蠟基溫拌劑對橡膠瀝青高溫流變性能的影響

張 智，易 為

(宜春交通投資集團有限公司，江西 宜春 336000)

橡膠瀝青由基質(zhì)瀝青和廢舊輪胎膠粉混合生產(chǎn)而成，一方面消耗了難以處理的廢舊輪胎，另一方面橡膠瀝青相比基質(zhì)瀝青具有優(yōu)良的高低溫性能，其已被廣泛的應(yīng)用[1]。但由于輪胎廢舊膠粉的加入，使橡膠瀝青的黏度遠大于基質(zhì)瀝青[2]。為了保證橡膠瀝青混合料拌合、攤鋪和壓實的質(zhì)量需提高瀝青及石料的加熱溫度，這不僅增加了施工過程中的能耗污染，而且降低了其施工和易性。近年來，溫拌劑技術(shù)的發(fā)展有望解決橡膠瀝青推廣中遇到的這一問題[3-5]。

目前，已有許多學者研究了溫拌劑對橡膠瀝青性能的影響。Yu等發(fā)現(xiàn)含有Evotherm(表面活性劑類)溫拌劑制備的溫拌橡膠瀝青在高溫下性能較差，與橡膠瀝青相比，其抗車轍性能較低[6]。劉書堯等發(fā)現(xiàn)在橡膠瀝青中添加以固體蠟為主要成分的有機型降黏型溫拌劑可以降低橡膠瀝青的黏度，改善其施工和易性和高溫性能[4]。本文選用石蠟和聚丙烯蠟2種溫拌劑對膠粉摻量為15%的橡膠瀝青進行改性制備溫拌橡膠瀝青，進而通過對基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青以及不同溫拌橡膠瀝青進行布氏黏度試驗、DSR試驗以及MSCR試驗，以研究兩種溫拌劑對橡膠瀝青高溫流變性能的影響規(guī)律。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

本文采用鎮(zhèn)海70#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)性能指標如表1所示。選取40目膠粉用于橡膠瀝青的制備，其基本性能如表2所示。選用2種蠟基材料作為溫拌劑，分別為石蠟(S)和聚丙烯蠟(P)，其基本指標如表3所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標

表2 40目膠粉技術(shù)指標

表3 溫拌劑的基本性質(zhì)

1.2 試驗方法

1.2.1 溫拌橡膠瀝青制備

為了研究石蠟和聚丙烯蠟2種溫拌劑摻量對橡膠瀝青性能的影響，研究中橡膠瀝青(CRMA)的膠粉摻量均為15%，溫拌劑摻量分別為2%、4%和6%，記溫拌橡膠瀝青的編號為WMRA+溫拌劑代碼+摻量(例如WMRAS2表示摻2%石蠟的溫拌橡膠瀝青)。橡膠瀝青的制備過程如下：首先將基質(zhì)瀝青加熱至180 ℃，加入15%的膠粉后使用高剪切攪拌機在3 600 r/min下剪切45 min，然后加入溫拌劑，在160 ℃條件下攪拌10 min。

1.2.2 旋轉(zhuǎn)黏度

瀝青的黏度可以反映瀝青在對應(yīng)溫度下的流動特性和抗剪切變形水平，黏度越小，瀝青的高溫抗變形能力越差。試驗采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀，按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗測定不同溫度下(135、165、180 ℃)基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青和不同溫拌橡膠瀝青的黏度。

1.2.3 DSR

利用動態(tài)剪切流變儀測試原樣瀝青和短期老化后瀝青試樣的G*和δ，并計算各瀝青試樣的車轍因子(G*/sinδ)，掃描頻率為10 rad/s[7]，試驗裝置如圖1所示。

圖1 DSR試驗裝置

1.2.4 MSCR

根據(jù)AASHTO TP70規(guī)范中的多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗來評價不同橡膠瀝青在高溫性能。研究采用DSR流變儀進行測試，試驗溫度為64 ℃，測試瀝青試樣在0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)岫?Jnr)和蠕變恢復(fù)率(R)。Jnr值越小，表明瀝青試樣的高溫抗變形性能越好，R值表示每個循環(huán)中可恢復(fù)應(yīng)變與總應(yīng)變的比值，R值越高，表明粘結(jié)劑的應(yīng)變恢復(fù)能力越好[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 布氏黏度試驗

基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青和不同溫拌橡膠瀝青分別在135、165、180 ℃溫度下的黏度變化如圖2所示。

