超高摻量膠粉改性瀝青性能

蔡 斌，余功新，李彥偉，薛善光

(1. 河北省交通規(guī)劃設計院 交通運輸行業(yè)公路建設與養(yǎng)護技術材料及裝備研發(fā)中心，河北 石家莊 050000；2. 長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引 言

瀝青材料憑借其優(yōu)良的路用性能，在高等級路面上已經(jīng)取得了廣泛應用，但基質瀝青低溫易脆裂，高溫易流淌，嚴重縮短了瀝青路面使用壽命。摻加膠粉不僅能改善瀝青高低溫性能、抗變形能力、耐久性等路用性能[1-2]，還可以回收利用廢舊輪胎，減少“黑色垃圾”對環(huán)境污染，實現(xiàn)廢舊輪胎的資源化利用[3]。目前國內外膠粉改性瀝青研究與應用中膠粉摻量集中于20%左右，崔亞楠等[4-5]選擇SBS改性瀝青和摻量為18%的膠粉改性瀝青，從宏觀角度對比分析了老化對改性瀝青微觀結構和疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)膠粉表面網(wǎng)狀結構能夠很好地吸附瀝青，其老化前后疲勞性能、高溫性能均優(yōu)于SBS改性瀝青；黃衛(wèi)東等[6-7]采用美國Terminal Blending無攪拌潤濕工藝，制備了摻量為20%的TB膠粉改性瀝青，綜合針入度、軟化點、延度、存儲穩(wěn)定性和黏度等指標對比分析了TB膠粉改性瀝青與普通橡膠瀝青性能，發(fā)現(xiàn)TB工藝能夠促進膠粉完全溶于瀝青，TB膠粉改性瀝青存儲穩(wěn)定性及流動性均優(yōu)于普通橡膠瀝青；N. S. MASHAAN等[8]研究了膠粉摻量對改性瀝青性能的影響，發(fā)現(xiàn)膠粉摻量是影響改性瀝青流變性能的主要因素，高摻量膠粉改性瀝青粘度較大，降低了改性瀝青的流動性。

隨著膠粉改性瀝青應用推廣，加大膠粉摻量并提升膠粉改性瀝青性能成為了國內外學者研究的熱點[9-10]，S. J. LIU[11]研究了膠粉摻量、膠粉細度和材料共混溫度對膠粉改性瀝青滲透性與彈塑性，綜合考慮膠粉改性瀝青的滲透性、延展性和彈性恢復率等方面，推薦了膠粉改性瀝青最佳制備工藝參數(shù)(共混溫度為180 ℃、膠粉摻量為25%、膠粉顆粒尺寸為60目)；董瑞琨等[12]制備了膠粉摻量為30%的高溫裂解膠粉改性瀝青，基于5 ℃延度試驗、差示掃描量熱試驗和低溫彎曲梁流變試驗，發(fā)現(xiàn)適當延長加工時間、提高加工溫度在一定程度上提升了膠粉改性瀝青的低溫延展性，但也加速了膠粉改性瀝青老化；王新強等[13-14]制備了高摻量(30%)膠粉改性瀝青混合料，基于動態(tài)模量試驗、車轍試驗、低溫彎曲試驗和疲勞試驗，系統(tǒng)評價了高摻量膠粉改性瀝青路面的動態(tài)黏彈特性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性，發(fā)現(xiàn)高摻量膠粉改性瀝青路面具有良好的路用性能；楊三強等[15]為解決高摻量膠粉與瀝青相容性問題，采用熱重試驗、掃描電鏡試驗和紅外光譜試驗研究了不同摻量的膠粉改性瀝青微觀性能，發(fā)現(xiàn)高溫造成瀝青中輕質組分揮發(fā)，降低了高摻量膠粉改性瀝青的相容性，活性聚合劑可在一定程度上降低高摻量膠粉改性瀝青黏度和改善膠粉分布形態(tài)。由此可見，膠粉改性瀝青研究開始從常規(guī)摻量膠粉改性瀝青向高摻量膠粉改性瀝青過渡，但是關于超高摻量膠粉改性瀝青的研究鮮有報道。

