過(guò)氧化氫活化橡膠瀝青工藝參數(shù)優(yōu)化研究

李士才

(中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司 北京 101300)

1 引言

甜永高速公路是銀百高速公路(G69)的一部分，其主要采用半剛性基層結(jié)構(gòu)路面，半剛性基層瀝青路面雖具有較高的承載能力和較大剛度，但在其運(yùn)營(yíng)期間容易發(fā)生反射裂縫等問(wèn)題，因此采用加鋪橡膠瀝青應(yīng)力吸收層來(lái)避免出現(xiàn)大面積的反射裂縫，以提升道路行車(chē)的穩(wěn)定性。在鋪設(shè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，橡膠瀝青的粘度高，膠粉表面活性低，不易與瀝青發(fā)生反應(yīng)，而且膠粉與瀝青混溶時(shí)溫度需達(dá)到200℃，極易造成瀝青的老化，同時(shí)橡膠瀝青在高溫下難以存儲(chǔ)，易離析，阻礙了橡膠瀝青在路面工程中大范圍的應(yīng)用。因此，急需一種穩(wěn)定高效的橡膠瀝青制備方法來(lái)提高瀝青與膠粉的相容性。

相關(guān)研究表明，提高橡膠瀝青性能，改善瀝青與膠粉相容性的關(guān)鍵是將膠粉進(jìn)行活化處理。Shatanawi等經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)熱水處理膠粉后，膠粉與瀝青的相容性有所提高，但對(duì)其力學(xué)性能基本無(wú)影響[1]。尤鳳兵等采用低溫等離子體對(duì)膠粉進(jìn)行活化處理，發(fā)現(xiàn)低溫等離子體可以促進(jìn)共混，并且活化后高低溫性能均有不同程度的改善[2]。王夏等發(fā)現(xiàn)采用汽油對(duì)膠粉進(jìn)行活化后，能夠顯著提高橡膠瀝青的低溫抗裂性[3]。Cheng等將相容劑與膠粉首先進(jìn)行預(yù)處理，再采用雙螺桿擠出方式進(jìn)行制備橡膠瀝青，發(fā)現(xiàn)能夠顯著提高其存儲(chǔ)穩(wěn)定性[4]。目前，膠粉活化方式按照其改性機(jī)理可以分為物理法、化學(xué)法和力學(xué)法[5]，所以必須考慮到活化方式的成本問(wèn)題。在橡膠瀝青的推廣應(yīng)用中，有必要提出更加高效、廉價(jià)的活化改性方式，并改善橡膠瀝青的穩(wěn)定性和路用性能。

本文按照現(xiàn)有的拌和參數(shù)，擬采用3種不同比例的H2O2溶液對(duì)膠粉進(jìn)行活化，研究溶液比例對(duì)活化后膠粉改性瀝青的表面形貌、粘度、粘彈性和抗變形能力的影響，確定合理的膠粉活化參數(shù)，以期提高活化橡膠瀝青的路用性能。

2 原材料及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

2.1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青選用韓國(guó)SK＃，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[6]檢測(cè)，指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 SK90＃A級(jí)瀝青技術(shù)指標(biāo)

2.1.2 膠粉

采用40目膠粉，其產(chǎn)地為酒泉榮泰橡膠制品有限公司，按照《橡膠瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)指南》[7]要求對(duì)膠粉技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，技術(shù)指標(biāo)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 橡膠粉的物理及化學(xué)技術(shù)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 廢輪胎膠粉的活化

有相關(guān)研究表明，采用過(guò)氧化氫(H2O2)溶液處理廢輪胎膠粉時(shí)，會(huì)在膠粉表面生成一些能夠增加膠粉和瀝青界面結(jié)合強(qiáng)度的含氧官能團(tuán)，這些官能團(tuán)會(huì)使得橡膠瀝青的性能發(fā)生變化[8]，本研究所采用的過(guò)氧化氫(H2O2)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，按照不同質(zhì)量比對(duì)廢胎膠粉進(jìn)行活化。

將干燥潔凈的膠粉與H2O2溶液按照質(zhì)量比進(jìn)行混合，在常溫下充分反應(yīng)24 h，最后將活化后的膠粉置于80℃的烘箱中進(jìn)行干燥，直至重量不再發(fā)生變化，膠粉與H2O2溶液質(zhì)量比如表3所示。

表3 H2O2溶液與膠粉質(zhì)量比

2.2.2 活化廢舊膠粉改性瀝青的制備

加熱基質(zhì)瀝青，取500 g放入燒杯中備用。整個(gè)制備過(guò)程中采用DF-101S恒溫油浴鍋進(jìn)行控溫，首先將裝有瀝青樣品的燒杯放入190℃的油浴鍋進(jìn)行快速升溫，當(dāng)溫度達(dá)到140℃時(shí)，在攪拌的同時(shí)加入活化膠粉100 g，而后提高攪拌速率直至達(dá)到1 500 r/min，保持此反應(yīng)條件60 min，即制得活化橡膠瀝青。

