維他連接劑（TOR）改善橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性試驗研究

毋存糧， 王笑風， 吳靖江， 胡光勝， 張 永

（1.中國建筑第七工程局有限公司，鄭州 450000； 2.河南省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，鄭州 450000；3.交通運輸行業(yè)公路建設與養(yǎng)護技術(shù)、材料及裝備研發(fā)中心，鄭州，450000）

已有研究成果和工程應用經(jīng)驗表明，橡膠瀝青技術(shù)不僅是實現(xiàn)廢舊輪胎資源化、無害化循環(huán)利用的有效途徑之一，而且具有良好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗疲勞性能、抗老化性能和降噪功能，有助于延長路面使用壽命、節(jié)約維修養(yǎng)護資金、提升道路安全性和舒適性，具有良好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益［1］.

隨著橡膠瀝青技術(shù)在公路工程中的應用范圍和規(guī)模不斷擴大，逐漸發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青易離析、施工溫度高、壓實難度大等制約廢胎膠粉改性瀝青的問題，限制了橡膠瀝青在工程中推廣應用［2］. 近年來，為進一步改善橡膠瀝青的路用性能和施工和易性，改性橡膠瀝青技術(shù)受到眾多科研機構(gòu)和研究人員的關注［3-4］，其中維他連接劑（TOR）是一種常見的改性劑，對橡膠瀝青的技術(shù)指標有明顯的改善效果［5］. 周鑫［6］通過對基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青和TOR橡膠瀝青進行壓力老化、薄膜烘箱加熱老化和紫外光老化三種不同的老化模擬試驗，結(jié)果顯示，TOR對橡膠瀝青的分子結(jié)構(gòu)類型并沒有發(fā)生明顯的影響，且促進了廢膠粉顆粒與瀝青的相容性，進一步改善了橡膠瀝青的高溫性能和低溫性能，且抗車轍性能和抗疲勞性能比橡膠瀝青有所提高. 肖鵬和張欽［7］對不同溶脹時間下的TOR橡膠瀝青和普通橡膠瀝青的黏度、針入度、軟化點和延度進行試驗，結(jié)果表明，與普通橡膠瀝青相比，TOR橡膠瀝青的黏度明顯降低，改善了施工和易性，且在溶脹反應1 h后其黏度大大降低，施工和易性最佳. 張曉亮等［8］對不同膠粉摻量和摻加維他連接劑（TOR）后小轎車輪胎膠粉改性瀝青性能的變化進行研究發(fā)現(xiàn)，TOR的摻加有助于促進廢舊廢胎膠粉在瀝青的溶脹反應，提升橡膠瀝青穩(wěn)定性和瀝青混合料的路用性能，而且對橡膠瀝青ARAC-13級配混合料的路用性能提升明顯優(yōu)于普通瀝青AC-13級配的混合料.

上述相關研究表明，TOR 對橡膠瀝青的技術(shù)指標具有明顯的改善效果，但是對橡膠瀝青存儲穩(wěn)定性的研究相對較少. 本文通過對現(xiàn)場濕法橡膠瀝青（RA）、TOR改性橡膠瀝青（TRA）和工廠化生產(chǎn)的穩(wěn)定橡膠瀝青（FRA）三種不同橡膠瀝青的軟化點、黏度及車轍因子變化情況進行對比研究，從而確定TOR對橡膠瀝青存儲穩(wěn)定性的影響.

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

本文采用70號A級道路石油瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）測試瀝青性能，結(jié)果如表1所示，各項性能均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求.

表1 瀝青性能指標Tab.1 Performance index of asphalt

1.2 廢胎膠粉

所用廢胎膠粉由南京東浩橡膠粉公司提供，細度為40目，相關技術(shù)指標檢測結(jié)果如表2所示，滿足《路用廢胎硫化膠粉》（JT/T 797—2011）的要求.

表2 橡膠粉性能指標Tab.2 Performance index of rubber powder

1.3 維他連接劑（TOR）

維他連接劑（TOR）是一種以丁二烯為原料經(jīng)加工而成的一種具高分子聚合物，全稱為辛烯聚合物橡膠反應劑，其技術(shù)指標測試結(jié)果見表3.

