以石蠟為溫拌劑的橡膠溫拌瀝青流變性能研究

曹芳

(湖北隨岳南高速公路有限公司， 湖北 監(jiān)利 433300)

將橡膠應(yīng)用于道路中不僅可以改善瀝青混合料的路用性能，同時能夠緩解因日益增加的橡膠廢棄料導(dǎo)致的環(huán)境污染，橡膠瀝青優(yōu)異的路用性能亦使之成為瀝青路面的首選膠結(jié)料之一。

但橡膠的加入顯著提高了瀝青的黏度，而黏度是表征瀝青路用性能的一個重要技術(shù)指標，需要嚴格控制。為了保證橡膠瀝青在施工時具有較好的流動性，橡膠瀝青的制備溫度通常在180 ℃以上。橡膠的加入對瀝青混合料的拌和溫度與施工溫度提出了更高的要求，這不僅加大了燃料消耗，同時加大了攤鋪與壓實難度，成為制約橡膠瀝青推廣應(yīng)用的主要難題。因此，近年來，國內(nèi)外學(xué)者不斷地開發(fā)、尋找合適的材料和技術(shù)降低橡膠瀝青的黏度。

溫拌橡膠瀝青由于其優(yōu)異的抗疲勞性能、高溫穩(wěn)定性、抗車轍能力及環(huán)保性能，被廣泛地應(yīng)用于道路建設(shè)領(lǐng)域。目前常用的溫拌劑為Sasobit，大量研究發(fā)現(xiàn):Sasobit不僅可以顯著提高瀝青的工作性能，還可以提高瀝青的高溫性能，因此Sasobit是目前最受歡迎的溫拌劑之一。Sabobit實際上是一種固體合成蠟，因此也被稱作蠟型溫拌劑。蠟型溫拌劑Sabobit與石蠟不同，Sasobit的熔點約為100 ℃，比石蠟的熔點高50%左右。已有部分研究者將石蠟加入到基質(zhì)瀝青中研究其對基質(zhì)瀝青的路用性能及微觀性能的影響。Alireza Samieadel等將石蠟用作瀝青的一種溫拌劑加入到PG 64-22基質(zhì)瀝青中，并研究了石蠟對基質(zhì)瀝青流變性能的影響，揭示了兩者的作用機理，探究了石蠟作為基質(zhì)瀝青溫拌劑的可行性。但目前，鮮有學(xué)者將石蠟作為橡膠瀝青的溫拌劑，并探究石蠟對橡膠瀝青性能的影響。

基于此，該文分別將石蠟和Sasobit加入到橡膠瀝青中，通過布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗評價石蠟和Sasobit對橡膠瀝青的降黏效果，并通過溫度掃描試驗、多重應(yīng)力恢復(fù)蠕變試驗和低溫彎曲梁試驗，對比揭示石蠟和Sasobit的加入對橡膠瀝青的高溫性能和低溫性能的影響。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

該文采用70#A級道路石油瀝青，其基本技術(shù)性質(zhì)指標如表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標

選取40目的橡膠顆粒制備橡膠瀝青，其基本性質(zhì)如表2所示。

表2 橡膠顆粒的基本性質(zhì)

該文所用石蠟和Sasobit兩種溫拌劑的基本指標對比如表3所示。

表3 Sasobit的基本指標

1.2 改性瀝青的制備

采用布魯克高速剪切儀，在176 ℃的溫度下，以4 000 r/min的速度將15%的橡膠顆粒和基質(zhì)瀝青剪切混合后獲得橡膠瀝青，剪切時間一共為1 h。在此基礎(chǔ)上分別加入1.5%石蠟或3%Sasobit溫拌劑，再在160 ℃、2 000 r/min的條件下剪切30 min制得石蠟-橡膠溫拌瀝青與Sasobit-橡膠溫拌瀝青。同時，在相同條件下，制備了橡膠瀝青與基質(zhì)瀝青。

2 石蠟對橡膠瀝青黏度的影響

采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀，在135、175 ℃試驗溫度下，開展Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度試驗，用以評價石蠟和Sasobit對橡膠瀝青工作性能的影響。根據(jù)135 ℃和175 ℃下的表觀黏度確定黏溫曲線，Brookfield黏度測試通常用于評估可加工性并確定瀝青結(jié)合料的合適混合及壓實溫度。根據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求，所有瀝青的135 ℃黏度不得大于3 Pa·s，在此基礎(chǔ)上，瀝青的黏度越大，說明瀝青材料所需的混合和壓實溫度越高，工作性能越差。

