膠粉摻量對橡膠改性瀝青低溫性能的影響

王衛(wèi)雷，馬 柱，李大為，張家偉

（1.浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州310030；2.廣州大象超薄路面技術(shù)開發(fā)有限公司，廣東 廣州510000；3.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市200092）

0 引 言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，膠粉改性瀝青已成為僅次于SBS改性瀝青的一種主要改性瀝青。采用橡膠粉對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，既可以有效提高瀝青的路用性能，又可以充分利用廢舊橡膠輪胎，多年來一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1]。

對于橡膠改性瀝青的研究，目前主要集中于高溫性能和疲勞性能方面，一般認(rèn)為，橡膠改性瀝青混合料具有優(yōu)異的高溫與疲勞性能[2]。李波等[3]研究了膠粉對瀝青高溫性能影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)廢舊橡膠粉加入瀝青后，橡膠改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能顯著提高，因此其抗車轍變性能力通常很高。在疲勞性能方面，膠粉的加入使得瀝青變黏變彈，因此膠粉改性瀝青混合料的疲勞性能非常優(yōu)異。黃衛(wèi)東[4]通過四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)，評價(jià)了膠粉改性瀝青混合料的疲勞特性，結(jié)果顯示高瀝青用量下橡膠改性瀝青混合料的疲勞性能顯著優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。同時(shí)其疲勞自愈合效果也十分良好[5]。

一般認(rèn)為，膠粉的加入對瀝青的低溫性能也有所改善，陳子建[6]分析了濕拌法橡膠改性瀝青的反應(yīng)機(jī)理,發(fā)現(xiàn)橡膠粉與瀝青之間的反應(yīng)既有物理反應(yīng)也有化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)過程有利于提高瀝青的低溫性能。孫雪偉等[7]研究了橡膠改性瀝青的低溫延度，發(fā)現(xiàn)膠粉摻量、反應(yīng)時(shí)間、基質(zhì)瀝青以及拉伸速率對橡膠改性瀝青膠結(jié)料低溫延度影響較為明顯。目前對于改性瀝青的低溫性能評價(jià)，主要有5℃延度、SHRP低溫PG分級、低溫流變性能等指標(biāo)，其中低溫PG分級采用瀝青的低溫彎曲梁流變(BBR)試驗(yàn)來完成，是國內(nèi)外比較主流的評價(jià)指標(biāo)，可以較好地區(qū)分瀝青的低溫性能。

本研究通過BBR試驗(yàn)，研究不同膠粉摻量下橡膠改性瀝青的低溫PG分級結(jié)果，同時(shí)分析膠粉摻量的影響。實(shí)際生產(chǎn)中，為了提升膠粉的用量，一般也會在橡膠改性瀝青中摻加一定量的SBS，因此本研究的另一個方面是分析膠粉摻量對膠粉復(fù)合SBS改性瀝青低溫性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用ESSO70#瀝青作為基礎(chǔ)瀝青，膠粉選用江陰產(chǎn)0.6 mm膠粉，由廢舊輪胎胎頂加工而成，橡膠粉技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 廢輪胎橡膠粉技術(shù)指標(biāo)

橡膠改性瀝青的制備方法如下：首先將基質(zhì)瀝青加熱到185℃并不斷攪拌，以內(nèi)摻方式分別添加5%、10%、15%、17%、18%、19%、20%共7種摻量的橡膠粉，而后攪拌1 h，即可制備完成。

對于膠粉復(fù)合SBS改性瀝青，目前工程中[8]比較常用的是復(fù)合2%SBS。本研究選用膠粉復(fù)合2%SBS改性瀝青。首先將基質(zhì)瀝青加熱至185℃，以外摻形式加入2%SBS，攪拌0.5 h，而后分別以內(nèi)摻方式加入5%、10%、15%和18%共4種摻量的膠粉，繼續(xù)攪拌1 h，即可制備出膠粉復(fù)合SBS改性瀝青。橡膠改性瀝青和膠粉復(fù)合SBS改性瀝青的基本指標(biāo)見表2、表3。

表2 不同摻量橡膠改性瀝青的基本指標(biāo)

