橡膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青黏彈性性能試驗(yàn)研究

彭建湘,張冬梅,劉 斌

(1. 湖南省交通運(yùn)輸廳規(guī)劃與項(xiàng)目辦公室，湖南 長沙 410116；2.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114;3.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

1 概述

將廢舊輪胎抽出鋼絲，研磨成膠粉后添加至瀝青中，經(jīng)溶脹發(fā)育成橡膠瀝青，鋪筑成橡膠瀝青路面，一方面可以消納日益增多廢舊輪胎，避免輪胎焚燒造成環(huán)境污染，另一方面還可以提升瀝青路面路用性能，改善行車舒適性，因此橡膠瀝青作為環(huán)保路用材料在我國各地廣泛應(yīng)用[1]。其中針對橡膠瀝青穩(wěn)定性差、黏度高等主要技術(shù)問題[2]，研究人員提出了在橡膠瀝青中摻入少量SBS改性劑的復(fù)合改性技術(shù)，以解決橡膠瀝青穩(wěn)定性和黏度高的問題。研究表明橡膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青能有效改善單純橡膠改性瀝青的物理力學(xué)指標(biāo)，提高復(fù)合瀝青體系的穩(wěn)定性和耐久性[2-8]。但多數(shù)研究均是基于常規(guī)性能指標(biāo)，針對橡膠粉SBS復(fù)合改性瀝青的黏彈性能研究較少[9]。由于橡膠粉SBS復(fù)合改性瀝青是復(fù)雜的混合物，其中包含有橡膠顆粒，采用瀝青流變試驗(yàn)較靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)?zāi)芨鼮檎鎸?shí)地模擬其受力狀況。因此，本文重點(diǎn)研究橡膠粉SBS復(fù)合改性瀝青的老化性能、高低溫流變性能，同時與相同試驗(yàn)條件下的摻量20%橡膠改性瀝青、3.5%SBS改性瀝青的技術(shù)性能對比，分析各種改性瀝青的性能優(yōu)劣情況和原因。

2 常規(guī)性能分析

將70#普通石油瀝青、橡膠粉、SBS改性劑、溶脹劑、穩(wěn)定劑等助劑充分調(diào)合均勻后，按照溶脹60 min、高速剪切60 min、最后發(fā)育120 min的加工工藝進(jìn)行橡膠粉SBS復(fù)合改性瀝青加工，通過正交試驗(yàn)得出橡膠粉SBS復(fù)核改性瀝青的的最佳摻配(外摻)比例為：2.6%SBS+12%膠粉+6%溶脹劑+0.16%穩(wěn)定劑，并與采用相同加工工藝生產(chǎn)的摻量為20%橡膠粉改性瀝青和3.5%SBS改性瀝青進(jìn)行性能對比分析，其常規(guī)技術(shù)指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)對照表Table 1 Comparison table of main technical indicators類別25 ℃針入度/(0.1 mm)針入度指數(shù)PI5 ℃延度/cm軟化點(diǎn)/℃135 ℃運(yùn)動黏度/(Pa·s)25 ℃彈性恢復(fù)/%48 h,163 ℃儲存穩(wěn)定性/℃SBS改性瀝青54.60.0228.982.22.253901.5橡膠瀝青47.30.218.667.55.168795.7SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青52.80.1325.476.32.871842.5JTG F40-2004對聚合物改性瀝青的技術(shù)要求40-60≥0≥20≥60≤3.0≥75≤2.5

