高溶解性橡膠瀝青HR-RA的制備及性能研究

喻凌峰

(重慶交通大學，重慶 400074)

廢舊橡膠輪胎的處理是一個全球性問題。廢舊橡膠粉在瀝青路面施工中的應(yīng)用不僅可提高路用性能，還能減少環(huán)境污染。因此，橡膠瀝青路面的研究越來越受到重視[1-3]。

橡膠瀝青可提高瀝青混合料的高低溫性能和耐久性[4-6]，主要取決橡膠粉的大小、形貌特征和混合條件、基質(zhì)瀝青的物理化學特性以及來源等[7]。已有研究表明，與基質(zhì)瀝青相比，橡膠瀝青能顯著提高瀝青混合料的抗車轍、抗裂縫、抗老化、抗疲勞耐久等路用性能[8-9]，但由于其儲存穩(wěn)定性差，橡膠瀝青通常含量不高，且不能用于長期儲存和長途運輸[10]，因此，橡膠瀝青在公路建設(shè)中的應(yīng)用推廣有一定局限性。

已有研究表明，橡膠顆粒在解聚和脫硫過程中被釋放到基質(zhì)瀝青中，從而改變了基質(zhì)瀝青的粘度。溶解的橡膠組分以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形式分布在基質(zhì)瀝青中，從而增加橡膠組分和基質(zhì)瀝青之間的相容性，而不溶解的橡膠組分則直接影響橡膠瀝青性能的穩(wěn)定性，易出現(xiàn)相分離，以凝聚態(tài)或絮凝態(tài)分布，從而極大削弱橡膠瀝青的性能[11]。因此，橡膠顆?？商岣邽r青路面的高、低溫性能和耐久性，但橡膠顆粒分布不均勻且成團，溶解度不高，將會導致瀝青路面的路用性能不穩(wěn)定。

傳統(tǒng)制備工藝使橡膠粉在基質(zhì)瀝青中的溶解度較低，易導致橡膠瀝青具有粘度高、分散不均勻、貯存穩(wěn)定性差等諸多局限性。國內(nèi)不少研究人員[12-14]目前通過改進制備方法和工藝，降低粘度，提高溶解度和儲存穩(wěn)定性，以改善橡膠瀝青穩(wěn)定性。但目前橡膠瀝青溶解度和貯存穩(wěn)定性仍存在較大問題，且對高溶解性橡膠瀝青的溶解度、流變性和貯存穩(wěn)定性的研究相對較少。為此，本文針對橡膠瀝青的制備方案及其穩(wěn)定性和路用性能進行研究。

1 高溶解性橡膠瀝青的制備工藝和試驗方案

1.1 制備工藝

1) 原材料

包括SK 90#基質(zhì)瀝青(性能指標見表1)、40目橡膠粉(性能指標見表2)、廢機油和聚乙烯。其中，廢機油的密度為0.886 g/cm3，利用聚乙烯提高橡膠瀝青的塑性。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標Table 1 Properties indexes of base asphalt

表2 橡膠粉性能指標Table 2 Properties indexes of crumb rubber

2) 制備工藝

(1) 將5%、15%、25%、35%的橡膠粉(以基質(zhì)瀝青重量計)和3‰的聚乙烯(以基質(zhì)瀝青重量計)與基質(zhì)瀝青混合制備常規(guī)橡膠瀝青RA；(2) 在溫度為185 ℃的油浴中，以4 000 rpm的轉(zhuǎn)速剪切常規(guī)橡膠瀝青90 min；(3) 將橡膠粉放入600 W的微波爐中加熱90 s，實現(xiàn)微波脫硫后與廢機油混合；(4) 將處理后的橡膠粉和機油的混合物加入基質(zhì)瀝青中，高速剪切得到高溶解性橡膠瀝青HR-RA。

1.2 試驗方案及性能指標

采用溶解度試驗、高溫多應(yīng)力蠕變恢復試驗、低溫流變試驗以及軟化點試驗對高溶解性橡膠瀝青HR-RA的溶解度、流變特性以及貯存穩(wěn)定性進行研究，并與常規(guī)橡膠瀝青RA進行對比分析。