為此，選取70#基質瀝青與30目廢舊輪胎膠粉，提高膠粉摻量至占瀝青質量40%(超高摻量)，確定膠粉改性瀝青最佳制備工藝，制備超高摻量與常規(guī)摻量(占瀝青質量20%)膠粉改性瀝青，基于瀝青常規(guī)試驗測試膠粉改性瀝青針入度軟化點、延度及老化性能指標，采用動態(tài)剪切流變試驗(DSR)和彎曲梁流變試驗(BBR)明確膠粉改性瀝青PG分級性能，通過材料拉伸試驗研究膠粉改性瀝青黏韌性，采用熱重分析儀(TGA)、熒光顯微鏡和掃描電鏡(SEM)技術揭示膠粉改性瀝青的微觀結構，為超高摻量膠粉改性瀝青的推廣應用奠定基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

選用京博70# A級道路瀝青、定州增力膠粉有限公司生產(chǎn)的30目膠粉，其參數(shù)指標如表1～表2[16-17]。軟化油為鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)，采用塑解劑(超高摻量膠粉改性瀝青專用)作為降黏劑，石油樹脂(超高摻量膠粉改性瀝青專用)作為補強劑。SBS為LG501，實驗室自制交聯(lián)劑。

表1 70#基質瀝青技術指標Table 1 Technical indicators of 70# matrix asphalt

表2 路用廢胎膠粉化學技術指標Table 2 Chemical technical indexes of waste tire rubberpowder %

1.2 制備工藝

采用電熱爐加熱70# A級瀝青，電動攪拌器勻速攪拌，當瀝青加熱至140 ℃時，依次加入SBS、DOP、石油樹脂(超高摻量膠粉改性瀝青專用)和塑解劑(超高摻量膠粉改性瀝青專用)，升溫至185 ℃時，加入膠粉(膠粉摻量占瀝青質量20%時為100 g，膠粉摻量占瀝青質量40%時為260 g)，繼續(xù)加熱至190～200 ℃時保持溫度攪拌30～50 min，以保證膠粉充分溶脹；然后使用高速剪切乳化實驗機進行高速剪切，剪切速率為7 000 rpm，剪切時間為8～10 min，剪切完畢后，加入交聯(lián)劑攪拌5 min，然后繼續(xù)剪切8～10 min，剪切速率為7 000 rpm，剪切完畢即制得超高摻量膠粉改性瀝青[18]。

1.3 試驗方法

采用薄膜烘箱加熱老化試驗(TFOT)和壓力老化試驗(PAV)，試驗測試膠粉改性瀝青的抗老化性能[19]；采用動態(tài)剪切流變試驗[20]和彎曲梁流變試驗分析超高摻量與常規(guī)摻量膠粉改性瀝青的高低溫性能；基于材料拉伸試驗測試膠粉改性瀝青的拉伸強度和斷裂伸長，評價膠粉改性瀝青的黏韌性能；在180 ℃環(huán)境下，采用熱重分析儀、熒光顯微鏡試和掃描電鏡研究膠粉改性瀝青的微觀性能，分析膠粉在瀝青中的分布形態(tài)。

2 超高摻量膠粉改性瀝青路用性能

2.1 超高摻量膠粉改性瀝青基本性能

為確定超高摻量膠粉改性瀝青基本性能，分別測試摻量為20%和40%的膠粉改性瀝青針入度、延度、離析軟化點差以及老化性能等指標，試驗結果如表3。

由表3可知：與常規(guī)膠粉改性瀝青相比，超高膠粉改性瀝青針入度和延度大大提升，180 ℃旋轉黏度增幅不大(整體小于4.0 Pa·s)，這是由于石油樹脂內含有C=C鍵，可在一定程度上增加改性瀝青黏度，導致超高摻量的膠粉改性瀝青黏度增大，此外，由于超高摻量膠粉改性瀝青在保留部分膠粉彈性核心的基礎上，多余膠粉被降解，材料體系交聯(lián)密度減小，在塑解劑作用下部分膠粉恢復天然橡膠屬性，使得膠粉改性瀝青體系變軟、韌性增強，導致與常規(guī)摻量膠粉改性瀝青相比，超高摻量膠粉改性瀝青黏度增幅不大。