表3 維他連接劑（TOR）技術(shù)指標檢測結(jié)果Tab.3 Test results of technical indexes of the trans-polyoctenamer rubber modifier（TOR）

2 橡膠瀝青加工工藝

本項目所用橡膠瀝青的膠粉摻量均為基質(zhì)瀝青的20%，TOR摻量為橡膠粉質(zhì)量的4.5%［9］，制備工藝完全相同，主要過程如下：

將基質(zhì)瀝青在170 ℃的環(huán)境中加熱2 h后，按確定的比例倒入攪拌容器中，隨后加入相應質(zhì)量的廢胎膠粉或TOR；采用高速剪切設備對混合物進行高速剪切攪拌，攪拌溫度控制在（180±5）℃，攪拌速率控制在為2000～2500 r/min，攪拌時間為60 min；攪拌后放置在（170±3）℃的烘箱中保溫發(fā)育45～60 min，即可制成所需的膠粉橡膠瀝青或TOR橡膠瀝青.

3 橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性試驗及結(jié)果分析

規(guī)范［10］中一般采用軟化點差作為指標對聚合物改性瀝青的存儲穩(wěn)定性進行評價. 但是，橡膠瀝青比傳統(tǒng)的SBS 改性瀝青結(jié)構(gòu)更加復雜，采用單一的軟化點差作為評價指標可能無法對其穩(wěn)定性進行準確評價.因此，試驗過程中將裝有橡膠瀝青試樣的盛樣管和架子一起放入（163±5）℃的烘箱中靜置（48±1）h后，取盛樣管頂部和底部的試樣進行軟化點試驗，同時進行布氏旋轉(zhuǎn)黏度、動態(tài)剪切流變（DSR）試驗，以便根據(jù)軟化點、黏度和車轍因子變化情況對橡膠瀝青的存儲穩(wěn)定性進行綜合評價.

3.1 軟化點差試驗

軟化點是表征瀝青高溫穩(wěn)定性的指標之一，軟化點越高，說明橡膠瀝青等溫黏度越高，高溫穩(wěn)定性越好. 通過測定相同環(huán)境條件下，加熱相同時間的同一盛樣管上部和下部的橡膠瀝青試樣的軟化點，并計算相對應的軟化點差，可以用以評價不同橡膠瀝青的離析情況，具體試驗結(jié)果見表4及圖1所示.

由表4 及圖1 的軟化點離析試驗結(jié)果可得：

圖1 不同橡膠瀝青軟化點差平均值Fig.1 Average values of softening point differences of different rubber asphalt

表4 不同橡膠瀝青軟化點差試驗結(jié)果Tab.4 Results of softening point differences of different rubber asphalt

1）現(xiàn)場濕法橡膠瀝青RA 的軟化點差最大（6.3 ℃），工廠化生產(chǎn)的橡膠瀝青FRA的軟化點差最?。?.0 ℃），TOR改性橡膠瀝青TRA的軟化點差居中（4.6 ℃），初步說明TOR的摻入有助于減輕橡膠瀝青的離析現(xiàn)象，提高橡膠瀝青的存儲穩(wěn)定性.

2）相同的生產(chǎn)工藝和試驗條件下，摻加TOR的橡膠瀝青TRA 的軟化點差比普通橡膠瀝青RA 降低約27%，說明TOR 的加入使得橡膠瀝青的穩(wěn)定性得到明顯提高，這是因為TOR具有雙鍵結(jié)構(gòu)，它可以使膠粉表面的硫元素與基質(zhì)瀝青中瀝青質(zhì)的硫元素相互交聯(lián)形成鏈狀和環(huán)狀聚合物，從而使橡膠瀝青形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以改善橡膠粉與瀝青之間的相容性，提高橡膠瀝青的穩(wěn)定性能.