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，廢舊橡膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青在常規(guī)技術(shù)指標(biāo)方面較普通橡膠改性瀝青有全面提升，仍不及SBS改性瀝青，復(fù)合改性后的針入度指數(shù)較SBS改性瀝青有所增大，說明溫度敏感性降低；復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)提升到超過75 ℃；延度達(dá)到了聚合物改性瀝青的要求，大于20 cm；135 ℃布氏黏度小于3(Pa·s)，施工性能良好；彈性恢復(fù)性能良好；儲存穩(wěn)定性差有所提高，有利于復(fù)合改性瀝青的儲存和運(yùn)輸?？傊?，在橡膠瀝青中摻入少量SBS改性劑，并通過輕質(zhì)組分高的溶脹劑和含硫化劑的穩(wěn)定材料等助劑進(jìn)行調(diào)合，對橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性能、抗裂性能、施工性能、儲存穩(wěn)定性等均有明顯改善。這主要是因?yàn)镾BS溶脹發(fā)育后的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于膠粉顆粒的分散和穩(wěn)定，同時膠粉和SBS復(fù)合改性較單純的SBS改性瀝青有較小的溫度敏感性。

3 老化性能分析

瀝青老化是衡量瀝青材料性能耐久性的關(guān)鍵指標(biāo)，老化試驗(yàn)有2種，一種是短期老化試驗(yàn)，模擬瀝青在施工過程中的老化行為；另一種是長期老化試驗(yàn)，模擬瀝青在路面長期服役階段的老化過程。2種老化試驗(yàn)代表了瀝青在不同階段性能的衰變情況，本文對其分別進(jìn)行了研究。

3.1 短期老化試驗(yàn)

利用薄膜烘箱，分析復(fù)合改性瀝青、SBS改性瀝青和橡膠瀝青在163 ℃下、5 h加熱老化后的性能變化情況，結(jié)果如表2所示。

表2 3種瀝青在短期老化后的性能指標(biāo)Table 2 Performance indexes of three asphalts after short-term aging項(xiàng)目25 ℃針入度/(0.1 mm)5 ℃延度/cm軟化點(diǎn)/℃135 ℃運(yùn)動黏度/(Pa·s)25 ℃彈性恢復(fù)/%SBS改性瀝青47.319.485.62.31785橡膠瀝青41.26.968.86.02578SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青45.718.678.92.93484

根據(jù)表2的結(jié)果，與其老化前的指標(biāo)相比，3種不同的改性瀝青的常規(guī)技術(shù)指標(biāo)均發(fā)生不同程度的降低，其中橡膠瀝青降低幅度最小。說明SBS改性瀝青在老化過程中其輕質(zhì)組分最不穩(wěn)定，容易隨著溫度升高而揮發(fā)，從而導(dǎo)致瀝青中重組分比例增加，軟化點(diǎn)升高、黏度增加等現(xiàn)象。3種改性瀝青橫向比較來看，短期老化過程中，橡膠瀝青的性能最為穩(wěn)定，復(fù)合改性瀝青次之，SBS改性瀝青最易老化衰減，說明由于膠粉的摻入，膠粉中的抗老化添加劑在溶脹過程中滲透到了瀝青介質(zhì)中，從而增強(qiáng)了瀝青的抗老化性能。復(fù)合改性瀝青在膠粉中抗老化劑和SBS改性劑的復(fù)合作用，得到的瀝青各項(xiàng)技術(shù)性能更為均衡。

3.2 長期老化試驗(yàn)

為了模擬改性瀝青的長期老化后性能衰變過程，通過壓力加速老化與長期老化等效原理，將經(jīng)過短期薄膜老化后的瀝青樣品，置于溫度100 ℃，壓力為2.1 MPa的壓力老化容器中，20 h后檢測其指標(biāo)衰變結(jié)果。以SBS改性瀝青和復(fù)合改性瀝青為例，圖1是2種改性瀝青老化后的不同形態(tài)的圖片。