1) 溶解度試驗

溶解度參數(shù)表征橡膠顆粒在基質(zhì)瀝青中的溶解量。試驗過程如下：1) 將10 g橡膠瀝青溶解于150 mL二氯甲烷中30 min；2) 使用孔徑為48 μm的尼龍過濾器過濾，殘留的橡膠微粒用二氯甲烷溶液清洗，然后在85 ℃的烤箱中干燥至恒定重量。溶解度參數(shù)為溶解的橡膠粉質(zhì)量占添加的橡膠粉總質(zhì)量的百分比，如式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中：ηdiss為溶解度，%；m0為橡膠粉初始質(zhì)量，g；m1為過濾后殘余橡膠質(zhì)量，g；ω為橡膠瀝青的質(zhì)量分數(shù)，%；mr為橡膠瀝青的質(zhì)量，g。

2) 高溫多應(yīng)力蠕變恢復試驗

本試驗表征瀝青結(jié)合料的高溫抗變形能力，根據(jù)美國AASHTO規(guī)范，試驗溫度設(shè)置為60 ℃，模擬夏季溫度條件。試驗過程：(1) 選取0.1 kPa和3.2 kPa兩個蠕變應(yīng)力水平進行連續(xù)試驗；(2) 每個應(yīng)力水平測試10個循環(huán)，每個循環(huán)的蠕變階段為1 s，卸載恢復階段為9 s；(3) 每次試驗前進行10次預(yù)剪循環(huán)；(4) 采用不可恢復柔度Jnr來衡量瀝青結(jié)合料的永久變形，而恢復率R則反映瀝青結(jié)合料的彈性，如式(3)和式(4)：

(3)

(4)

式中：γp為各加載周期的峰值應(yīng)變；γnr為各加載周期的殘余應(yīng)變；γ0為各加載周期的初始應(yīng)變。

3) 低溫流變試驗

本試驗通過低溫環(huán)境下瀝青流變特性表征瀝青低溫抗裂性能，采用60 s時的弛豫模量G(60 s)和弛豫速率mr(60 s)評價瀝青低溫抗裂性能。本研究中參考溫度設(shè)為20 ℃，選擇s型模型作為主曲線的擬合方程，并參照Christensen[15]提出的近似方程得到松弛模量主曲線，并將松弛模量主曲線擬合為二次方程y=ax2+bx+c(a、b、c為擬合參數(shù))。60 s時的弛豫模量G(60 s))和弛豫速率mr(60 s)如式(8)和式(9)：

G(60 s)=ax2+bx+c|x=1.78

(8)

mr(60 s)=2ax+b|x=1.78

(9)

4) 軟化點試驗

本試驗通過測試瀝青不同部位的軟化點差值表征瀝青的貯存穩(wěn)定性，指標為48 h軟化點差值Sdiff。試驗過程：(1) 將50 g的瀝青粘結(jié)劑注入一個鋁管，鋁管垂直放置在一個163 ℃的恒溫烤箱中48 h；(2) 將鋁管取出，放置于-10 ℃冰箱中4 h；(3) 將鋁管切成頂部、中部和底部等3個相等的部分，分別測試3部分處瀝青的軟化點。

Sdiff=|St-Sb|

(10)

式中：Sdiff為軟化點差；St為頂部試樣的軟化點；Sb為底部試樣的軟化點。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 溶解度試驗

分別對高溶解性橡膠瀝青與常規(guī)橡膠瀝青進行溶解度試驗，結(jié)果如圖1所示。

圖1 高溶解性橡膠瀝青與常規(guī)橡膠瀝青的溶解度對比Fig.1 Comparison of solubility between high solubility rubber asphalt and conventional rubber asphalt

由圖1可知，隨著橡膠粉含量的增加，橡膠粉在瀝青中的溶解度逐漸降低；當含量達到15%后，常規(guī)橡膠瀝青RA中橡膠粉的溶解度急劇下降，表明過多的橡膠粉反而不利于其溶解；隨著橡膠粉含量的增加，高溶解性橡膠瀝青HR-RA的溶解度逐漸降低，當含量為25%時，溶解度趨于恒定，表明微波脫硫和廢機油的加入對橡膠瀝青的溶解有積極作用，較大促進了橡膠粉的溶解和吸收；與常規(guī)橡膠瀝青RA相比，高溶解性橡膠瀝青HR-RA溶解度平均提高約10%，這是因為微波脫硫增加了橡膠的表面粗糙度和表面活性，同時廢機油對橡膠有軟化作用，使其與瀝青結(jié)合穩(wěn)定，溶解度提高，增加了橡膠瀝青分散的均勻性和穩(wěn)定性。