表3 不同摻量膠粉復(fù)合S BS改性瀝青的基本指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

本研究采用低溫彎曲梁流變(BBR)試驗(yàn)來評價(jià)瀝青的低溫性能，所用設(shè)備為CANNON產(chǎn)BBR彎曲梁流變儀。試驗(yàn)按照規(guī)范ASTM D6648進(jìn)行，將經(jīng)過PAV老化的瀝青樣品澆入內(nèi)壁涂有潤滑劑的小梁模具中，制備127 mm×12.7 mm×6.35 mm瀝青小梁試件，同種瀝青平行試驗(yàn)2組。完成后放入已設(shè)置好試驗(yàn)溫度的BBR無水乙醇浴槽內(nèi)脫模并保溫1 h后進(jìn)行試驗(yàn)。采集并記錄小梁試件的跨中撓度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)，并在240 s時(shí)停止加載、進(jìn)行卸載。

根據(jù)加載過程中8 s、15 s、30 s、60 s、120 s、240 s的BBR彎曲梁流變儀數(shù)據(jù)，按式（1）計(jì)算瀝青小梁試件的彎曲蠕變勁度模量S（t）：

式中：P為跨中加載力；L為跨徑；b為小梁試件的寬度；h為小梁試件的厚度；δ（t）為t時(shí)刻小梁試件的跨中撓度。

同時(shí)配套軟件會自動對雙對數(shù)坐標(biāo)下的l g S（t）和l g t根據(jù)二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合：

式中：A、B、C為回歸參數(shù)，由擬合得到。

對應(yīng)地將m值定義為l g S（t）與l g t關(guān)系曲線上切線斜率的絕對值，即蠕變速率，以此來表征瀝青的低溫變形和應(yīng)力消散能力。取用經(jīng)過PAV老化的瀝青樣品60 s時(shí)的S和m值作為評價(jià)指標(biāo)，以彎曲蠕變勁度模量S不超過300 MPa、蠕變速率m不小于0.3為控制指標(biāo)，通過線性插值法得到早期開裂溫度T，記為低溫PG分級溫度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同摻量橡膠改性瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果

對不同摻量橡膠改性瀝青進(jìn)行BBR測試。分別對-12℃、-18℃和-24℃條件下的瀝青小梁試件進(jìn)行測試，并根據(jù)測試結(jié)果計(jì)算出對應(yīng)的彎曲蠕變勁度模量S與蠕變速率m，結(jié)果如表4所示。

表4 不同摻量橡膠改性瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，對于同種橡膠改性瀝青，溫度越低，其彎曲蠕變勁度模量S值越大，表明瀝青逐漸變硬，而蠕變速率m值逐漸降低，說明瀝青的低溫變形以及應(yīng)力消散能力逐漸降低。隨著膠粉摻量的增加，相同溫度橡膠改性瀝青的低溫彎曲蠕變勁度模量S值逐漸降低，表明瀝青逐漸變軟，而對應(yīng)的蠕變速率m值逐漸增加，說明橡膠改性瀝青的低溫變形能力逐漸增強(qiáng)。

為了更好地展現(xiàn)隨著膠粉摻量變化，橡膠改性瀝青的低溫彎曲蠕變勁度模量S以及蠕變速率m的變化規(guī)律，將-18℃條件下的彎曲蠕變勁度模量S以及蠕變速率m繪制成柱狀圖，如圖1所示。

圖1 不同摻量橡膠改性瀝青的BBR試驗(yàn)結(jié)果（-18℃）

由圖1可知，隨著膠粉摻量的增加，橡膠改性瀝青的彎曲蠕變勁度模量S值逐漸下降，并且膠粉摻量越高，下降效果越明顯。當(dāng)膠粉摻量達(dá)17%時(shí)，其彎曲蠕變勁度模量S值約為基質(zhì)瀝青的47%，而當(dāng)膠粉摻量增加至20%時(shí)，其彎曲蠕變勁度模量S值僅為基質(zhì)瀝青的31%。蠕變速率m值也呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，說明膠粉摻量的增加，有助于提升橡膠瀝青的低溫變形以及應(yīng)力消散能力。

2.2 不同摻量橡膠改性瀝青低溫P G分級

不同摻量橡膠改性瀝青的低溫PG分級結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，隨著膠粉摻量的增加，橡膠改性瀝青的低溫PG分級逐漸降低，說明瀝青的低溫性能增強(qiáng)。當(dāng)膠粉摻量達(dá)到18%時(shí)，橡膠改性瀝青的低溫PG分級溫度達(dá)到-30.7℃，較基質(zhì)瀝青提高1個PG等級（6℃），說明膠粉對橡膠改性瀝青的低溫性能貢獻(xiàn)很大。