(a)SBS原樣瀝青

根據(jù)圖1可以看出，2種改性瀝青經(jīng)過短期老化后，表面形態(tài)未發(fā)生較大變化。而經(jīng)過長期老化作用后，較大的壓力將熱空氣壓入瀝青內(nèi)部，加速了瀝青的老化。瀝青試樣表面出現(xiàn)凹凸不平，并出現(xiàn)一些已破的氣孔或未破的凸起氣泡。對以上3種不同的改性瀝青分別進(jìn)行PAV老化試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 3種瀝青在長期老化后的性能指標(biāo)Table 3 Performance indexes of three asphalts after long-term aging類別25 ℃針入度(0.1 mm)5 ℃延度/cm軟化點(diǎn)/℃135 ℃運(yùn)動黏度/(Pa·s)25 ℃彈性恢復(fù)/%SBS改性瀝青26.52.389.82.61280SBS/膠粉復(fù)合改性瀝青30.712.581.13.35981橡膠瀝青29.24.472.34.93770

大量研究表明，經(jīng)過20 h的室內(nèi)加速老化試驗(yàn)，近似可以反映出瀝青在路面長期使用后的性能變化情況。由表3的試驗(yàn)結(jié)果可知，3種瀝青的針入度較短期老化擁有更大的衰減，說明長期老化過程對于瀝青性能削減的程度更大。SBS改性瀝青在長期老化后，延度減小最為嚴(yán)重，僅為2.3 cm。說明傳統(tǒng)SBS改性瀝青的長期耐久性欠佳。而復(fù)合改性瀝青由于摻入了具有抗老化作用的膠粉，其延度雖有降低，但降幅小于SBS改性瀝青。因此可以說復(fù)合改性瀝青具有更好的抗老化性和耐久性，且初期性能優(yōu)于橡膠瀝青。

4 高溫流變性能分析

流變試驗(yàn)主要是研究黏彈性材料在周期荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的力學(xué)參數(shù)變化情況，各種聚合物改性瀝青類材料均屬于典型的黏彈性材料，并且瀝青材料在實(shí)際路面中的受力狀況和流變試驗(yàn)研究中力學(xué)加載模式相匹配，其較靜態(tài)力學(xué)加載的常規(guī)技術(shù)指標(biāo)更能全面地反應(yīng)黏彈性材料的力學(xué)性能。美國戰(zhàn)SHRP計劃提出以復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和相位角(δ)為技術(shù)指標(biāo)的動態(tài)剪切流變試驗(yàn)，評價中高溫度區(qū)間的瀝青動態(tài)力學(xué)參數(shù)。本試驗(yàn)從以下幾個方面評價復(fù)合改性瀝青、SBS改性瀝青和橡膠瀝青的流變性能。

a.相位角。

在中高溫區(qū)域，相位角(δ)值表明該材料彈性成分所占比例，數(shù)值越小彈性比例越大，高溫抗變形能力越強(qiáng)。3種改性瀝青短期老化前后的相位角隨溫度變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 3種瀝青老化前后的相位角

圖2顯示3種不同的改性瀝青老化前后的相位角隨溫度變化規(guī)律一致，均隨溫度升高而增大，主要原因是瀝青的黏彈塑特性在低溫下以彈性為主，在中高溫時其塑性開始增多，隨著溫度繼續(xù)升高，不斷趨向于牛頓流體狀態(tài)。因此，溫度的升高使得瀝青中彈性成分比例減小，導(dǎo)致相位角變大，抗高溫變形的能力隨之降低。由于橡膠粉屬于彈性材料，具有較強(qiáng)的變形恢復(fù)能力，導(dǎo)致復(fù)合瀝青中的彈性成分比例增加，橡膠改性瀝青和復(fù)合改性瀝青的相位角均減小，隨著溫度升高，膠粉不斷的溶脹、降解作用，導(dǎo)致?lián)侥z粉的瀝青相位角增長較快，而SBS改性瀝青相對穩(wěn)定，說明高溫狀況下膠粉溶脹、降解作用會導(dǎo)致橡膠改性瀝青高溫穩(wěn)定性能衰減。

b.復(fù)變模量。

復(fù)變模量是表征瀝青材料抵抗剪切變形的總能力，動態(tài)剪切流變儀通過對瀝青樣品施加動態(tài)正弦剪切荷載，將試驗(yàn)得到的最大剪應(yīng)力和最大剪應(yīng)變的比值作為復(fù)變模量值。本文通過動態(tài)剪切試驗(yàn)，得出3種不同改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量隨溫度的變化情況，如圖3所示。