依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，對該文所用4種瀝青進行旋轉(zhuǎn)黏度試驗，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同溫度下4種瀝青的布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗結(jié)果

由圖1可知：Sasobit和石蠟都可以顯著降低橡膠瀝青的表觀黏度，在135 ℃和175 ℃的溫度下，石蠟-橡膠瀝青的黏度相較于橡膠瀝青而言分別降低了48.7%、26.1%；Sasobit-橡膠瀝青的黏度相較于橡膠瀝青而言分別降低了51.3%、34.8%；兩種試驗溫度下，石蠟-橡膠瀝青皆與Sasobit-橡膠瀝青的黏度相近。結(jié)果表明:石蠟對橡膠瀝青工作性能的改善效果與Sasobit溫拌劑相近，石蠟摻入顯著提升了橡膠瀝青的工作性能，究其原因主要是因為石蠟的熔點遠低于瀝青，故石蠟的摻入降低了橡膠瀝青的黏度。

3 石蠟對橡膠瀝青高溫流變性能的影響

3.1 溫度掃描試驗

為了揭示石蠟在不同溫度條件下對橡膠瀝青黏彈特性的影響，根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，采用MCR-301型動態(tài)剪切流變儀，對4種瀝青在64、70、76、82 ℃共4個溫度下開展溫度掃描試驗，記錄瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和相位角(δ)，采用車轍因子(G*/sinδ)評價瀝青的高溫流變性能。

瀝青的車轍因子越大，表明瀝青產(chǎn)生車轍病害的可能性越小，即抗車轍性能越好。圖2為4種瀝青的車轍因子計算結(jié)果。

圖2 不同溫度下4種瀝青的抗車轍因子試驗結(jié)果

由圖2可知：橡膠瀝青、石蠟-橡膠瀝青和Sasobit-橡膠瀝青的車轍因子均遠遠大于基質(zhì)瀝青，表明三者的抗永久變形性能顯著好于基質(zhì)瀝青；而3種橡膠瀝青中，Sasobit-橡膠瀝青的車轍因子最大，其次是橡膠瀝青，石蠟-橡膠瀝青的車轍因子最小，Sasobit提高了橡膠瀝青的高溫性能而石蠟的加入使得橡膠瀝青的高溫性能略有下降。另外，隨著溫度的升高，橡膠瀝青、Sasobit-橡膠瀝青和石蠟-橡膠瀝青的車轍因子逐漸接近，在82 ℃的溫度下，3種橡膠瀝青的車轍因子仍然大于1 kPa，滿足規(guī)范要求，而基質(zhì)瀝青為70～76 ℃時就已經(jīng)達到規(guī)范要求的限值。

3.2 多重應(yīng)力恢復(fù)蠕變(MSCR)試驗

根據(jù)美國ASTM-D7405開展多重應(yīng)力恢復(fù)蠕變試驗(MSCR)，以進一步探究石蠟對橡膠瀝青高溫流變性能的影響。對經(jīng)短期老化處理的4種瀝青進行多重應(yīng)力恢復(fù)蠕變(MSCR)試驗，獲得瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅和恢復(fù)率R兩個參數(shù)，用以評價瀝青的高溫抗車轍性能。不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅是指10個加載卸載循環(huán)中，瀝青發(fā)生的不可恢復(fù)的那部分應(yīng)變與應(yīng)力(0.1 kPa或3.2 kPa)的比值的均值；而恢復(fù)率R是指瀝青恢復(fù)的應(yīng)變與對應(yīng)的總應(yīng)變的比值的均值。J越大，表明瀝青的抗永久變形能力越好，R越大代表瀝青的彈性部分越多。

為了保證試驗結(jié)果的可比性，4種瀝青均在64 ℃的溫度下完成MSCR試驗。選用的試驗板的直徑為25 mm，試驗板和振蕩板之間的間隙為1 mm，即瀝青樣品為一直徑25 mm、高1 mm的圓柱體。在測試的每個循環(huán)中，施加蠕變載荷1 s，然后在64 ℃下恢復(fù)9 s。每個樣品經(jīng)受10個循環(huán)，其蠕變應(yīng)力為0.1 kPa；經(jīng)歷10個循環(huán)，其蠕變應(yīng)力為3.2 kPa，重復(fù)上述步驟。4種瀝青在0.1、3.2 kPa應(yīng)力水平下的J和R試驗結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 4種瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅

圖4 4種瀝青的恢復(fù)率R

由圖3、4可知：不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅值由小到大的排序為：Sasobit-橡膠瀝青<橡膠瀝青<石蠟-橡膠瀝青<基質(zhì)瀝青，恢復(fù)率R的排序正好相反。這說明，無論是在0.1 kPa低應(yīng)力水平還是3.2 kPa高應(yīng)力水平作用下，4種瀝青的抗永久變形能力排序是一致的，且與溫度掃描的結(jié)果一致。與基質(zhì)瀝青相比，在0.1 kPa低應(yīng)力水平下橡膠瀝青、Sasobit-橡膠瀝青和石蠟-橡膠瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃糠謩e降低了95.3%、98.3%和93.9%，恢復(fù)率分別提高了12.0倍、14.7倍和12.5倍。因此，3種橡膠瀝青的高溫性能較基質(zhì)瀝青而言有顯著提升。這是因為橡膠瀝青具有較大的彈性，瀝青在受到荷載作用產(chǎn)生變形后，橡膠顆粒的存在使得其能夠恢復(fù)大部分彈性變形，而僅有一小部分殘留的塑性變形。

另外，石蠟的加入提高了橡膠瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，降低了恢?fù)率，而Sasobit降低了橡膠瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，提高了恢?fù)率，兩者表現(xiàn)出相反的影響，表明Sasobit可以提高橡膠瀝青的高溫抗車轍性能，石蠟會略微降低橡膠瀝青的高溫抗車轍性能，但石蠟-橡膠瀝青的高溫性能仍優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

4 石蠟對橡膠瀝青低溫流變性能的影響

為了揭示石蠟對橡膠瀝青低溫流變性能的影響，根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，采用彎曲梁流變儀，對4種瀝青在-24、-18、-12 ℃3個溫度下開展低溫彎曲梁試驗(BBR)，通過試驗獲取蠕變勁度(S)和蠕變速率(m值)兩個指標綜合評價瀝青的低溫流變性能，4種瀝青的BBR試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 4種瀝青的BBR試驗結(jié)果

根據(jù)AASHTO-T313，瀝青在任意溫度等級下的蠕變勁度小于等于300 MPa，并且蠕變速率大于等于0.3時，被判定為在該溫度下合格。在合格的前提下，蠕變勁度越小，蠕變速率越大，表明瀝青的低溫抗裂性越好。由圖5可知：基質(zhì)瀝青和石蠟-橡膠瀝青在-18 ℃下均已失效，因此不宜在-18 ℃及以下的環(huán)境下使用。在-12 ℃的溫度下，橡膠瀝青的蠕變勁度明顯低于基質(zhì)瀝青，表明橡膠可以顯著提高基質(zhì)瀝青的低溫性能，而Sasobit和石蠟兩種溫拌劑的加入增加了橡膠瀝青的蠕變勁度值，降低了橡膠瀝青的低溫性能，這可能是因為Sasobit和石蠟的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度。在-12 ℃條件下，Sasobit-橡膠瀝青和石蠟-橡膠瀝青的低溫性能仍然好于基質(zhì)瀝青，較基質(zhì)瀝青而言，Sasobit-橡膠瀝青的蠕變勁度降低了35.8%，石蠟-橡膠瀝青的蠕變勁度降低了27.5%。

5 結(jié)論

為了探究石蠟作為橡膠瀝青溫拌劑的可行性，并與常用的Sasobit溫拌劑制備的橡膠瀝青進行比較，該文通過開展旋轉(zhuǎn)黏度試驗、溫度掃描試驗、多重應(yīng)力恢復(fù)蠕變試驗和低溫彎曲梁試驗，對比揭示基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青、Sasobit-橡膠瀝青和石蠟-橡膠瀝青的工作性能和流變性能。得到以下結(jié)論：

(1) 石蠟和Sasobit均可以顯著降低橡膠瀝青的黏度，提高橡膠瀝青的工作性能，有利于降低橡膠瀝青的拌和溫度和壓實溫度。

(2) Sasobit進一步提高了橡膠瀝青高溫性能，但降低了橡膠瀝青的低溫性能。而石蠟會略微降低橡膠瀝青的高溫性能和低溫性能，但橡膠瀝青優(yōu)良的高低溫性能可以彌補這一不足，加入石蠟后的橡膠瀝青仍然具有較好的高溫性能和低溫性能。

(3) 石蠟可以在保證橡膠瀝青的高溫抗車轍性能和低溫抗裂性能良好的前提下，大幅度降低橡膠瀝青的黏度，提高其工作性能，因此，石蠟是一種可行的橡膠瀝青溫拌劑材料。