圖2 不同溫拌劑對橡膠瀝青黏度的影響

由圖2可以看出：在135 °C時，橡膠瀝青的黏度大約是基質(zhì)瀝青的3倍，這是由于在橡膠瀝青制備過程中膠粉顆粒吸收了基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分而膨脹，從而使其黏度顯著增加；溫度為135～165 ℃時不同瀝青黏度下降幅度十分明顯；溫度為165～185 ℃時瀝青黏度下降幅度減緩。這是由于，溫度較低時只有少量能夠瀝青分子克服其內(nèi)部黏性力進行熱運動，而瀝青分子的熱運動隨著溫度的升高而加劇，所以表現(xiàn)為溫度低時黏度較大，溫度高時黏度較小[9]。在橡膠瀝青中摻入溫拌劑可以有效降低橡膠瀝青的黏度，但是不同溫拌劑的降粘效果不同。同一溫度下，與石蠟溫拌劑相比，聚丙烯蠟的降粘效果更好。當聚丙烯蠟的摻量為6%時，溫拌橡膠瀝青的135 ℃的黏度比橡膠瀝青降低49%。

2.2 DSR試驗

基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青以及不同溫拌橡膠瀝青在未老化和短期老化后的車轍因子(G*/sinδ)如圖3所示。

(a)原樣瀝青

由圖3可以看出：在同一溫度下，改性瀝青的G*/sinδ均大于基質(zhì)瀝青，這說明(溫拌)橡膠瀝青的高溫抗車轍性能由于基質(zhì)瀝青。在同一溫度下，摻加2%聚丙烯蠟溫拌劑的橡膠瀝青具有最高的G*/sinδ值，而4%的聚丙烯蠟溫拌瀝青的G*/sinδ幾乎相同，但當提高聚丙烯蠟摻量時，溫拌橡膠瀝青的G*/sinδ值逐漸降低。此外，摻加石蠟溫拌劑的溫拌橡膠瀝青的G*/sinδ均低于橡膠瀝青，說明石蠟溫拌劑對加入會削弱橡膠瀝青的抗車轍性能。此外，由圖3還可以看出：ZH70#、WMRAS4和WMRAS6的高溫等級為64℃，CMRA、WMRAS2、WMRAP4和WMRAP6的高溫等級為70 ℃，WMRAP2的高溫等級為76 ℃。

2.3 MSCR試驗

圖4～5分別為基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青和不同溫拌橡膠瀝青在0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)岫?Jnr)和蠕變恢復(fù)率(R)。

圖4 不同瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr值

圖5 不同瀝青的平均應(yīng)變恢復(fù)率R

由圖4～5可以看出：與基質(zhì)瀝青相比，橡膠瀝青的Jnr值較低，R值較高，表明其抗永久變形能力較強。這是由于橡膠瀝青在制備過程中膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青的相互作用導致其分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的剛性較大，從而具有較大的復(fù)模量G*，因此橡膠瀝青具有較強的其抗永久變形能力。對于摻入石蠟溫拌劑的溫拌橡膠瀝青來說，在應(yīng)力水平為3.2 kPa時，石蠟的加入使橡膠瀝青的Jnr值增大，R值降低。而在0.1 kPa的應(yīng)力水平下，石蠟略微提高瀝青膠結(jié)料的R值，但隨著其摻量的增加，R值出現(xiàn)下降。對于添加聚丙烯蠟的橡膠瀝青來說，聚丙烯蠟的加入降低了橡膠瀝青的Jnr值，提高了R值，且隨著聚丙烯蠟摻量的增加，其Jnr值逐漸增大，R值逐漸降低。在所有瀝青樣品中，WMRAP2試樣具有最小的Jnr值和最大R值，說明在2種應(yīng)力水平下，摻2%聚丙烯蠟的溫拌橡膠瀝青抗車轍能力最強。

3 結(jié)論

1)石蠟和聚丙烯蠟的加入均能降低橡膠瀝青的黏度，且隨其摻量越大，黏度逐漸越低，6%摻量的聚丙烯蠟降黏效果最好。

2)石蠟對橡膠瀝青的抗車轍性能沒有幫助，反而會降低其抗車轍性能，但與基質(zhì)瀝青相比，含石蠟的橡膠瀝青仍具有較好的車轍性能。

3)聚丙烯蠟可以改善橡膠瀝青的抗車轍性能，隨著其摻量的增加，改善效果逐漸降低，且含2%聚丙烯蠟的橡膠瀝青的抗車轍性能最好。