不同摻量膠粉對(duì)瀝青性能影響的研究

田國(guó)

（山東省濟(jì)寧市微山縣交通運(yùn)輸服務(wù)中心，山東 濟(jì)寧 277600）

0 引言

瀝青路面一直是我國(guó)高速公路建設(shè)和大中城市路面建設(shè)的重點(diǎn)路面構(gòu)成，伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速度發(fā)展，高速公路工程項(xiàng)目的建設(shè)規(guī)模逐漸增大，路面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)逐步提高，對(duì)瀝青建筑材料市場(chǎng)的供應(yīng)量，尤其是新興高性能瀝青建筑材料的需求量也開始增加。

運(yùn)用相關(guān)的物理學(xué)理論和化學(xué)特性，能夠?qū)λ酁r青材料進(jìn)行改造，從而生成一種新的材料并將其作為道路輔料。同時(shí)，還可以合理利用廢舊的輪胎物料，將其磨碎之后充分?jǐn)嚢?，并在高溫條件下加入瀝青混凝土材料中，這樣不僅可以增強(qiáng)瀝青混凝土在鋪路過(guò)程中的柔韌度，還能吸附瀝青混凝土材料中的油蠟，從而提高瀝青混凝土鋪路材料的耐高溫性，實(shí)現(xiàn)對(duì)于瀝青的改性，提高鋪路瀝青混凝土材料的抗老性能，提高其彈力。對(duì)比傳統(tǒng)的鋪路材料水泥瀝青而言，這種方式不僅能夠提高道路的柔韌度，還能緩解道路反光的情況，提高行車的舒適度，同時(shí)還能提高道路的安全性，降低3～8dB的噪音，相當(dāng)于降低了30%～40%的道路車流速，改善了道路的機(jī)械性質(zhì)，并延長(zhǎng)了道路的使用壽命。所以，本文對(duì)膠粉改性瀝青的研究，將產(chǎn)生巨大的理論作用與工程意義[1]。

1 膠粉改性瀝青的試驗(yàn)內(nèi)容

1997年，ASTM（美國(guó)聯(lián)邦建筑材料與測(cè)試聯(lián)合會(huì)）將橡皮瀝青料（AsphaltRubber，簡(jiǎn)稱為AR）界定為由瀝青料、可回收的輪胎膠粉末以及一些添加劑混合而成的膠結(jié)料，其橡膠成分占總數(shù)的15%以上，并需要橡皮顆粒和熱瀝青料的完全化學(xué)反應(yīng)形成熱溶脹。國(guó)外對(duì)膠粉改造瀝青涂料長(zhǎng)達(dá)20余年的應(yīng)用結(jié)果也顯示，與一般的水泥瀝青料相比，橡皮水泥瀝青料具備了耐高熱變形、耐低溫裂縫、防止熱反射裂紋的產(chǎn)生、持久性較好等優(yōu)勢(shì)。而改性的膠粉摻入量，也是影響橡皮水泥瀝青料特性的一項(xiàng)主要因素。

其他各國(guó)也對(duì)橡皮水泥瀝青料中的膠粉摻入量有相似規(guī)定。主要對(duì)各種膠粉摻雜度的橡膠瀝青進(jìn)行了特性測(cè)試，并分析了各種比例的橡膠粉對(duì)摻雜度橡膠瀝青特性的影響。

