廢胎膠粉與SBS復(fù)合改性橡膠瀝青混合料性能研究

肖 龍， 李 泉

(1.湖南路橋建設(shè)集團有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410018; 2.湖南云中再生科技股份有限公司， 湖南 長沙 410007;3.湖南省建筑固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心， 湖南 長沙 410007 )

0 引言

廢舊輪胎回收利用率低，焚燒和填埋是對其進行處理的主要方式， 這給環(huán)境帶來嚴重危害[1-3]。無害化、資源化利用廢輪胎將對我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、緩解環(huán)境和橡膠資源匱乏壓力起到良好的示范作用，具有很好的應(yīng)用前景[4]。將橡膠(廢胎膠粉)加入瀝青制成橡膠瀝青混合料不僅能提高瀝青路面使用性能，還能減少廢舊輪胎帶來的環(huán)境污染。因此，在瀝青路面工程中大量應(yīng)用廢胎膠粉，符合生態(tài)文明建設(shè)、綠色循環(huán)低碳交通的需求，具有重要的理論意義和工程價值。近幾十年來對膠粉改性瀝青的研究表明膠粉改性瀝青可明顯提高瀝青黏度，改善瀝青低溫柔性，提高路面疲勞壽命和抗裂性以及增加瀝青膜的厚度，提高路面耐久性[5-6]，但也存在明顯不足，如常用的機械加工方式使得膠粉與瀝青間缺少充分的化學(xué)作用，結(jié)合料常以固液兩相存在，成品易離析，穩(wěn)定性差，高溫性能提高幅度有限，從而限制了其應(yīng)用[7]。

針對上述不足，本研究采用化學(xué)改性技術(shù)，再輔以機械加工手段，優(yōu)化廢胎膠粉在瀝青中的分布狀態(tài)，實現(xiàn)了廢胎膠粉改性劑在瀝青中的有機結(jié)合，成功解決了以往橡膠改性瀝青穩(wěn)定性差、高溫性能不足等問題，能達到延長瀝青路面的使用壽命、節(jié)約資源與成本、減少對環(huán)境破壞的目的。

1 原材料

1.1 復(fù)合改性橡膠瀝青

回收廢舊輪胎，常溫研磨粉碎成40～60目廢胎膠粉。采用70#A級瀝青作為基質(zhì)瀝青，摻入22%廢胎膠粉、2.5%SBS以及1%新型助劑進行膠粉與SBS復(fù)合改性橡膠瀝青加工[8-10]，其加工工藝如下： ① 將70#基質(zhì)瀝青與2.5%SBS放入容器內(nèi)在烘箱中加熱至185 ℃～195 ℃，并以3 000 r/min的速度攪拌5 min。② 加入預(yù)拌好改性助劑的廢胎膠粉，以4000 r/min的速度剪切30 min。③ 剪切后保持170℃～175℃的溫度發(fā)育1.5～2 h。④膠粉與SBS復(fù)合改性橡膠瀝青制備完成后檢測所得試驗結(jié)果見表1，復(fù)合改性瀝青各項指標優(yōu)異，彌補了橡膠瀝青延度、彈性恢復(fù)以及軟化點指標的不足，展現(xiàn)出高黏與高彈的特性。

1.2 集料試驗

ARHM-20混合料粗集料為10～20 mm(石1#)、10～15 mm(石2#)與5～10 mm(石3#)3檔石灰石，細集料為0～3 mm(石4#)石灰石機制砂，填料為石灰石礦粉，各項技術(shù)指標均滿足設(shè)計要求，其篩分結(jié)果見表2。ARHM-13混合料粗集料為10～15 mm(輝1#)、5～10 mm(輝2#)、3～5 mm(輝3#)3檔輝綠巖，填料為石灰石礦粉與普通硅酸鹽水泥，各項技術(shù)指標均滿足設(shè)計要求，其篩分結(jié)果見表3。

表2 石灰石與礦粉篩分結(jié)果集料規(guī)格通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075石1#10097.667.717.81.30.20.20.20.20.20.20.2石2#10010085.663.59.00.50.40.40.40.40.40.4石3#100100100100100150.60.40.40.40.40.4石4#10010010010010010083.864.743.324.813.49.2礦粉10010010010010010010010010010098.692.5