表3 膠粉改性瀝青性能Table 3 Performance of rubber powder modified asphalt

與基質瀝青相比，常規(guī)摻量膠粉與超高摻量膠粉改性瀝青的軟化點大幅提升，這是瀝青中的芳烴油被膠粉和SBS溶脹吸收，引起其膠質與瀝青質含量相對較高，軟化點升高；超高摻量膠粉改性瀝青軟化點略小于常規(guī)摻量膠粉改性瀝青，這是因為多余部分的膠粉吸收了更多的瀝青輕質組分，石油樹脂改善了SBS中硬嵌段與瀝青的相容性，增強了SBS、膠粉與瀝青三者的網(wǎng)狀結構，一定程度上提升了超高摻量膠粉改性瀝青軟化點。

超高摻量膠粉改性瀝青彈性恢復有所降低，這是因為石油樹脂側鏈內的剛性分子增加了改性瀝青的低溫脆性，同時芳烴油含量減少，使得復合改性瀝青體系的溶脹程度降低，超量部分膠粉降解使膠粉改性瀝青開始由硬質彈性體向軟質塑性體轉變，彈性恢復性能下降；超高摻量膠粉改性瀝青離析軟化點差明顯低于常規(guī)摻量膠粉改性瀝青，這是由于超量部分膠粉降解后的小顆粒與瀝青相容，膠粉改性瀝青由熱力學不穩(wěn)定體系逐步轉變?yōu)闊崃W亞穩(wěn)定體系，使得膠粉改性瀝青存儲穩(wěn)定性顯著改善。

對比分析膠粉改性瀝青老化性能指標，超高摻量膠粉改性瀝青老化后質量損失更小，低溫延度更大，這是由于在高速剪切過程中大量膠粉中C=C鍵被打開與瀝青反應形成新的穩(wěn)定交聯(lián)結構，一定程度上提高了膠粉改性瀝青的抗老化能力。綜合考慮膠粉改性瀝青老化性能指標，超高摻量膠粉改性瀝青抗老化性能優(yōu)于常規(guī)摻量膠粉改性瀝青。

2.2 超高摻量膠粉改性瀝青PG分級性能

傳統(tǒng)的針入度、延度指標只能反映某一溫度下瀝青高低溫性能，具有一定局限性[21]。為系統(tǒng)掌握膠粉改性瀝青高低溫性能，基于動態(tài)剪切流變試驗和彎曲梁流變試驗測試膠粉改性瀝青高低溫抗變形能力，確定膠粉改性瀝青PG分級，具體結果如表4。

由表4可知：超高摻量膠粉改性瀝青老化前后的車轍因子(G*/sin)均略小于常規(guī)摻量膠粉改性瀝青，這是由于在塑解劑作用下超高摻量膠粉改性瀝青中大量膠粉降解導致材料彈性增加，強度降低，從而使得膠粉改性瀝青結合料高溫抗車轍能力較弱；瀝青疲勞因子(G*sinδ)達到5 000 kPa的越低，說明材料的抗疲勞性能越好，表4中超高摻量膠粉改性瀝青疲勞極限溫度較常規(guī)摻量膠粉改性瀝青低6 ℃，表明超高摻量膠粉改性瀝青抗疲勞性能優(yōu)于常規(guī)摻量膠粉改性瀝青。

表4 膠粉改性瀝青PG分級性能Table 4 PG grading performance of rubber modified asphalt

超高摻量膠粉改性瀝青勁度模量為常規(guī)摻量膠粉改性瀝青1/2左右，且超高摻量膠粉改性瀝青蠕變速率更高，說明超高摻量膠粉改性瀝青低溫開裂幾率較小，具有較強的低溫抗開裂能力，這說明塑解劑作為降黏劑摻入瀝青體系中提高了膠粉改性瀝青的應力松弛能力，增強了材料體系的低溫性能。因此，相比常規(guī)摻量膠粉改性瀝青，超高摻量膠粉改性瀝青高溫性能略有下降，但其低溫性能和抗疲勞性能得到顯著改善。