1.1 材料的選擇

此次試驗(yàn)主要選擇AH-70作為鋪路材料，選擇廢舊車胎的重新加工改性膠粉作為改進(jìn)劑。瀝青材料在高溫條件下升溫至160oC，然后把膠粉按比例逐漸摻入瀝青料中并連續(xù)攪拌，攪拌時(shí)間為10min，瀝青材料在這一過(guò)程中發(fā)生改性，然后將其放入高速剪切乳化機(jī)中，在經(jīng)過(guò)200oC、5000r/min長(zhǎng)達(dá)一個(gè)小時(shí)的處理過(guò)程中，進(jìn)一步加熱并排出氣泡，而后再根據(jù)既有規(guī)定制成試模。經(jīng)過(guò)檢測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改性瀝青在高溫條件下的穩(wěn)定性、抗裂特性、抗老化特性更強(qiáng)，同時(shí)還具有更好的彈性復(fù)原性，并具備感溫特性[2]。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)上述試驗(yàn)條件可以得出，不同的膠粉摻雜度下橡膠瀝青的針入度數(shù)值，在生產(chǎn)要求和改性膠粉細(xì)化性能基本不變的情況下，會(huì)隨著廢胎膠粉摻雜量的增加而升高，膠瀝青軟化點(diǎn)也呈現(xiàn)遞增。在5oC的延度下，與普通的硫化橡膠瀝青相比，脫硫橡膠瀝青的溫度變化規(guī)律要平穩(wěn)得多。而通過(guò)對(duì)試驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，膠瀝青料的軟化點(diǎn)遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青，這表明，相對(duì)瀝青料的高溫特性，硫化橡膠粉具有更顯著的溫度提高效果。這主要是因?yàn)?，在不同增味劑的共同作用下，硫化膠粉的熱穩(wěn)定性能良好，而粒子的膠分子則呈現(xiàn)出交聯(lián)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這有助于改善瀝青料的熱穩(wěn)定性能。膠粉劑量的增大，能夠制造出質(zhì)量更好的改性瀝青，從而獲得良好的改造效果。也就是說(shuō)，一方面膠微粒結(jié)與瀝青料分子融合后數(shù)量增多，另一方面也會(huì)增加瀝青料中空隙網(wǎng)狀構(gòu)造（瀝青質(zhì)的膠體與溶脹的橡膠粉）的概率。因此，由上述分析能夠發(fā)現(xiàn)，隨著膠粉劑量的增加，無(wú)論增加40%還是60%，軟化點(diǎn)上升的勢(shì)頭都會(huì)逐漸變緩。當(dāng)橡膠瀝青的摻入量超過(guò)20%時(shí)，軟化點(diǎn)到達(dá)最高值，而當(dāng)摻入量上升到25%時(shí)，橡膠瀝青的軟化點(diǎn)卻會(huì)降低[3]。

2 試驗(yàn)結(jié)果

以橡膠粉中不同的摻適量比例（5%，10%，15%，20%，25%）對(duì)瀝青進(jìn)行改性，其試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 膠粉瀝青試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可知，體積摻量-針入度：在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)瀝青中加入了改進(jìn)劑，瀝青的針入度會(huì)隨著廢膠或胎粉量的提高而發(fā)生變化，當(dāng)膠粉摻度較低時(shí)，瀝青料比較硬，但有的瀝青料則比較軟，這與瀝青料的種類有重要關(guān)系。當(dāng)膠粉摻度較高時(shí)，橡膠合成瀝青料會(huì)隨著膠粉用量的增加而逐漸軟化，這是由于膠粉吸附了聚合物瀝青料中的油分，在溶脹后仍均勻地排布于聚合物瀝青料中，從而導(dǎo)致聚合物瀝青料的整體軟化。

外加劑摻量-黏度：黏度是橡膠瀝青料最主要的特點(diǎn)，黏度較高的瀝青混凝土料在荷載作用下，形成了較小的剪切強(qiáng)度變化，彈力復(fù)原性能較好，這與水泥瀝青混料的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性相關(guān)。從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，黏度變化與水泥瀝青混料的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性規(guī)律顯然大于針入量和軟化點(diǎn)指數(shù)。由這一指標(biāo)可以看出，膠粉的添加可以明顯提高瀝青料的黏度，并且由于摻雜量的增加，橡膠瀝青的黏度也會(huì)迅速增加。

摻量-軟化點(diǎn)：此次試驗(yàn)所選擇的AH-70型瀝青，經(jīng)過(guò)添加車胎廢料后，軟化點(diǎn)增加，耐高溫性能有所提高，感溫特性發(fā)生了改變。具體來(lái)說(shuō)，在膠粉摻量達(dá)到15%左右時(shí)，瀝青的軟化點(diǎn)發(fā)生了變化，溫度提高了7.9%；當(dāng)溫度達(dá)到60oC時(shí)，黏度大大提高，且軟化點(diǎn)在此時(shí)達(dá)到了8oC；當(dāng)膠粉摻量繼續(xù)提高到15%以上時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)的增長(zhǎng)幅度都逐漸減小。