圖2 不同摻量橡膠改性瀝青的低溫P G分級結(jié)果

結(jié)合針入度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)盡管橡膠改性瀝青隨著膠粉摻量的增大越來越稠，趨于硬化，但其低溫性能卻表現(xiàn)得更為優(yōu)異。從而說明針入度指標(biāo)反映出的瀝青軟硬，并不能評價(jià)橡膠改性瀝青的低溫性能。

2.3 不同摻量膠粉復(fù)合S BS改性瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果

不同摻量膠粉復(fù)合SBS改性瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5可知：在-12℃、-18℃和-24℃溫度條件下，瀝青的彎曲蠕變勁度模量S值均隨著膠粉摻量的增加而降低，說明瀝青逐漸變軟，這點(diǎn)與純橡膠改性瀝青的變化規(guī)律一致。比較相同膠粉摻量下的純橡膠改性瀝青與膠粉復(fù)合SBS改性瀝青的BBR試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，加入SBS后，瀝青的低溫彎曲蠕變勁度模量S值略有增加，表明瀝青變硬，然而其蠕變速率m值也增加，說明橡膠改性瀝青的低溫變形以及應(yīng)力消散能力也得以增強(qiáng)。這是由于SBS是一種熱塑性彈性體，在低溫環(huán)境下呈現(xiàn)出脆性，同時(shí)SBS的加入還會在瀝青當(dāng)中形成一種網(wǎng)格化結(jié)構(gòu)，用于增強(qiáng)瀝青的抗變形能力，因而瀝青的蠕變速率m值增加。

表5 不同摻量膠粉復(fù)合S BS改性瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果

為了更好地分析膠粉摻量變化對膠粉復(fù)合SBS改性瀝青低溫性能的影響，選取-18℃條件下膠粉復(fù)合SBS改性瀝青的低溫彎曲蠕變勁度模量S與蠕變速率m進(jìn)行分析，如圖3所示。由圖3可以看出，對于膠粉復(fù)合SBS改性瀝青，隨著膠粉摻量的增加，其低溫彎曲蠕變勁度模量S值逐漸減小，蠕變速率m值增加，說明瀝青逐漸變軟，其低溫變形與應(yīng)力消散能力提升。當(dāng)膠粉摻量從5%增加至18%時(shí)，其低溫彎曲蠕變勁度模量S值的降低幅度約50%，下降幅度顯著，說明SBS的加入使得膠粉對瀝青低溫性能的改善更為顯著。

圖3 不同摻量膠粉復(fù)合S BS改性瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果（-18℃）

2.4 不同摻量膠粉復(fù)合S BS改性瀝青低溫P G分級

不同摻量膠粉復(fù)合SBS改性瀝青的低溫PG分級結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著膠粉摻量的增加，瀝青的低溫PG分級逐漸降低，說明瀝青的低溫性能得到提升。當(dāng)膠粉摻量從5%提升至18%時(shí)，瀝青的低溫PG分級提升約1個等級，說明膠粉對膠粉復(fù)合SBS改性瀝青的低溫性能貢獻(xiàn)很大。

圖4 不同摻量膠粉復(fù)合S BS改性瀝青的低溫P G分級結(jié)果

3 結(jié) 語

（1）隨著膠粉摻量的增加，橡膠改性瀝青的彎曲蠕變勁度模量S值逐漸下降，蠕變速率m值逐漸增加，瀝青逐漸變軟，低溫變形以及應(yīng)力消散能力逐漸提升，低溫性能逐漸提升。當(dāng)膠粉摻量達(dá)到18%時(shí)，橡膠改性瀝青低溫PG分級提升1個等級。

（2）對于膠粉復(fù)合SBS改性瀝青，SBS加入后，其彎曲蠕變勁度模量S值稍有提高，然而蠕變速率m值也增加，說明SBS的加入使得瀝青變硬的同時(shí)，也提升了其低溫變形以及應(yīng)力消散能力。

（3）對于膠粉復(fù)合2%SBS改性瀝青，當(dāng)膠粉摻量從5%增加至18%時(shí)，其低溫彎曲蠕變勁度模量S降低約50%，瀝青的低溫PG分級可提升約1個等級。