2.3 超高摻量膠粉改性瀝青黏韌性

為確定膠粉改性瀝青黏韌性能，選擇京博70#基質瀝青、摻量為20%和40%的膠粉改性瀝青分別進行拉伸試驗，測試材料斷裂伸長和拉伸強度，結果如圖1。

圖1 不同摻量膠粉改性瀝青黏韌性Fig. 1 Viscosity of asphalt modified with different content ofrubber powder

由圖1可知：超高摻量膠粉改性瀝青斷裂伸長為98 mm，常規(guī)摻量膠粉改性瀝青斷裂伸長不足其1/2，表明提高膠粉摻量顯著改善膠粉改性瀝青延展性，大大減少材料拉伸過程中的應力集中現(xiàn)象，因此超高摻量膠粉改性瀝青具有較高的柔韌性。對比常規(guī)摻量膠粉改性瀝青材料拉伸強度，超高摻量膠粉改性瀝青拉伸強度僅占其61.1%，這是由于摻加適量塑解劑導致超高摻量膠粉改性瀝青中多余部分膠粉被降解，材料剛度下降。對比3種瀝青膠結料黏韌性曲線，隨膠粉摻量增加，改性瀝青材料韌性由0.8 N·m提升至6.6 N·m，韌性占黏韌性比重由30.8%增大至88.0%，這表明瀝青膠結料由黏性材料逐步向韌性材料轉變。

3 超高摻量膠粉改性瀝青微觀性能

3.1 熱重分析

熱重分析是在程序控溫下，測量材料質量隨時間(或溫度)的變化關系[22]，常用于研究材料的熱穩(wěn)定性和組分[23-24]。為確定膠粉改性瀝青熱穩(wěn)定性，選擇70# 基質瀝青、摻量為20%和40%的膠粉改性瀝青分別在180 ℃下進行熱重分析，具體測試結果如圖2。

由圖2可知：70# 基質瀝青、常規(guī)摻量與超高摻量膠粉改性瀝青在180 ℃下加熱2 h，其質量損失分別為6.0%、4.7%和3.3%，這部分損失主要是材料表面吸附的水分子蒸發(fā)、瀝青與膠粉中低沸點物質(以飽和分為主)揮發(fā)和瀝青及改性瀝青中部分成分氧化分解失重。改性瀝青在熱環(huán)境中的質量損失隨著膠粉摻量增加而減小，這是由于大量膠粉溶脹吸收瀝青體系中更多的輕質組分，降低了體系中游離的低沸點輕質組分含量，也說明膠粉、SBS改性劑與瀝青之間存在一定的物理化學反應，生成了一種熱穩(wěn)定性良好的結構體系。

圖2 180 ℃下不同摻量膠粉改性瀝青質量損失Fig. 2 The quality loss of modified asphalt with different content ofrubber powder at 180 ℃

3.2 熒光顯微鏡分析

熒光顯微技術是基于改性劑與瀝青在熒光光源下顏色差異的原理，觀測改性劑在瀝青中的形態(tài)結構[25-26]。為明晰SBS顆粒在膠粉改性瀝青中的分布形態(tài)以及膠粉顆粒與瀝青相容性，選擇膠粉摻量為20%和40%的改性瀝青進行熒光顯微鏡試驗，SBS、膠粉顆粒在熒光照射下分別呈現(xiàn)白色和黑色，瀝青因無熒光性而無法顯示，膠粉改性瀝青熒光顯微鏡圖像如圖3。

由圖3可知：瀝青為連續(xù)相，膠粉改性瀝青中SBS顆粒分布較為均勻，這是由于SBS吸收了瀝青中的輕質組分，發(fā)生溶脹，使得SBS顆粒粒徑減小，分布更為均勻，其中SBS較大顆粒粒徑可達11 μm，而較小顆粒粒徑不足5 μm，SBS改性劑以棒狀長條狀為主，并沒有形成連續(xù)相，其在一定程度上提升膠粉改性瀝青力學性能。整個熒光圖中膠粉顆粒分布較為均勻，極少數(shù)顆粒粒徑大于10 μm，且由于熒光顯微鏡制樣局限性，只能觀測到極小一片區(qū)域，因此熒光圖中沒有出現(xiàn)較大的膠粉顆粒。與常規(guī)摻量膠粉改性瀝青熒光圖像相比，同等放大倍數(shù)下，由于超高摻量膠粉改性瀝青中加入了塑解劑，增加了復合材料體系中的輕質油分，多余部分膠粉顆粒充分溶脹，提高了膠粉與瀝青的相容性，使得超高摻量膠粉改性瀝青中膠粉在局部區(qū)域分布更為均勻。