外加劑摻量-延度：就試驗(yàn)結(jié)果而言，大部分材料的延度值保持在20～35，小于基質(zhì)瀝青。但是也可以看到，外加劑摻量對(duì)延度的作用比較明顯，隨著摻度的提高，延度也逐漸上升，但總體的變化幅度較小。

附加劑摻量-針入度指數(shù)：附加劑摻量-針入度在10%～20%期間，針入度指數(shù)的改變較為強(qiáng)烈，當(dāng)膠粉摻雜量超過(guò)20%時(shí)，針入度指數(shù)值基本固定。而路面瀝青料的針入度指數(shù)應(yīng)在溫度值系數(shù)范圍內(nèi)，因此，道路膠粉混入量必須以5%～15%的針入度指數(shù)來(lái)滿足此要求。

摻量-柔韌性修補(bǔ)：廢膠胎粉本身就是一種優(yōu)良的柔韌建筑材料，瀝青混凝土柔韌恢復(fù)力量的增強(qiáng)，能夠減輕負(fù)載效應(yīng)的殘余變化，從而減少對(duì)路面的損害。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于提高了廢膠胎粉的摻量，瀝青的彈力恢復(fù)速率也得以提高。

摻量-短期老化：從覆膜電烘焙前后的針入度對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，橡膠瀝青電烘焙后的針入度均超過(guò)了70%，其烘箱后的膠水泥瀝青黏度也提高了，變軟點(diǎn)也比基質(zhì)水泥瀝青少，這表明，膠混凝土瀝青的抗變老力比基體水泥瀝青強(qiáng)[4]。

摻量-當(dāng)量脆點(diǎn)：試驗(yàn)證明，將當(dāng)量脆點(diǎn)作為評(píng)判瀝青結(jié)合料在低溫下抗裂特性的重要指標(biāo)是合理的，這使得使用過(guò)程當(dāng)中的性能提高。

2.1 膠粉的摻量及對(duì)橡膠瀝青低溫延度的影響

根據(jù)上述的試驗(yàn)條件，可以得出不同膠粉摻雜度下橡膠瀝青的最大延度數(shù)值。當(dāng)增加了廢胎膠粉后，經(jīng)由變化分析可以發(fā)現(xiàn)，由于膠粉摻雜量的增大，橡膠瀝青的5oC延度曲線出現(xiàn)了顯著改變。這表明，相比基質(zhì)瀝青，橡膠瀝青的低溫特性有了顯著提高。在橡膠瀝青的5oC延度下，當(dāng)膠粉摻雜率超過(guò)20%時(shí)，基本滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這主要是因?yàn)樵诨旌虾腿苊浀牟襟E中，由于膠顆粒吸收了基質(zhì)瀝青料中的部分，導(dǎo)致瀝青料在一定溫度下發(fā)脆的特性顯著下降，從而提高了膠黏結(jié)構(gòu)中溶膠的濃度，延緩了裂縫的出現(xiàn)。

