工藝參數(shù)對(duì)橡膠瀝青綜合性能的影響

范定旺

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于廢輪胎是由多分子網(wǎng)鏈構(gòu)成具有三維立體空間結(jié)構(gòu)的硫化橡膠，所以廢舊輪胎是有毒、有害、難以降解的有機(jī)固體廢棄物，被稱(chēng)為“黑色污染”。而將廢舊輪胎粉制成膠粉用于道路瀝青改性中，一方面可以顯著改善瀝青路面高溫抗車(chē)轍性能和疲勞開(kāi)裂等性能[1-3]，降低交通噪聲[4]，另一方面可以節(jié)約資源、減輕環(huán)境污染。因此將廢舊輪胎膠粉用于道路瀝青改性是建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型國(guó)家可持續(xù)發(fā)展基本戰(zhàn)略的一個(gè)重要途徑。

橡膠瀝青的性能優(yōu)勢(shì)和固廢無(wú)害化循環(huán)使用引起了廣泛的關(guān)注。Jeong[5]等研究結(jié)果表明攪拌溫度和攪拌時(shí)間是影響橡膠瀝青性能的最主要因素，溫度越高或反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，橡膠瀝青黏度及失效溫度增加。Thodesen[6]等建立了預(yù)測(cè)橡膠瀝青黏度的模型，其中基質(zhì)瀝青等級(jí)、攪拌溫度和膠粉摻量是影響橡膠瀝青黏度的最明顯因素。劉子興等[7]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)20目膠粉改性瀝青的高溫性能優(yōu)于40目和60目膠粉，而三種橡膠瀝青低溫以及抗疲勞性能則比較接近。張鵬等[8]試驗(yàn)表明橡膠瀝青具有優(yōu)良的抗車(chē)轍性能。對(duì)于低溫性能低摻量時(shí)改善明顯，高摻量時(shí)幾乎沒(méi)有改善。何立平等[9]試驗(yàn)證明膠粉摻量對(duì)橡膠瀝青的路用性能有顯著影響，添加膠粉能有效提高瀝青高溫性能，但同時(shí)降低其低溫開(kāi)裂性能和彈性恢復(fù)能力。張曉亮等[10]研究發(fā)現(xiàn)由于重載卡車(chē)輪胎膠粉中天然膠含量較高，對(duì)橡膠瀝青的低溫流變性能改善效果最佳。

雖然研究人員對(duì)橡膠瀝青做了許多工作，但是由于廢輪胎橡膠是由合成橡膠、天然橡膠、炭黑等組成，同時(shí)包含多種抗老化劑的混合物[11]。因此需要綜合分析工藝條件對(duì)橡膠瀝青性能的影響，以便使橡膠瀝青路面適應(yīng)各種自然條件，從而更好地促進(jìn)橡膠瀝青關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)原材料和主要技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)采用的基質(zhì)瀝青為新疆克拉瑪依生產(chǎn)90號(hào)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示，符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40—2004的要求，廢橡膠輪胎粉選用常溫生產(chǎn)工藝40目膠粉。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

2.2 橡膠改性瀝青制備與主要技術(shù)指標(biāo)

制備橡膠瀝青采用濕法工藝，將一定量的基質(zhì)瀝青在電熱套加熱至設(shè)定溫度，并保溫20 min左右，然后加入不同比例的廢膠粉，在一定轉(zhuǎn)速下高溫?cái)嚢枰欢〞r(shí)間后，得到不同工藝條件下的橡膠瀝青。橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)要求如下。

表2 橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)[12]

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

基質(zhì)瀝青和橡膠顆粒之間的作用包括物理方面和化學(xué)方面，總結(jié)文獻(xiàn)資料影響橡膠瀝青性能工藝條件主要是膠粉摻量、攪拌溫度和攪拌時(shí)間。因此單獨(dú)分析上述3種因素對(duì)橡膠瀝青性能的影響。

3.1 膠粉摻量對(duì)橡膠瀝青性能的影響

膠粉摻量對(duì)橡膠瀝青技術(shù)性能的重要影響，在攪拌時(shí)間60 min和攪拌溫度190℃下，橡膠瀝青性能隨膠粉摻量的變化如圖1～圖5所示。

圖1 針入度隨膠粉摻量的變化

圖2 軟化點(diǎn)隨膠粉摻量的變化

圖3 5℃延度隨膠粉摻量的變化

圖4 布氏黏度隨膠粉摻量的變化

圖5 彈性恢復(fù)隨膠粉摻量的變化

圖4表明隨膠粉摻量增加，橡膠瀝青黏度顯著提高，高摻量（10%～25%）時(shí)黏度增加的趨勢(shì)明顯高于低摻量時(shí)（5%～10%）。

由圖1可知，膠粉摻量的增加使橡膠瀝青的針入度先顯著降低（5%～10%）后降低的趨勢(shì)變緩（10%～25%），表明添加膠粉后，瀝青變稠、變硬。

圖2所示，軟化點(diǎn)隨膠粉摻量的增加先快速增大（5%～10%）后增大趨勢(shì)變慢（10%～25%），表明添加膠粉提高瀝青的高溫穩(wěn)定性。

圖3表明，添加廢胎膠粉使橡膠瀝青的低溫性能得到了明顯的改善，改善的趨勢(shì)隨膠粉摻量的增加逐漸變緩。黏度是評(píng)價(jià)橡膠瀝青性能的關(guān)鍵指標(biāo)，與混合料施工和易性相關(guān)，通常采用170℃～180℃之間的布氏黏度值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5顯示隨膠粉摻量的增加橡膠瀝青的彈性恢復(fù)性能明顯得到改善，改善的趨勢(shì)逐漸變緩。低摻量時(shí)，膠粉吸收瀝青中的輕質(zhì)油分發(fā)生溶脹，其表面與基質(zhì)瀝青形成凝膠體，彼此相連形成似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[13]，改善了橡膠瀝青的性能。高摻量時(shí)（大于20%），瀝青的輕質(zhì)組分相對(duì)減少致使膠粉溶脹作用不充分，膠粉與瀝青之間交聯(lián)作用減弱和膠粒間會(huì)出現(xiàn)微弱的聚團(tuán)現(xiàn)象，影響了橡膠瀝青性能的進(jìn)一步改善。因此，膠粉的摻量應(yīng)該適度選擇。

