膠粉摻量對(duì)橡膠瀝青高溫流變性能的影響分析

廖 蘇，廖江林，袁祖光，黃 巖

(廣西交通投資集團(tuán)百色高速公路運(yùn)營有限公司，廣西 百色 533000)

0 引言

近年來，隨著人均汽車保有量的逐漸增加，大量廢棄輪胎的處理成為一大社會(huì)難題。廢舊輪胎的主要原料是橡膠粉，通過將廢舊輪胎破碎后的橡膠粉摻入基質(zhì)瀝青中，不僅能夠提供一種很好的廢舊輪胎消納方式，還能使基質(zhì)瀝青性能得到一定程度改善。相關(guān)理論研究[1-5]以及許多實(shí)體工程的應(yīng)用已經(jīng)證明，橡膠瀝青是一種環(huán)境友好、高性能的道路工程材料。

目前對(duì)橡膠瀝青的大量研究集中在其作用機(jī)理以及組成配方等方面，而在橡膠瀝青的實(shí)際應(yīng)用中，橡膠粉摻量不僅直接關(guān)系到性能變化，同時(shí)也對(duì)經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生影響。為探究橡膠粉摻量對(duì)瀝青高溫性能的變化，本文采用布什黏度計(jì)和動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)不同摻量橡膠粉制備的橡膠瀝青進(jìn)行性能試驗(yàn)，從流變角度分析橡膠粉摻量變化對(duì)瀝青高溫性能的影響，為后續(xù)相關(guān)橡膠瀝青應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及主要儀器設(shè)備

(1)基質(zhì)瀝青：采用泰普克A-70#道路石油瀝青，其性能指標(biāo)如下頁表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)表

(2)橡膠粉：采用廣西交科新材料科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的30～80目橡膠粉，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 橡膠粉技術(shù)指標(biāo)表

(3)主要儀器設(shè)備：上海弗魯克科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高速剪切乳化機(jī)；美國TA儀器公司生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)剪切流變儀，型號(hào)為DHR-1混合型；美國博勒飛生產(chǎn)的布氏黏度計(jì)，型號(hào)為DV2T。

1.2 制備方法

采用“攪拌+高速剪切”的方法制備橡膠瀝青，先將基質(zhì)瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)，外摻相對(duì)劑量的橡膠粉后以500 rad/min的速度攪拌發(fā)育50 min，再以5 000 rad/min的剪切速率高速剪切2 min，最后以500 rad/min的速度攪拌發(fā)育30 min。整個(gè)瀝青制備過程的加工溫度維持在180 ℃～190 ℃。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

采用外摻法添加橡膠粉，橡膠粉的摻量分別為瀝青質(zhì)量的16%、18%、20%、22%和24%，將制備好的橡膠瀝青分別進(jìn)行以下試驗(yàn)：

(1)采用布氏黏度計(jì)測(cè)定橡膠瀝青在180 ℃下的旋轉(zhuǎn)黏度。

(2)采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行溫度掃描，采用應(yīng)變控制加載模式，加載頻率為10 Hz，掃描溫度為52 ℃～82 ℃。

(3)采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，在60 ℃試驗(yàn)溫度條件下，采用0.1 kPa及3.2 kPa兩個(gè)應(yīng)力水平分別進(jìn)行“加載-卸載”循環(huán)，每個(gè)應(yīng)力水平下加載1 s，卸載9 s，0.1 kPa下重復(fù)20個(gè)周期，3.2 kPa下重復(fù)10個(gè)周期，時(shí)間共計(jì)300 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 黏度試驗(yàn)

SHRP計(jì)劃中推薦采用布氏黏度計(jì)來測(cè)定不同溫度條件下瀝青材料的黏度，并以此來評(píng)價(jià)瀝青混合料的施工性能。但橡膠粉摻入到瀝青后發(fā)生混熔、熔脹、交聯(lián)等反應(yīng)，不同的反應(yīng)溫度會(huì)導(dǎo)致其性能表現(xiàn)出較大的差異，無法進(jìn)行穩(wěn)定評(píng)價(jià)。相關(guān)研究表明，在180 ℃的溫度條件下，橡膠瀝青的性能表現(xiàn)較為穩(wěn)定，因此本文以180 ℃作為控制溫度，測(cè)定不同橡膠粉摻量的橡膠瀝青的黏度變化，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同膠粉摻量條件下橡膠瀝青180 ℃布氏黏度柱狀圖

