(jié)構(gòu)，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性會(huì)有一定程度降低。

4.2 低溫抗裂性

運(yùn)用小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能，測(cè)定廢膠粉改性瀝青混合料試件在規(guī)定加載速率及溫度下的彎曲破壞力學(xué)性質(zhì)，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表9可知：間斷級(jí)配AR-AC13、連續(xù)級(jí)配AR-AC13的低溫彎曲破壞應(yīng)變比AC-13大，廢膠粉改性瀝青混合料的低溫抗裂性?xún)?yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，說(shuō)明瀝青摻入廢膠粉后，瀝青混合料的低溫抗裂性得到顯著改善。摻入的廢膠粉增加了瀝青的低溫柔性，使得廢膠粉改性瀝青混合料在低溫時(shí)的變形能力增強(qiáng)，瀝青混合料中的溫度應(yīng)力得到一定程度釋放；另一方面，未溶脹的廢膠粉顆粒在瀝青中起著增強(qiáng)作用，可誘發(fā)消耗大量能量的銀紋和剪切帶，由此減小了廢膠粉改性瀝青混合料裂縫的產(chǎn)生。就集料級(jí)配而言，間斷級(jí)配比連續(xù)級(jí)配更適用于廢膠粉改性瀝青混合料，集料級(jí)配可能會(huì)影響瀝青膠結(jié)料的變形，造成混合料中溫度應(yīng)力釋放的差異性。

4.3 水穩(wěn)定性

水穩(wěn)定性是影響瀝青混合料耐久性的關(guān)鍵因素，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，瀝青混合料凍融劈裂和浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 浸水馬歇爾及凍融試驗(yàn)結(jié)果

由表10可知：凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果與浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果一致，均表明活化廢膠粉改性瀝青有利于改善瀝青混合料的抗水損害能力。廢膠粉改性瀝青的黏度較基質(zhì)瀝青大，并且廢膠粉改性瀝青混合料的油石比較高，集料表面裹覆的瀝青膜厚度較大，增強(qiáng)了瀝青與集料之間的黏附作用，減弱了水分對(duì)瀝青、集料間界面的損害。間斷級(jí)配AR-AC13的水穩(wěn)定性與連續(xù)級(jí)配AR-AC13的水穩(wěn)定性相當(dāng)，較連續(xù)級(jí)配AC-13而言，間斷級(jí)配AR-AC13、連續(xù)級(jí)配AR-AC13的抗水損害能力有一定程度增長(zhǎng)，說(shuō)明橡膠瀝青有助于提升混合料的抗水損害能力。

5 結(jié)論

(1) 相比基質(zhì)瀝青，兩種廢膠粉改性瀝青針入度下降、軟化點(diǎn)和延度增加?；罨瘡U膠粉改性瀝青彈性恢復(fù)率最大，達(dá)72%，離析軟化點(diǎn)差較小，為1.5%，高溫穩(wěn)定性相比基質(zhì)瀝青和普通膠粉瀝青更好。

(2) 壓實(shí)溫度對(duì)廢膠粉改性瀝青混合料的空隙率具有較大影響，其壓實(shí)溫度取160～170 ℃較適宜。

(3) 較普通瀝青混合料而言，活化廢膠粉改性瀝青混合料的路用性能有較大幅度提升，說(shuō)明微波活化廢膠粉有助于提升瀝青混合料的路用性能。

(4) 就集料級(jí)配而言，間斷級(jí)配AR-AC13混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性?xún)?yōu)于連續(xù)級(jí)配AR-AC13混合料，抗水損害能力與連續(xù)級(jí)配AR-AC13混合料相當(dāng)。