2.2.3 橡膠瀝青老化

根據(jù)規(guī)范要求的方法，對(duì)試樣進(jìn)行短期老化。

2.2.4 橡膠瀝青流變?cè)囼?yàn)

(1)布氏旋轉(zhuǎn)粘度

按照規(guī)范要求，使用Brookfield DV-2T旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試試樣。

(2)動(dòng)態(tài)剪切流變(DSR)

采用AR1500EX動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)不同膠粉含量的改性瀝青進(jìn)行多重應(yīng)力蠕變實(shí)驗(yàn)和溫度掃描(MSCR)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 活化對(duì)膠粉顆粒的影響

采用H2O2溶液處理廢輪胎膠粉，活化反應(yīng)完成后，將其烘干，分別隨機(jī)取出活化前后的膠粉顆粒樣品，通過(guò)SEM進(jìn)行觀察，膠粉顆粒的表面形貌直接影響膠粉與瀝青的融合效果，表面形貌如圖1、圖2所示。

圖1 活化前膠粉顆粒形貌

圖2 活化后膠粉顆粒形貌

明顯可以看出，活化前膠粉顆粒表面非常平整，顆粒間相互獨(dú)立，接觸面相對(duì)較少，這種分布方式極大地限制了膠粉在瀝青中的均勻分散?；罨竽z粉顆粒表面變得疏松多孔，各膠粉顆粒表面互相交聯(lián)接觸，接觸面積顯著增大，這種結(jié)構(gòu)在剪切攪拌作用下能夠使活化膠粉顆粒很容易在瀝青中均勻分散，從而提高瀝青與膠粉的相容性。

3.2 不同溶液比例對(duì)瀝青粘度的影響

將制備的3種活化橡膠瀝青和1種普通橡膠瀝青分別進(jìn)行短期老化，用以模擬橡膠瀝青在生產(chǎn)、運(yùn)輸和攤鋪過(guò)程中的老化現(xiàn)象。采用布氏粘度儀分別測(cè)試普通橡膠瀝青和活化橡膠瀝青的原樣和短期老化的粘度，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 橡膠瀝青老化前后粘度的影響

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)活化后，橡膠瀝青的粘度降幅能夠達(dá)到60%以上，并且其粘度隨著溶液含量的增加逐漸降低，但在溶液比例為0.5和1時(shí)粘度變化較小，當(dāng)溶液比例達(dá)到1.5時(shí)，活化橡膠瀝青粘度降低到原來(lái)的4.5%，粘度過(guò)低，不建議采用。其次兩類(lèi)瀝青在經(jīng)過(guò)短期老化后粘度產(chǎn)生了不同的變化趨勢(shì)，普通橡膠瀝青老化后粘度降低，而活化后橡膠瀝青在經(jīng)過(guò)短期老化后粘度有不同程度的提高。造成上述現(xiàn)象的原因是，普通的橡膠瀝青在老化過(guò)程中同時(shí)存在瀝青輕質(zhì)組分的揮發(fā)和膠粉顆粒的繼續(xù)溶脹兩種現(xiàn)象，老化初期膠粉顆粒的繼續(xù)溶脹反應(yīng)高于瀝青輕質(zhì)組分的揮發(fā)，兩種反應(yīng)對(duì)橡膠瀝青粘度的綜合作用使得短期老化后普通橡膠瀝青粘度減小[9]；而H2O2活化膠粉粘度增加是因?yàn)榛罨竽z粉表面呈膨松狀形成細(xì)小絮狀結(jié)構(gòu)，接觸面增加，能夠在橡膠瀝青制備階段就充分溶脹降解，幾乎不會(huì)發(fā)生繼續(xù)溶脹反應(yīng)，因此在進(jìn)行短期老化作用過(guò)程中，主要是輕質(zhì)組分的揮發(fā)，這就造成短期老化后橡膠瀝青的粘度增大。

3.3 不同溶液比例對(duì)瀝青抗車(chē)轍能力的影響

相位角的大小代表著瀝青中粘彈組分所占的比例，其值越大，瀝青粘性越大，反之彈性越大，粘性越小[10－11]。因此采用相位角來(lái)比較不同活化程度的橡膠瀝青的粘彈性變化，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 不同溶液比例下橡膠瀝青相位角

由圖4可知，老化前和老化后的四種試樣相位角均在45°～90°之間，說(shuō)明試樣更多地表現(xiàn)為粘性體，隨著溫度的增加瀝青結(jié)合料的相位角逐漸增大，彈性減小粘度增大。隨著溶液比例的增加，相位角達(dá)到最大值，當(dāng)溶液比例為1.0時(shí)，相位角又減小，溶液比例再次增加時(shí)，相位角再次增加，但仍小于溶液比例為0.5時(shí)的相位角。

常用車(chē)轍因子(G*/sinδ)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料的高溫抗車(chē)轍性能[12－13]，其值越大，就認(rèn)為其高溫抗車(chē)轍能力越好，對(duì)老化前后8種橡膠瀝青瀝青采用剪切流變?cè)囼?yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 不同溶液比例下橡膠瀝青車(chē)轍因子

