橡膠瀝青性能指標(biāo)影響因素分析

趙林肖

(河北交規(guī)院瑞志交通技術(shù)咨詢有限公司 石家莊市 050000)

0 引言

隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，國民汽車保有量逐年提升。相應(yīng)地，隨之產(chǎn)生的廢舊汽車輪胎量也顯著增加，黑色污染也愈趨嚴(yán)重。為有效消除廢舊輪胎導(dǎo)致的黑色污染，橡膠瀝青應(yīng)運(yùn)而生。橡膠瀝青是指以橡膠粉為改性劑，摻加穩(wěn)定劑等輔劑，在高溫剪切(工廠化生產(chǎn)時(shí)為膠體磨研磨)下制備而成的高性能改性瀝青，符合當(dāng)今綠色施工的各項(xiàng)要求。研究表明，橡膠瀝青具有較好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及路面保黑等優(yōu)良性能，也具有良好的彈性性能和溫度敏感性，在各種瀝青路面結(jié)構(gòu)中常作為膠結(jié)料使用[1-3]。

目前對(duì)于橡膠瀝青的研究較多，主要有橡膠瀝青性能指標(biāo)研究及橡膠瀝青混合料研究[4-5]，其中橡膠瀝青性能指標(biāo)研究仍以我國常用的三大指標(biāo)等傳統(tǒng)性能指標(biāo)研究為主[6-8]。為了進(jìn)一步分析橡膠瀝青性能指標(biāo)及相關(guān)因素影響，擬借助SHRP瀝青試驗(yàn)體系指標(biāo)(主要采用車轍因子、彎曲蠕變勁度)對(duì)各影響因素進(jìn)行分析，進(jìn)而為橡膠瀝青的應(yīng)用提供更深入的理論指導(dǎo)。

1 SHRP計(jì)劃

SHRP(Strategic Highway Research Program)計(jì)劃由美國國會(huì)于1987年批準(zhǔn)進(jìn)行，由FHWA(聯(lián)邦公路局)和AASHTO(美國各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì))共同完成，其研究成果對(duì)世界各國瀝青混凝土路面、水泥混凝土路面設(shè)計(jì)產(chǎn)生了極為深遠(yuǎn)的影響。SHRP計(jì)劃研究內(nèi)容主要包括瀝青、路面性能、混凝土與結(jié)構(gòu)以及公路運(yùn)輸?shù)人膫€(gè)方面的重要內(nèi)容。其中瀝青(此為廣義瀝青，SHRP計(jì)劃稱為膠結(jié)料)對(duì)瀝青試驗(yàn)方法進(jìn)行了開創(chuàng)性研究，主要研發(fā)出了DSR(動(dòng)態(tài)剪切流變儀)、BBR(彎曲梁流變儀)、DDT(直接拉伸試驗(yàn)儀)以及RV(旋轉(zhuǎn)粘度儀)等一系列試驗(yàn)設(shè)備。相較我國傳統(tǒng)采用的三大指標(biāo)具有與瀝青使用性能相關(guān)性好、流變學(xué)理論基礎(chǔ)好等一系列優(yōu)點(diǎn)。

本試驗(yàn)采用SHRP體系指標(biāo)主要選用DSR與BBR進(jìn)行車轍因子與彎曲蠕變勁度兩項(xiàng)指標(biāo)測試，主要用于表征橡膠瀝青高溫、低溫性能。

2 橡膠瀝青制備

為研究不同影響因素對(duì)橡膠瀝青性能的影響，首先選取初始組合材料與參數(shù)進(jìn)行橡膠瀝青性能指標(biāo)試驗(yàn)：瀝青選取70#基質(zhì)瀝青，膠粉粒徑選取40目，膠粉摻量為20%，制備溫度選取170～180℃。相關(guān)材料技術(shù)指標(biāo)如下：

2.1 原材料性能

膠粉采用某材料公司生產(chǎn)的20～60目橡膠粉，胎源全部為900mm以上的大貨車輪胎，經(jīng)常溫研磨工藝加工而成，橡膠粉物理化學(xué)指標(biāo)見表1、表2。

表1 橡膠粉物理指標(biāo)檢測結(jié)果

表2 橡膠粉化學(xué)指標(biāo)檢測結(jié)果

基質(zhì)瀝青為國創(chuàng)70#A級(jí)道路石油瀝青，采用高速剪切攪拌的加工工藝，加工溫度170～180℃，反應(yīng)時(shí)間1h。