3.2 攪拌溫度對(duì)橡膠瀝青性能的影響

攪拌溫度對(duì)橡膠瀝青性能有顯著的影響，溫度過(guò)低使瀝青黏稠不利于膠粉顆粒充分吸附、溶脹。溫度過(guò)高，瀝青易于老化。在20%膠粉摻量和攪拌時(shí)間60 min下，橡膠瀝青性能隨攪拌溫度的變化如圖6～圖10所示。

圖6 針入度隨攪拌溫度的變化

圖7 軟化點(diǎn)隨攪拌溫度的變化

圖8 5℃延度隨攪拌溫度的變化

圖9 布氏黏度隨攪拌溫度的變化

圖10 彈性恢復(fù)隨攪拌溫度的變化

可以看出，在170℃～200℃攪拌溫度內(nèi)，橡膠瀝青的針入度、5℃延度隨攪拌溫度的升高而升高，而軟化點(diǎn)、布氏黏度和彈性恢復(fù)隨著溫度的升高先升高再降低。原因分析如下：一定的溫度下（170℃～190℃），隨著溫度的升高，橡膠顆粒的溶脹和分散更充分，膠粉與瀝青之間具有更加完善的三維空間結(jié)構(gòu)，促使橡膠瀝青性能的提升。在較高溫度時(shí)（190℃），高溫加深膠粉顆粒脫硫和裂解反應(yīng)程度，有可能使三維立體結(jié)構(gòu)的硫化橡膠變成直鏈結(jié)構(gòu)再生橡膠，使瀝青和膠粉之間交聯(lián)作用降低，弱化了橡膠瀝青的性能，所以橡膠瀝青攪拌溫度不要超過(guò)190℃。

3.3 攪拌時(shí)間對(duì)橡膠瀝青性能的影響

攪拌時(shí)間也是影響橡膠瀝青性能的關(guān)鍵因素，時(shí)間太短，膠粉溶解、溶脹不充分，而時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響橡膠瀝青性能。在20%膠粉摻量和攪拌溫度190℃下，橡膠瀝青性能隨攪拌時(shí)間的變化如圖11～圖15所示。

圖11 針入度隨攪拌時(shí)間的變化

圖12 軟化點(diǎn)隨攪拌時(shí)間的變化

圖13 5℃延度隨攪拌時(shí)間的變化

圖14 布氏黏度隨攪拌時(shí)間的變化

圖15 彈性恢復(fù)隨攪拌時(shí)間的變化

可以看出，攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)，橡膠瀝青的針入度先減少后增加，在60 min達(dá)到最小值。軟化點(diǎn)、延度、黏度和彈性恢復(fù)先增加后減少，在60 min達(dá)到最大值。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，橡膠顆粒的溶脹程度加深，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更充分，改善了橡膠瀝青的性能。而過(guò)長(zhǎng)的攪拌時(shí)間（大于60 min），膠粉顆粒脫硫和裂解反應(yīng)程度加深，硫化橡膠變成小分子的再生橡膠，使瀝青和膠粉顆粒之間交聯(lián)作用降低，影響了橡膠瀝青的性能。因此生產(chǎn)橡膠瀝青時(shí)，既要保證膠粉完全溶脹，又要防止膠粉嚴(yán)重的脫硫和降解，攪拌溫度和時(shí)間是保證二者平衡關(guān)系的關(guān)鍵控制因素。

4 結(jié)語(yǔ)

a）膠粉摻量的增加，使橡膠瀝青針入度減少，軟化點(diǎn)、延度、黏度、彈性恢復(fù)增加，變化趨勢(shì)由快變緩，說(shuō)明膠粉摻量較小時(shí)（小于20%）瀝青油分相對(duì)充足，膠粉能夠吸收油分充分溶脹，交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加完善，性能得到改善。膠粉摻量較大時(shí)（大于20%），溶脹作用不充分，交聯(lián)作用減弱，分子力下降，膠粒間會(huì)出現(xiàn)微弱的聚團(tuán)現(xiàn)象，限制了溶脹反應(yīng)和交聯(lián)作用，限制了橡膠瀝青性能的進(jìn)一步改善。因此，膠粉的摻量應(yīng)該適度選擇。

b）攪拌溫度或攪拌時(shí)間增加，使膠粉溶脹速度加快，橡膠瀝青的性能得到提升。然而攪拌溫度過(guò)高或攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，橡膠顆粒會(huì)發(fā)生脫硫和裂解反應(yīng)，影響了膠粉與瀝青之間的交聯(lián)作用，消減了橡膠瀝青的性能。

c）攪拌溫度和攪拌時(shí)間是既要保證橡膠顆粒充分溶脹，又要防止橡膠顆粒嚴(yán)重脫硫和降解的關(guān)鍵控制因素。基于橡膠瀝青性能的綜合分析確定工藝條件為：膠粉摻量20%、攪拌溫度190℃、攪拌時(shí)間60 min。