從圖1可以看出，在180 ℃溫度條件下，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的黏度不斷增加。從數(shù)值上看，橡膠粉摻量在16%與18%時(shí)黏度值較為接近，均接近1 Pa·s；當(dāng)橡膠粉增加至20%時(shí)，黏度值增加近1倍，達(dá)到2 Pa·s左右；橡膠粉摻量增加至22%時(shí)，黏度值相比20%摻量橡膠瀝青增加了40%；而當(dāng)膠粉摻量達(dá)到24%時(shí)，橡膠瀝青的黏度值急劇增長(zhǎng)到近5 Pa·s，已是16%膠粉摻量黏度值的5倍。由此得知，純膠粉改性瀝青主要是通過膠粉在熱瀝青中的混熔、熔脹、交聯(lián)等反應(yīng)促進(jìn)瀝青性能的體系變化，最終導(dǎo)致其黏度增加。結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求及施工經(jīng)驗(yàn)來看，橡膠瀝青的180 ℃布氏黏度值在2.5～3.0 Pa·s的范圍內(nèi)，其施工性能最佳。膠粉摻量<18%時(shí)，橡膠瀝青的黏度值過低，雖然能保證其施工性能，但其經(jīng)濟(jì)性較差，膠粉摻量存在進(jìn)一步提升的空間。膠粉摻量在22%時(shí)的黏度值達(dá)到一個(gè)拐點(diǎn)，能夠在保證施工性能的前提下達(dá)到膠粉最大摻量。而膠粉摻量達(dá)到24%時(shí)，橡膠瀝青的黏度值已超出正常施工范圍，這是因?yàn)槟z粉摻量過多，基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分不足以被膠粉完全吸收，從而導(dǎo)致部分膠粉不能被瀝青所溶解，未溶解的膠粉則以游離顆粒形式存在于瀝青之中，導(dǎo)致瀝青體系黏度的增加。綜合考慮，橡膠粉改性瀝青的橡膠粉摻量建議≤22%。

2.2 溫度掃描試驗(yàn)

車轍因子G*/sinδ是SHRP計(jì)劃中表征抗車轍性能的重要指標(biāo)，通過對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行溫度掃描可以獲取連續(xù)溫度變化條件下的車轍因子變化，以評(píng)價(jià)其抗車轍能力，這也是目前研究瀝青流變性能的常用方法。本文對(duì)不同橡膠粉摻量的橡膠瀝青進(jìn)行溫度掃描，以評(píng)價(jià)其抗車轍能力，具體結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同膠粉摻量條件下橡膠瀝青溫度掃描圖

從圖2可以看出，隨著溫度逐漸升高，各橡膠粉摻量下的橡膠瀝青車轍因子G*/sinδ會(huì)持續(xù)下降，表明其抗高溫性能會(huì)隨著溫度升高逐步下降。瀝青再摻入橡膠粉后，其性質(zhì)本質(zhì)仍是一種粘彈性材料。隨著溫度不斷升高，其變形會(huì)由彈性變形趨向塑性變形，抗高溫性能會(huì)逐漸喪失。在同一溫度條件下，不同橡膠粉摻量下的車轍因子G*/sinδ呈現(xiàn)出明顯差異，表明橡膠粉摻量的不同會(huì)導(dǎo)致抗高溫性能出現(xiàn)變化。以60 ℃為例，車轍因子G*/sinδ由大到小依次分別是橡膠粉摻量為20%、22%、24%、18%以及16%時(shí)。當(dāng)橡膠粉摻量從16%增加至20%時(shí)，其車轍因子G*/sinδ持續(xù)增加，表明其抗高溫性能得到有效提升，而當(dāng)橡膠粉摻量從20%增加至24%時(shí)，其車轍因子G*/sinδ出現(xiàn)顯著衰減，表明摻加過多橡膠粉并不能有效提升橡膠瀝青的抗高溫性能，反而會(huì)起到負(fù)面抵消作用。這主要是因?yàn)檫^量的橡膠粉未能在瀝青當(dāng)中吸收足夠多的輕質(zhì)組分，甚至以顆粒形式存在于瀝青中，未形成良好的整體結(jié)構(gòu)性能，導(dǎo)致其抗高溫性能反而因橡膠粉摻量的增加而出現(xiàn)下降。

為進(jìn)一步探究橡膠粉摻量對(duì)瀝青感溫性能的影響，對(duì)車轍因子G*/sinδ和溫度T坐標(biāo)同時(shí)取對(duì)數(shù)坐標(biāo)進(jìn)行線性擬合，擬合公式為：

lg(G*/sinδ)=KlgT+C

(1)