70#基質(zhì)瀝青相關(guān)性能指標(biāo)如表3所示。

表3 基質(zhì)瀝青檢測結(jié)果

2.2 橡膠瀝青制備

橡膠瀝青制備需經(jīng)過熔融高速剪切以及溶脹發(fā)育兩個(gè)階段，在已有研究基礎(chǔ)上，制定如下制備工藝進(jìn)行橡膠瀝青制備(試驗(yàn)室制備工藝)：

(1)170～180℃條件下添加橡膠粉，手動(dòng)攪拌15min。

(2)添加穩(wěn)定劑，采用高速剪切機(jī)，在1000～3000r/min速率范圍內(nèi)高速剪切30min。

(3)在170～180℃溫度范圍內(nèi)發(fā)育溶脹1h。

3 橡膠瀝青性能影響分析

3.1 膠粉類別及粒徑影響

為研究不同粒徑膠粉對(duì)橡膠瀝青性能的影響，選取兩類來源膠粉1#和2#，分別制備成20目、40目以及60目三種膠粉，按照上述制備工藝分別制備成成品橡膠瀝青。對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)以及采用DSR進(jìn)行車轍因子測試，結(jié)果如表4所示。

表4 不同粒徑膠粉橡膠改性瀝青性能指標(biāo)

由試驗(yàn)結(jié)果分析可知：

(1)加入橡膠粉后，軟化點(diǎn)大幅提升，表明瀝青高溫穩(wěn)定性得到有效提高。這是由于膠粉與瀝青之間的物理、化學(xué)作用(目前認(rèn)為以物理作用為主)使得瀝青內(nèi)部形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了瀝青的高溫抗變形能力。但隨著膠粉粒徑減小(即目數(shù)增大)，1#橡膠瀝青軟化點(diǎn)先增大后減小，2#橡膠瀝青軟化點(diǎn)持續(xù)減小，表明僅就軟化點(diǎn)而言存在最佳膠粉粒徑。

水稻產(chǎn)地土壤樣品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示（表3），Cd總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005~0.937 mg·kg-1（均值為0.14 mg·kg-1)，Cd 含量超過土壤背景值（0.110 mg·kg-1），變異系數(shù)為85.7%，Cd的超標(biāo)樣點(diǎn)有252個(gè)，占總樣點(diǎn)數(shù)的16.1%，超標(biāo)率較高，表明水稻產(chǎn)地土壤明顯受到Cd的污染。稻米樣品數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，Cd總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0~0.936 mg·kg-1（均值為 0.163 mg·kg-1)，超標(biāo)點(diǎn)位為294個(gè)，超標(biāo)率為33.4%。

(2)整體而言，隨著膠粉粒徑減小，不同膠粉橡膠瀝青彈性恢復(fù)性能差異較大，其中1#膠粉粒徑對(duì)橡膠瀝青彈性恢復(fù)影響較小，而2#膠粉當(dāng)膠粉粒徑達(dá)到60目時(shí)彈性恢復(fù)顯著減小，表明膠粉的來源與制備工藝對(duì)橡膠瀝青存在較大影響，另一方面也可表明膠粉與瀝青存在配伍性。

(3)隨著膠粉粒徑減小，瀝青車轍因子顯著下降，表明瀝青高溫抗變形能力出現(xiàn)下降，這與軟化點(diǎn)結(jié)論一致，表明橡膠瀝青高溫抗變形能力隨著膠粉粒徑減小而下降。同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)，1#膠粉橡膠瀝青高溫穩(wěn)定性優(yōu)于2#膠粉橡膠瀝青。

(4)比較不同粒徑膠粉蠕變勁度，不同類型膠粉變化規(guī)律并不一致：1#膠粉橡膠瀝青隨粒徑減小呈現(xiàn)減小規(guī)律，2#膠粉則呈現(xiàn)一定增長規(guī)律。但整體而言1#膠粉橡膠瀝青蠕變勁度指標(biāo)小于2#膠粉橡膠瀝青，表明1#膠粉橡膠瀝青低溫開裂性能優(yōu)于2#膠粉橡膠瀝青。

綜合分析，1#膠粉橡膠瀝青性能優(yōu)于2#膠粉橡膠瀝青，其中20目膠粉橡膠瀝青綜合性能更優(yōu)。但低目數(shù)(即大粒徑)的膠粉易導(dǎo)致橡膠瀝青的離析，且高溫黏度更大、施工難度更大，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)結(jié)合橡膠瀝青的性能與施工適用性進(jìn)行綜合分析進(jìn)行選用。

3.2 膠粉摻量影響

采用20目膠粉為基準(zhǔn)，對(duì)不同摻量下橡膠瀝青性能指標(biāo)進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5分析可知：

表5 不同摻量膠粉橡膠改性瀝青性能指標(biāo)