由圖5得到，未老化的橡膠瀝青隨著溶液比例的增加，橡膠瀝青的車(chē)轍因子逐漸降低，且隨著比例的增加，降低幅度相差不大，活化后橡膠瀝青的高溫抗車(chē)轍能力逐漸降低，老化后車(chē)轍因子變化規(guī)律也類(lèi)似。此外，老化前后的橡膠瀝青車(chē)轍因子在同一溫度下的差值隨著溫度的增加而降低，說(shuō)明溫度越高，由短期老化引起的橡膠瀝青高溫抗車(chē)轍能力的變化越小。

3.4 不同溶液比例對(duì)瀝青抗變形能力的影響

為了模擬行車(chē)荷載作用下橡膠瀝青路用性能的變化規(guī)律，本研究采用多重應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)，分別對(duì)4種不同比例溶液的橡膠瀝青施加3.2 kPa和0.1 kPa的應(yīng)力，得到了不同比例溶液活化橡膠瀝青的平均應(yīng)變恢復(fù)率和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，如圖6、圖7所示。

圖6 不同溶液比例的橡膠瀝青平均應(yīng)變恢復(fù)率

圖7 不同溶液比例的橡膠瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?/p>

當(dāng)應(yīng)力水平為3.2 kPa時(shí)，隨著H2O2溶液比例的增加，橡膠瀝青的平均應(yīng)變恢復(fù)率逐漸減小，在應(yīng)力水平為0.1 kPa時(shí)，平均應(yīng)變恢復(fù)率有著相似的規(guī)律。其中在應(yīng)力水平為3.2 kPa下，H2O2溶液比例從0.5增加到1.0時(shí)，橡膠瀝青的平均應(yīng)變恢復(fù)率變化不大。此外，在不同的行車(chē)應(yīng)力作用下，平均應(yīng)變恢復(fù)率減小幅度隨H2O2溶液的比例的增加而增大，抗變性能力越小，恢復(fù)的彈性變形占總變形的比例越小。綜合來(lái)看，當(dāng)活化橡膠瀝青時(shí)溶液比例為0.5時(shí)，活化后橡膠瀝青具有較好的恢復(fù)率，其高溫彈性相對(duì)較高，彈性恢復(fù)變形占比較大。

由圖7可知，不可恢復(fù)柔量與恢復(fù)率所表示的高溫彈性和抗變形能力基本一致。經(jīng)活化后，不可恢復(fù)柔量均表現(xiàn)為增加。在不同應(yīng)力水平下，隨著溶液比例的增加，其不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恳搽S之增加，說(shuō)明活化橡膠瀝青恢復(fù)程度隨之減小，瀝青永久變形累積增加。此外，在不同應(yīng)力水平下，H2O2溶液比例越大，活化后橡膠瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭龇斤@著。綜合來(lái)看，當(dāng)活化橡膠瀝青時(shí)溶液比例為0.5時(shí)，具有較高的抗永久變形能力。

4 效益分析

通過(guò)全文的比較分析，發(fā)現(xiàn)溶液比例最佳為0.5，將活化后的橡膠瀝青應(yīng)用在甜永高速公路上后，對(duì)其成本、粘度、相容性、路用性能和施工難度進(jìn)行比較評(píng)價(jià)，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 活化前后橡膠瀝青對(duì)比

相比傳統(tǒng)橡膠瀝青，活化提升了膠粉與瀝青的相容性，活化后橡膠瀝青能夠極大程度地降低瀝青粘度，減小施工難度與能源的消耗。此外在成本上只增加了改性劑的費(fèi)用，大約增加150～200元/t，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，活化后橡膠瀝青提高了其路用性能，與普通橡膠瀝青相比，具有較好的彈性恢復(fù)能力，使得活化后橡膠瀝青具有良好的抗反射裂縫的性能。同時(shí)，活化后的橡膠瀝青可以降低施工拌和溫度，能夠減少由于生產(chǎn)和施工引起的周邊環(huán)境破壞，同時(shí)促進(jìn)了橡膠瀝青的推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

(1)H2O2活化方式能夠解決現(xiàn)有工程中采用橡膠瀝青施工時(shí)粘度高、相容性差的問(wèn)題，同時(shí)活化后能夠在一定程度上提高橡膠瀝青的路用性能。

(2)綜合考慮H2O2溶液對(duì)橡膠瀝青各性能的影響，確定最佳活化比例為0.5?；罨笙鹉z瀝青粘度較低，能夠降低施工難度，且具有良好的抗反射裂縫能力。

(3)未活化膠粉顆粒表面比較平整，活化后膠粉顆粒表面變得蓬松，更易與瀝青發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)相容性也隨之提高。

(4)相比普通的橡膠瀝青，活化后成本雖有所增加，但是其減少了施工難度和成本，同時(shí)也促進(jìn)了橡膠瀝青在工程建設(shè)中的推廣與應(yīng)用。