3.2 黏度差試驗

黏度指標是橡膠瀝青最重要的指標之一，它主要反映橡膠瀝青在荷載作用下抵抗剪切變形的能力，黏度越大，抵抗剪切變形的能力越強，但是隨著橡膠瀝青的黏度增大，瀝青混合料的施工溫度升高，壓實難度增加，施工和易性變差，不便于工程應用. 因此，在工程應用中，為確保橡膠瀝青混合料良好的路用性能和良好的施工和易性，橡膠瀝青的黏度一般控制在1.0～5.0 Pa·s范圍內(nèi)［11］.

基于黏度在橡膠瀝青的路用性能和施工和易性方面的重要意義，本文采用標準的布洛克菲爾德黏度計對三種經(jīng)過離析后的橡膠瀝青試樣在175 ℃下黏度進行試驗，測得上部和下部試樣的布氏黏度，并以黏度差（上下部黏度差的絕對值）作為改性橡膠瀝青儲存穩(wěn)定性的評價指標，試驗結(jié)果如表5，黏度差平均值如圖2所示.

表5 不同橡膠瀝青布氏黏度差試驗結(jié)果Tab.5 Results of Brinell viscosity differences of different rubber asphalt 單位：mPa·s

圖2 橡膠瀝青布氏黏度差平均值Fig.2 Average values of Brinell viscosity differences of rubber asphalt

1）橡膠瀝青在長時間加熱儲存后，都會發(fā)生不同程度的離析現(xiàn)象，盛樣管下部試樣的黏度明顯高于上部，這主要是因為橡膠瀝青發(fā)生離析時，膠粉顆粒在重力作用下向下沉淀，使得下部瀝青中膠粉含量增加，上部瀝青膠粉含量減少，從而使下部橡膠瀝青的黏度增大［12］.

2）三種橡膠瀝青中，普通橡膠瀝青RA 黏度差平均值最大，離析最為嚴重；TOR 改性瀝青TRA 次之，工廠化的穩(wěn)定橡膠瀝青FRA 最小，與軟化點差的試驗結(jié)果一致，進一步說明TOR能夠改善現(xiàn)場濕法橡膠瀝青的存儲穩(wěn)定性.

3）TOR改性瀝青TRA的黏度差比普通橡膠瀝青RA的黏度差減小約63.2%，TOR橡膠瀝青TRA的存儲穩(wěn)定性顯著提升，原因在于普通橡膠瀝青中橡膠粉在瀝青中以物理溶脹為主，化學反應為輔，主要通過膠粉物理溶脹后體積增大來使得橡膠瀝青黏度增加，在長時間存儲時，易發(fā)生離析［13］. TOR 加入后，在橡膠粉發(fā)生溶脹的過程中，借助TOR的雙鍵加劇了膠粉與基質(zhì)瀝青間的化學反應，形成更加穩(wěn)定的環(huán)狀和鏈狀聚合物. 在膠粉物理溶脹和膠粉、TOR、基質(zhì)瀝青三者間的化學反應的雙重作用下，使得橡膠粉與瀝青的相容性得到改善，橡膠瀝青的儲存穩(wěn)定性得以提高.

3.3 動態(tài)剪切流變試驗

熊萍［14］在對SBS 改性瀝青的存儲穩(wěn)定性評價方法進行研究時，通過借鑒美國國家公路合作研究計劃（NCHRP）的LAST法，提出了SBS改性瀝青存儲穩(wěn)定性評價指標離析率Rs，并得出當-0.2≤Rs≤0.2時，改性瀝青儲存穩(wěn)定性合格；超出此范圍時，存儲穩(wěn)定性不合格. 其測定方法為：將加熱后的SBS改性瀝青倒入盛樣筒中，在163 ℃的溫度下靜置72 h，然后分別取頂部1/3處和底部1/3 處的改性瀝青進行動態(tài)剪切流變DSR 試驗，測定車轍因子G*sinδ值，并計算離析率Rs，公式如下：

本文擬采用上述方法，采用車轍因子差和離析率指標對三種橡膠瀝青的穩(wěn)定性情況進行評價. 因此，采用Gemini II ADS 型動態(tài)剪切流變儀對三種橡膠瀝青的車轍因子進行測試，試驗溫度為76 ℃，采用應變控制模式，加載頻率為0.01～16 Hz，試驗儀器如圖3所示，試驗結(jié)果如表6、圖4及圖5所示.