(1)隨著膠粉摻量提高，橡膠瀝青軟化點(diǎn)升高。這是由于膠粉摻量提高后膠粉對(duì)瀝青的網(wǎng)格交聯(lián)作用加強(qiáng)，同時(shí)隨著膠粉摻量增大橡膠瀝青的高熔點(diǎn)特性對(duì)瀝青影響更加顯著。

(2)隨著膠粉摻量提高，橡膠瀝青彈性恢復(fù)逐漸增大，橡膠瀝青彈性變形性能得到提高，表明提高摻量對(duì)橡膠瀝青抵抗變形后的恢復(fù)性能得到改善。另一方面也表明膠粉與瀝青理化交聯(lián)效果較佳，摻量達(dá)到20%時(shí)彈性恢復(fù)仍為90%，并未出現(xiàn)明顯的膠粉過量導(dǎo)致的聚集而使彈性恢復(fù)減小現(xiàn)象。

(3)隨著膠粉摻量提高，車轍因子顯著提高、低溫彎曲蠕變勁度逐漸減小，表明隨著摻量增大橡膠瀝青高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性均得到有效改善。

綜合前述分析，在考慮橡膠瀝青性能指標(biāo)的同時(shí)，還需對(duì)橡膠瀝青施工性能進(jìn)行考量。采用1#橡膠粉橡膠瀝青，選取典型加工溫度180℃進(jìn)行布氏黏度測試，測試結(jié)果見表6。

表6 不同摻量橡膠瀝青黏度測試結(jié)果

由于黏度為瀝青的重要性能指標(biāo)，與其它路用指標(biāo)具有一定的相關(guān)性，橡膠瀝青黏度應(yīng)保持在適當(dāng)范圍。當(dāng)黏度過小時(shí)，橡膠瀝青高溫穩(wěn)定性等性能指標(biāo)將過小，改性效果不明顯；但當(dāng)黏度過大時(shí)，為保證施工和易性，要求必須提高作業(yè)溫度，一方面會(huì)加速瀝青老化降低瀝青疲勞性能，另一方面也會(huì)增加拌和站燃料投放，不符合綠色施工技術(shù)要求。綜合考慮，根據(jù)現(xiàn)有研究表明，一般要求黏度在1.5～4.0 Pa·s。綜合分析，在加工工藝不變條件下，1#橡膠粉橡膠瀝青最佳摻量宜為16%～18%。

3.3 瀝青標(biāo)號(hào)影響

如前所分析，不同來源膠粉與瀝青性能存在較大差異，推測膠粉與瀝青存在配伍性選擇，為此選取另一種基質(zhì)瀝青制備橡膠瀝青進(jìn)行相關(guān)性能指標(biāo)分析。其中，膠粉粒徑為20目、摻量為18%，加工溫度為180℃，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 不同標(biāo)號(hào)瀝青橡膠改性瀝青性能指標(biāo)

分析可知：70#基質(zhì)瀝青橡膠瀝青軟化點(diǎn)、車轍因子兩項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于90#基質(zhì)瀝青橡膠瀝青，而彈性恢復(fù)、低溫彎曲蠕變勁度兩項(xiàng)指標(biāo)則90#基質(zhì)瀝青橡膠瀝青較優(yōu)。表明標(biāo)號(hào)越小瀝青制備的橡膠瀝青高溫穩(wěn)定性越好，但彈性恢復(fù)性能及低溫抗裂性能相對(duì)較差。這是由于標(biāo)號(hào)越大瀝青針入度越大，對(duì)應(yīng)瀝青稠度越小，高溫條件下抵抗變形性能較差，而低溫條件下自愈性能更佳，具備更好的低溫抗裂能力。

4 結(jié)論

基于傳統(tǒng)指標(biāo)及SHRP試驗(yàn)體系指標(biāo)，分別研究了膠粉類別及粒徑、摻量以及瀝青標(biāo)號(hào)等影響因素對(duì)橡膠瀝青性能的影響。得出如下結(jié)論：

(1)1#膠粉橡膠瀝青性能優(yōu)于2#膠粉橡膠瀝青，20目膠粉橡膠瀝青綜合性能更優(yōu)。

(2)隨著膠粉摻量提高，車轍因子顯著提高、低溫彎曲蠕變勁度逐漸減小，表明隨著摻量增大橡膠瀝青高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性均得到有效改善。

(3)瀝青標(biāo)號(hào)提高，高溫穩(wěn)定性降低、低溫抗裂性能增強(qiáng)。橡膠瀝青應(yīng)用時(shí)，應(yīng)結(jié)合使用環(huán)境進(jìn)行具體分析。