2.2 廢胎膠粉摻雜量對(duì)橡膠瀝青韌性恢復(fù)程度的影響

按照以上的試驗(yàn)要求和數(shù)據(jù)分析，可以得出各種膠粉摻雜度下橡膠瀝青的彈力恢復(fù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)廢胎膠粉的添加情況可以看到，不同膠粉摻雜度的選擇能夠提高瀝青的彈性恢復(fù)性能。在溶脹過(guò)程中，改性橡膠粉吸附了瀝青中的輕質(zhì)部分，這一方面是因?yàn)閺U胎膠粉的添加改變了瀝青膠體的分子結(jié)構(gòu)，另一方面是因?yàn)榱蚧z粉本身產(chǎn)生了高彈的化學(xué)特性，導(dǎo)致基質(zhì)瀝青中高分子數(shù)目的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)濃度也有所提高，從而提高了其彈性恢復(fù)性能。同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)的變化可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膠粉摻量在15%～20%時(shí)，對(duì)彈性的恢復(fù)是最有用的。而且，其彈性恢復(fù)性能會(huì)隨著廢胎膠粉的摻量增長(zhǎng)而呈上升狀態(tài)，當(dāng)膠粉摻量超過(guò)15%時(shí)，彈性恢復(fù)滿足要求。但是，彈性恢復(fù)指標(biāo)卻在膠粉摻量超過(guò)20%及以上時(shí)，出現(xiàn)了下滑。

2.3 膠粉的摻量對(duì)橡膠瀝青布氏旋轉(zhuǎn)黏度的影響

根據(jù)上述的試驗(yàn)條件，可以得出不同膠粉摻雜度下橡膠瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度數(shù)值。通過(guò)橡膠瀝青的布氏黏度變化情況可以看出，摻量較低，處于10%～15%時(shí)，布氏黏度相差不大，但其會(huì)隨著膠粉摻入量的增加而逐漸升高，在膠粉摻入量較大時(shí)，布氏黏度的上升幅度也較為明顯。這是由于在較高的攪拌溫度下，較低膠粉摻雜度的橡膠瀝青更接近基質(zhì)瀝青的特性，有著明顯的牛頓流體特性，因此黏度值較低、差別較小，而膠粉的20%摻雜度與25%摻雜度的橡膠瀝青的布氏黏度值差異也不大。

通過(guò)試驗(yàn)可得，在膠粉與瀝青質(zhì)量百分比達(dá)到15%時(shí)，改性瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)穩(wěn)定，基本性能滿足要求：黏度有所提高，且抗高溫性能在175～185oC之間，初壓溫度在165～170oC之間；改性瀝青的針入度下降，當(dāng)量脆點(diǎn)下降，而軟點(diǎn)、黏度和當(dāng)量變軟點(diǎn)有所提高，這說(shuō)明改性瀝青的高溫特性、低溫特性得以提高，同時(shí)PI值增加，感溫性能更好。

當(dāng)前，改性瀝青已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于鋪路工程中，成為一種新興的材料。它不僅可持續(xù)清潔，還能夠?qū)χ苓叚h(huán)境產(chǎn)生積極作用，節(jié)約施工成本，減少鍋爐噪音，提高駕駛性能。

3 結(jié)語(yǔ)

在橡膠瀝青材料的制造和運(yùn)送過(guò)程中，儲(chǔ)存時(shí)間是一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題。由于膠粉和瀝青料等高分子材料的分子鏈不一致，導(dǎo)致相互間不相溶。再加上膠粉的前后加量很大（15%～20%），增加了膠粉瀝青材料的黏稠度，使膠粉和水泥瀝青料更容易發(fā)生混凝土離析，從而產(chǎn)生了裝載、搬運(yùn)的問(wèn)題。但總體來(lái)說(shuō)，由于膠粉摻雜程度的提高，橡膠瀝青混凝土材料的性能也會(huì)更好，當(dāng)膠粉摻雜度在15%以下時(shí)，所改性的橡膠瀝青混凝土材料的性能基本可以達(dá)到國(guó)家交通運(yùn)輸部推薦的標(biāo)準(zhǔn)。但當(dāng)膠粉摻雜程度超過(guò)20%甚至更高時(shí)，橡膠瀝青混凝土材料的性能會(huì)發(fā)生改變，但不明顯。從施工技術(shù)的可行性考慮，15%～25%的膠粉摻雜度是相對(duì)科學(xué)、合理的范圍，具體可以根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)在施工項(xiàng)目中進(jìn)行預(yù)測(cè)試來(lái)確定，從而得到技術(shù)性能優(yōu)異的橡膠瀝青料，并盡量保持其優(yōu)秀的特性，使其在道路施工過(guò)程中得到更好的應(yīng)用和發(fā)展。