式中，K和C值均為擬合方程的回歸系數(shù)，其中K值的絕對(duì)值可以用來表征瀝青的感溫性，具體擬合結(jié)果如表3所示。

表3 雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下車轍因子與溫度的線性擬合關(guān)系表

從表3可以看出，各橡膠粉摻量條件下的擬合公式均具有很好的線性相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.9以上。隨著橡膠粉摻量的增加，|K|值先增加后減小，并在橡膠粉摻量達(dá)到20%時(shí)|K|值達(dá)到最大。這表明橡膠瀝青的感溫性能隨著橡膠粉摻量的增加先增大后減小，并在橡膠粉摻量為20%時(shí)能夠最大程度改善瀝青的感溫性能。這說明過量的橡膠粉不僅對(duì)橡膠瀝青的高溫性能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面作用，其感溫性能也會(huì)遭到破壞。

2.3 多重應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)

相關(guān)研究認(rèn)為單純依靠車轍因子進(jìn)行抗車轍能力評(píng)價(jià)存在相關(guān)性較差的問題，于是SHRP計(jì)劃在后期完善多重應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)(MSCR)作為另一項(xiàng)高溫性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)。該方法通過模擬不同荷載情況下的多個(gè)“加載與卸載”，以變形恢復(fù)率R和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr等指標(biāo)來進(jìn)行高溫性能評(píng)價(jià)。本文在60 ℃的試驗(yàn)溫度條件下對(duì)不同摻量橡膠瀝青進(jìn)行多重應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)，其具體結(jié)果如下。

圖4 不同膠粉摻量條件下蠕變?nèi)崃縅nr變化柱狀圖

恢復(fù)率R值表示可恢復(fù)應(yīng)變?cè)诳倯?yīng)變中所占的比例，其值越大表示其抗高溫性能越好，而不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr表示瀝青在應(yīng)力作用下的應(yīng)變水平，其值越小表示其抵抗變形能力越好。從圖3～4可以看出，在0.1 kPa的應(yīng)力水平下，橡膠粉摻量從16%逐漸增加至20%時(shí)，R值持續(xù)增加，而當(dāng)橡膠粉摻量從20%逐漸增加至24%時(shí)，R值出現(xiàn)顯著下降。而當(dāng)應(yīng)力水平從0.1 kPa增大至3.2 kPa，各橡膠粉摻量下的恢復(fù)率R值出現(xiàn)顯著下降，不同橡膠粉摻量的恢復(fù)率R值變化規(guī)律與0.1 kPa應(yīng)力水平下相同。不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr的變化規(guī)律在兩個(gè)應(yīng)力水平條件下也是先減小后增加，在橡膠粉摻量為20%時(shí)呈現(xiàn)出明顯拐點(diǎn)。由此得出，隨著應(yīng)力水平的增加，橡膠瀝青的抗高溫性能會(huì)變差，而橡膠粉的摻量也不是越多越好，超過最佳摻量后，其抗高溫性能會(huì)出現(xiàn)衰減。

圖3 不同膠粉摻量條件下恢復(fù)率R變化柱狀圖

從圖5可以看出，橡膠粉摻量在20%時(shí)，恢復(fù)率差值Rdiff最小?；謴?fù)率差值Rdiff可以用來表征瀝青的應(yīng)力敏感性，這說明在該橡膠粉摻量下能夠很好地抵抗由于應(yīng)力增大而出現(xiàn)快速永久變形的趨勢(shì)，這與恢復(fù)率R值和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr變化所得出的結(jié)論是一致的。

圖5 不同膠粉摻量條件下恢復(fù)率差值Rdiff變化柱狀圖

3 結(jié)語

(1)橡膠粉摻量的增加會(huì)使得橡膠瀝青的180 ℃旋轉(zhuǎn)黏度增加，結(jié)合相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范要求綜合分析，橡膠粉摻量≤22%時(shí)能夠保證其具有較好的施工性能。

(2)溫度掃描試驗(yàn)和多重應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)的指標(biāo)呈現(xiàn)出較為一致的變化規(guī)律，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的抗高溫性能先增加后減小，在橡膠粉摻量為20%時(shí)具備最佳的抗高溫性能和感溫性能。

(3)綜合黏度指標(biāo)及相關(guān)流變指標(biāo)，橡膠瀝青的最佳膠粉摻量建議為20%。