圖3 3種瀝青老化前后的復(fù)變模量

由圖3可知，隨著溫度升高，各種改性瀝青的復(fù)變模量均隨之降低，并不斷趨向于無窮小，各種改性瀝青中的彈性成分比例不斷減小，由中低溫區(qū)域的黏彈性向中高溫區(qū)域的黏塑性轉(zhuǎn)變。隨著其復(fù)變模量變小，高溫抗變形能力也同等下降。3種瀝青互相比較可知，橡膠瀝青老化前后的復(fù)變模量均高于復(fù)合改性瀝青和SBS改性瀝青，說明橡膠的摻入在較低溫度范圍內(nèi)可以提高瀝青抵抗變形的能力，而高溫狀況下，改善效果不明顯。3種瀝青老化前后對比可知，老化會使得瀝青復(fù)變模量增加。

c.車轍因子。

SHRP在評價黏彈性材料力學(xué)性能時，要求對原樣瀝青和經(jīng)老化后的殘留瀝青進(jìn)行高溫抗永久變形能力評價，利用復(fù)變模量和相位角試驗(yàn)結(jié)果，計算車轍因子G*/sinδ。它是表征不同溫度條件下瀝青材料中彈性成分比例，該值越大，說明瀝青的抗永久變形能力越強(qiáng)。本文3種不同改性瀝青的車轍因子隨溫度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 3種瀝青老化前后的車轍因子

由圖4可以看出不同改性瀝青的車轍因子均隨溫度升高而降低，并不斷趨于無窮小，抵抗變形能力的變化趨勢與其一致。3種瀝青老化后的車轍因子較老化前有所提升。3種瀝青相互比較可知，橡膠改性瀝青的車轍因子最大，不含橡膠顆粒狀的SBS改性瀝青車轍因子最小。

SHRP規(guī)定原樣瀝青的車轍因子不得小于1.0 kPa，SBS原樣瀝青的車轍因子在大約80 ℃時降至1.0 kPa，而原樣橡膠瀝青的車轍因子在試驗(yàn)溫度達(dá)到85 ℃后依然為2.4 kPa。復(fù)合改性瀝青在試驗(yàn)溫度達(dá)到85 ℃后為1.5 kPa，均大于1.0 kPa。對于短期老化的瀝青，規(guī)定車轍因子不得小于2.2 kPa，SBS改性瀝青在短期老化后，在72 ℃時對應(yīng)的車轍因子達(dá)到2.2 kPa。橡膠瀝青在經(jīng)歷163 ℃的短期老化后，在81 ℃時車轍因子仍約為4.9 kPa。復(fù)合改性瀝青短期老化后，在81 ℃時車轍因子約為3.2 kPa，均大于2.2 kPa。因此可知，由于膠粉的摻入，雖然靜態(tài)荷載作用下的軟化點(diǎn)比SBS改性瀝青小，但是高溫動態(tài)剪切荷載作用下的流變性能更優(yōu)。

5 低溫流變性能分析

瀝青類材料是一種溫度敏感性材料，隨著溫度降低瀝青材料黏性降低，并趨于彈性狀態(tài)，即變硬。因此低溫狀況下瀝青膠結(jié)料的流變性能是衡量其抗裂性的關(guān)鍵指標(biāo)。

彎曲梁流變儀法(簡稱BBR)是將瀝青梁式試樣置于設(shè)計溫度環(huán)境下，并施加恒定荷載作用，測試瀝青材料在低溫狀況固定荷載作用下的蠕變勁度模量和蠕變勁度變化速率，并以此作為低溫流變性能的評價指標(biāo)。分別對橡膠瀝青、復(fù)合改性瀝青和SBS改性瀝青在-18 ℃、-24 ℃、-30 ℃條件下進(jìn)行了3組平行試驗(yàn)，并計算各項(xiàng)指標(biāo)均值。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。圖5和圖6為3種改性瀝青蠕變勁度模量和蠕變速率對比結(jié)果圖。