圖3 Gemini II ADS型動態(tài)剪切流變儀Fig.3 Gemini II ADS-type dynamic shear rheometer

圖4 改性橡膠瀝青G* sin δ 差試驗結(jié)果Fig.4 Results of G* sin δ differences of modified rubber asphalt

圖5 改性橡膠瀝青離析率Rs試驗結(jié)果Fig.5 Results of Segregation ratios of modified rubber asphalt

表6 不同橡膠瀝青車轍因子及離析率試驗結(jié)果Tab.6 Results of rutting factors and segregation rates of different rubber asphalt

由表6、圖4及圖5可以看出：

1）在163 ℃的環(huán)境中存儲72 h后，三種橡膠瀝青試樣上部的G*sinδ均明顯小于下部，說明各橡膠瀝青在長時間儲存時，都容易發(fā)生離析，膠粉會在重力作用下向底部聚集，使得下部試樣具有較高的G*sinδ，而上部的G*sinδ相對較低.

2）三種橡膠瀝青的G*sinδ差結(jié)果排序為：RA＞FRA＞TRA，TRA的G*sinδ差最小，F(xiàn)RA的G*sinδ差居中，與前文軟化點差和黏度差的結(jié)果有所不同，原因可能在于工廠化生產(chǎn)的穩(wěn)定橡膠瀝青FRA是經(jīng)過長時間高速剪切和攪拌而形成的穩(wěn)定體系，橡膠粉經(jīng)剪切后粒度變小，但在瀝青中仍以物理溶脹為主，而且膠粉與瀝青間的化學反應也有所增強，短時間（48 h）存儲穩(wěn)定性較好，但長時間（72 h）存儲時，仍然會因膠粉沉淀而發(fā)生離析［15］；TOR改性瀝青TRA中，仍然有一部分橡膠粉在瀝青中發(fā)生溶脹反應，但由于TOR的存在，也大大增加了橡膠粉與瀝青間的化學交互作用，從而使TRA在長時間存儲時，雖然發(fā)生了離析，但離析程度比FRA和RA輕［13］.

3）三種橡膠瀝青的離析率Rs的大小排序為：RA＞FRA＞TRA. 試驗結(jié)果與G*sinδ差試驗結(jié)果一致，說明TOR的加入有助于改善橡膠瀝青的離析狀況，提高長時間熱存儲穩(wěn)定性的效果更明顯.

4 結(jié)論

本文通過對現(xiàn)場濕法橡膠瀝青（RA）、TOR改性橡膠瀝青（TRA）和工廠化生產(chǎn)的穩(wěn)定橡膠瀝青（FRA）三種橡膠瀝青的儲存穩(wěn)定性進行試驗研究，得到如下結(jié)論：

1）橡膠瀝青經(jīng)過較長時間熱儲時，都會發(fā)生不同程度的離析現(xiàn)象，膠粉顆粒在重力作用下向下沉淀，使得橡膠瀝青下部膠粉含量增加，上部膠粉含量減少，從而使下部橡膠瀝青的黏度增大，軟化點提高，黏度增大.

2）經(jīng)過加熱存儲的三種橡膠瀝青中TOR改性橡膠瀝青（TRA）的軟化點差、黏度差和離析率均小于現(xiàn)場濕法橡膠瀝青（RA），說明TOR能夠有效改善橡膠瀝青的存儲穩(wěn)定性.

3）與工廠化生產(chǎn)的穩(wěn)定橡膠瀝青（FRA）相比，在存儲時間為48 h時，TRA的軟化點差和黏度差較大，說明離析程度比FRA嚴重；存儲時間為72 h時，TRA的車轍因子G*sinδ和離析率反而減小，說明離析程度比FRA輕. 因此，當存儲時間較長時，維他連接劑TOR對橡膠瀝青的穩(wěn)定性改善效果更顯著.