表3 輝綠巖與水泥篩分結(jié)果集料規(guī)格通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075輝1#10096.06.80.20.20.20.20.20.20.2輝2#10010095.80.70.10.10.10.10.10.1輝3#10010010095.91.20.10.10.10.10.1水泥1001001001001001001001009994.6

2 瀝青混合料配合比設(shè)計

采用復(fù)合改性橡膠進行連續(xù)密級配ARHM-20

與ARHM-13橡膠瀝青混合料研究[11]，合成級配見表4、圖1與圖2。采用馬歇爾試驗方法進行兩種橡膠瀝青混合料的配合比試驗，確定其最佳油石比，馬歇爾試驗結(jié)果見表5。由表5可得，與常規(guī)AC-20與AC-13混合料相比，同規(guī)格橡膠瀝青混合料需要更高的油石比，主要原因是復(fù)合改性橡膠瀝青具有較大的黏度，且其合成級配4.75 mm篩網(wǎng)通過率較低，礦料間隙率較大，需要更多的瀝青來填充空隙，并且保證其余指標滿足要求[12]。

表4 復(fù)合改性橡膠瀝青混合料級配混合類類型項目通過下列方孔篩(mm)的質(zhì)量百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075ARHM-20級配范圍10090-10077-8864-7647-5925-3518-2714-2110-177-135-104-8合成級配10099.386.966.648.629.222.618.113.28.96.35.1ARHM-13級配范圍10010010095-10062-7125-3520-2815-2312-1910-158-126-10合成級配10010010098.666.033.124.620.315.611.69.07.7

圖1 ARHM-20橡膠瀝青混合料級配曲線

圖2 ARHM-13橡膠瀝青混合料級配曲線

表5 復(fù)合改性橡膠瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果混合料類型最佳油石比/%空隙率/%穩(wěn)定度/kN毛體積密度/(g·cm-3)飽和度/%礦料間隙率/%ARHM-20實測值4.73.911.902.46370.613.4技術(shù)要求—3～5≥7—70～85≥13ARHM-13實測值5.74.110.12.53974.116技術(shù)要求—3-5≥7—70-85≥14

3 路用性能

對ARHM-20與ARHM-13橡膠瀝青混合料進行路用性能試驗，通過浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強度之比驗證其水穩(wěn)定性能，通過60 ℃動穩(wěn)定度試驗驗證其高溫性能，通過-10 ℃低溫彎曲試驗驗證其低溫抗裂性能，試驗結(jié)果見表6。由表6可得，兩種橡膠瀝青混合料均具有很好的抗水損性能、高溫抗車轍性能以及低溫抗裂性能，完全能適應(yīng)南方高溫多雨以及北方寒冷的氣候條件，驗證了該復(fù)合改性橡膠瀝青的優(yōu)越性。

表6 路用性能試驗結(jié)果混合料類型浸水馬歇爾試驗穩(wěn)定度/kN標準馬歇爾試驗穩(wěn)定度/kN殘留穩(wěn)定度/%動穩(wěn)定度/(次·mm-1)未凍融/MPa凍融循環(huán)/MPa凍融劈裂強度比/%破壞應(yīng)變(-10 ℃)/μ?ARHM-2010.8811.9091.44 2000.740.6689.22 640ARHM-139.6210.1095.34 5000.780.7292.32 680技術(shù)要求——≥85≥4 000——≥80≥2 500

4 結(jié)論

1) 采用70#A級瀝青作為基質(zhì)瀝青，摻入22%廢胎膠粉、2.5%SBS摻量以及1%新型助劑進行膠粉與SBS復(fù)合改性，生產(chǎn)出來的復(fù)合改性橡膠瀝青指標優(yōu)異，彌補了橡膠瀝青延度、彈性恢復(fù)以及軟化點指標的不足，展現(xiàn)出高黏與高彈性。

2) 連續(xù)密集配ARHM-20與ARHM-13橡膠瀝青混合料力學(xué)指標與體積指標均滿足設(shè)計要求。

3) 連續(xù)密集配ARHM-20與ARHM-13橡膠瀝青混合料抗水損性能、高溫抗車轍性能以及低溫抗裂性能優(yōu)異，完全能適應(yīng)南方高溫多雨以及北方寒冷的氣候條件。