圖5 3種瀝青不同溫度下的蠕變勁度模量

圖6 3種瀝青不同溫度下的蠕變速率

根據(jù)BBR的試驗(yàn)結(jié)果，在不同設(shè)計低溫狀況

表4 低溫流變BBR試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Low temperature rheological BBR test results 試驗(yàn)溫度/℃瀝青類型蠕變荷載/mN梁中豎向變形/mm蠕變勁度模量/MPam值SBS改性瀝青9880.35220.20.414-18橡膠瀝青9920.72112.50.396復(fù)合改性瀝青9861.4452.50.378SBS改性瀝青9950.18478.60.283-24橡膠瀝青9900.35241.40.301復(fù)合改性瀝青9880.59142.70.311SBS改性瀝青9860.10850.30.188-30橡膠瀝青9870.12632.10.204復(fù)合改性瀝青9840.19445.90.228

下，復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度模量均小于其他2種改性瀝青，表明低溫狀況復(fù)合改性瀝青的柔韌性更佳，抗變性能力更強(qiáng)，能夠承受的荷載更大，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到-24 ℃摻入膠粉的改性瀝青蠕變勁度模量仍小于300 MPa，滿足SHRP規(guī)定的最低設(shè)計溫度狀況下蠕變勁度模量小于300 MPa的要求。而相應(yīng)設(shè)計溫度條件下的SBS改性瀝青蠕變勁度模量高達(dá)478.6 MPa。從圖6蠕變速率圖可以看出，溫度越降低，復(fù)合改性瀝青比SBS和橡膠瀝青的蠕變速率m高出幅度越大，在-24 ℃條件下復(fù)合改性瀝青的蠕變速率仍大于0.3，橡膠瀝青的蠕變速率約為0.3，主要是因?yàn)槟z粉是彈性材料，其在低溫狀況不會變脆。復(fù)合作用下膠粉均勻穩(wěn)定分布在瀝青介質(zhì)中，使得低溫受力應(yīng)力集中概率降低，因此，復(fù)合改性性能最優(yōu)。按照SHRP規(guī)范可以認(rèn)為復(fù)合改性瀝青具有更優(yōu)良的應(yīng)力松弛能力，低溫抗裂性能和抗疲勞性能。

6 結(jié)論

a.在橡膠瀝青中摻入少量SBS改性劑，并通過輕質(zhì)組分高的溶脹劑和含硫化劑的穩(wěn)定材料等助劑進(jìn)行調(diào)合，對橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性能、抗裂性能、施工黏度、儲存穩(wěn)定性等各項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)均有明顯改善，可以滿足規(guī)范對聚合物改性瀝青的技術(shù)要求，但各項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)均略差于SBS改性瀝青。

b.老化試驗(yàn)表明，摻入膠粉后瀝青的老化性能有所提升，尤其是長期老化作用下，廢舊橡膠粉改性后的瀝青老化后指標(biāo)衰減幅度明顯小于SBS改性瀝青。

c.高溫流變性能方面，在較低溫度區(qū)間內(nèi)，橡膠粉的摻入使得瀝青的相位角變小、復(fù)變模量和車轍因子增大，隨著溫度升高，高溫流變性能均趨于黏性狀態(tài)，橡膠瀝青和復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)雖然比SBS改性瀝青低，但高溫流變性能均優(yōu)于SBS改性瀝青。

d.低溫流變性能方面，橡膠粉和SBS復(fù)合改性瀝青在最低設(shè)計溫度狀況下的勁度模量較其他2種改性瀝青低，蠕變速率相對較高，說明復(fù)合改性后的瀝青在極端低溫狀況下，柔韌性更強(qiáng)，并具有更大的應(yīng)力松弛能力，低溫抗裂性能和抗疲勞開裂性能更優(yōu)。