圖3 膠粉改性瀝青熒光圖像(1 000倍)Fig. 3 Fluorescence image of rubber powder modified asphalt(1 000 times)

3.3 掃描電鏡分析

掃描電鏡較光學顯微鏡具有更高的放大倍數(shù)，圖像更具立體感[27]，其已在工程領域得到廣泛應用。為對比超高摻量與常規(guī)摻量膠粉改性瀝青中膠粉分布區(qū)別，選擇膠粉摻量為40%與20%的改性瀝青進行掃描電鏡試驗，獲得膠粉改性瀝青試樣微觀表面形態(tài)圖像，如圖4。

由圖4可知：常規(guī)摻量膠粉改性瀝青中存在較多大顆粒膠粉，表明常規(guī)摻量膠粉在瀝青中的分布不均勻性，增加膠粉改性瀝青應力集中斷裂幾率，嚴重降低膠粉改性瀝青彎拉強度；而超高摻量膠粉改性瀝青由于添加塑解劑使得部分膠粉降解溶于瀝青，改善了膠粉與瀝青的相容性，增大了超量膠粉在材料中的均勻性，提高膠粉與瀝青緊密結合程度，顯著提高了超高摻量膠粉改性瀝青存儲穩(wěn)定性；至于超高摻量膠粉改性瀝青中少量膠粉大顆粒，這應是塑解劑用量偏少或試樣制備過程中受到的影響。

圖4 膠粉改性瀝青掃描電鏡圖像(1 000倍)Fig. 4 SEM image of rubber powder modified asphalt (1 000 times)

4 結 論

1)針對目前膠粉改性瀝青中膠粉摻量較低問題，基于提高膠粉改性瀝青性能和加大廢舊膠粉利用率及材料優(yōu)選原理，選取70# 基質瀝青與30目廢舊輪胎膠粉等原材料，優(yōu)化膠粉改性瀝青制備工藝，在此基礎上制備了40%超高摻量膠粉改性瀝青。

2)由膠粉改性瀝青基本性能試驗發(fā)現(xiàn)，膠粉摻量由20%提高至40%，但其180 ℃旋轉黏度增幅不大；超高摻量膠粉改性瀝青老化后質量損失小于常規(guī)摻量膠粉改性瀝青，且老化后5 ℃延度較大，說明超高摻量膠粉改性瀝青具有良好的流變性、延展性和抗老化性能。

3)由動態(tài)剪切流變試驗和彎曲梁蠕變試驗確定超高摻量膠粉改性瀝青性能等級為PG 88-34，其G*sinδ<5 MPa所對應溫度較常規(guī)摻量膠粉改性瀝青低6 ℃，勁度模量僅為常規(guī)摻量膠粉改性瀝青的1/2，且蠕變速率較高，表明超高摻量膠粉改性瀝青抗疲勞性能和低溫抗裂性均優(yōu)于常規(guī)摻量膠粉改性瀝青，但高溫抗車轍能力略差。

4)熱重曲線顯示超高摻量膠粉改性瀝青熱穩(wěn)定性是常規(guī)摻量膠粉改性瀝青的1.42倍。熒光顯微鏡和掃描電鏡圖像表明，部分膠粉被降解為細小顆粒溶于瀝青，改善了超高摻量膠粉在瀝青中的分布形態(tài)，提高了超高摻量膠粉改性瀝青存儲穩(wěn)定性。

5)主要對超高摻量膠粉改性瀝青的路用性能進行了全面研究和評價，分析了超高摻量膠粉改性瀝青的微觀結構，但尚未考慮SBS、膠粉顆粒和瀝青相互作用影響。因此，在后續(xù)研究中將對SBS/超高摻量膠粉復合改性瀝青作用機理和性能展開深入研究。