2.2 高溫多應(yīng)力蠕變恢復試驗

分別對高溶解性橡膠瀝青與常規(guī)橡膠瀝青進行高溫多應(yīng)力蠕變恢復試驗，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著應(yīng)力水平從0.1 kPa增加到3.2 kPa，Jnr值增大，R值顯著減小，表明橡膠瀝青的抗變形能力對應(yīng)力水平比較敏感，且高溶解性橡膠瀝青HR-RA的恢復率R值和不可恢復柔度Jnr值均優(yōu)于常規(guī)橡膠瀝青RA，隨著應(yīng)力水平增加，高溶解性橡膠瀝青HR-RA的恢復率R值和不可恢復柔度Jnr值削弱程度顯著低于常規(guī)橡膠瀝青RA，表明高溶解性橡膠瀝青HR-RA的抵抗高應(yīng)力水平的能力較強，采用微波脫硫和廢機油的復合制備方法提高了橡膠瀝青的高溫彈性恢復率以及高溫抗變形性能。

(a) 0.1 kPa恢復率

2.3 低溫流變試驗

分別對高溶解性橡膠瀝青與常規(guī)橡膠瀝青進行低溫流變試驗，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著橡膠粉含量的增加，弛豫模量先增后減，說明橡膠瀝青的低溫性能先減小后增大。弛豫速率值隨著橡膠粉含量的增加而逐漸降低，表明橡膠瀝青的低溫松弛能力逐漸降低。橡膠粉含量高的橡膠瀝青弛豫速率絕對值明顯低于橡膠含量低的橡膠瀝青。弛豫模量越低，弛豫速率絕對值越高，累積溫度應(yīng)力越小，累積溫度應(yīng)力釋放越快，從而減少了瀝青路面的收縮和開裂。相較常規(guī)橡膠瀝青RA，高溶解性橡膠瀝青HR-RA的低溫弛豫模量最低，弛豫速率絕對值最高。因此，高溶解性橡膠瀝青HR-RA表現(xiàn)出最佳的低溫抗裂性能，降低了瀝青路面內(nèi)部溫度應(yīng)力，防止了低溫裂縫。

2.4 軟化點試驗

通過對高溶解性橡膠瀝青與常規(guī)橡膠瀝青進行軟化點試驗，結(jié)果如圖4所示。

(a) 弛豫模量

圖4 不同橡膠瀝青的軟化點差值Fig.4 Softening point differences of different rubber asphalt

由圖4可知，含量5%常規(guī)橡膠瀝青RA的軟化點差僅為6.1 ℃，而35%常規(guī)橡膠瀝青RA的軟化點差為13.8 ℃，常規(guī)橡膠瀝青試樣頂部與底部的軟化點差值隨橡膠粉含量的增加而增大，表明橡膠粉含量越高，軟化點差值越大，因而離析程度較高且貯存穩(wěn)定性較差；相較常規(guī)橡膠瀝青RA，高溶解性橡膠瀝青HR-RA的軟化點差為5.8 ℃～6.2 ℃，表明微波脫硫加廢機油的組合方法顯著提高了橡膠瀝青的貯存穩(wěn)定性；當橡膠粉含量達到25%以后，高溶解性橡膠瀝青HR-RA的軟化點差值變化不顯著，表明橡膠顆粒在瀝青中的溶解度有限，當溶解在瀝青中的橡膠顆粒含量達到峰值時，多余的橡膠顆粒不再溶解。

3 結(jié)論

本文采用廢機油添加和微波脫硫的復合方法制備高溶解性橡膠瀝青HR-RA，分別對其溶解度、流變性能和貯存穩(wěn)定性開展相應(yīng)的試驗研究，主要結(jié)論如下：

1) 廢機油和微波脫硫的復合制備方法顯著提高了橡膠粉在基質(zhì)瀝青中的溶解度；與常規(guī)橡膠瀝青RA相比，高溶解性橡膠瀝青HR-RA的溶解度提高了10%。

2) 結(jié)合高溫多應(yīng)力蠕變恢復試驗、低溫流變試驗以及軟化點試驗結(jié)果，高溶解性橡膠瀝青HR-RA的最佳含量范圍約為25%，相較于常規(guī)橡膠瀝青RA，增加了橡膠粉的含量，同時提高了其高溫抗變形性能和低溫抗裂性能。

3) 相較于常規(guī)橡膠瀝青RA，高溶解性橡膠瀝青HR-RA的高溫抗變形性能、低溫抗裂性能和儲存穩(wěn)定性均有所提高，廢機油和微波脫硫的復合制備方法可顯著提高橡膠瀝青的性能。