廢胎膠粉改性瀝青制備及其混合料路用性能

劉宏鶴

(中鐵城市發(fā)展投資集團有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

廢胎膠粉改性瀝青混合料不僅擁有優(yōu)異的高/低溫、疲勞等路用性能[1]，而且具有促進(jìn)廢舊輪胎資源化利用，有效解決“黑色污染”等環(huán)境功效[2]，近年來已逐漸得到了廣泛研究與應(yīng)用。況棟梁等[3]研究了脫硫工藝對膠粉改性瀝青路用性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響，并得出膠粉脫硫可以降低膠粉改性瀝青的黏度，提升膠粉與瀝青間的相容性。栗培龍等[4]制備了橡膠粉改性瀝青，系統(tǒng)研究了膠粉在瀝青中溶脹與降解特性，并推薦了膠粉用量為20%。Xue等[5]分析了不同活性膠粉含量改性瀝青的貯存能力，并得出活性膠粉具有更好的相容性，且改性瀝青的貯存性能與膠粉含量呈正相關(guān)，膠粉含量為60%是最佳摻量。王嵐等[6]探究了老化作用下橡膠粉改性瀝青性能流變特性的變化規(guī)律，并得出膠粉改性瀝青流變性能與老化溫度呈負(fù)相關(guān)。徐鷗明等[7]研究表明低摻量(7%)橡膠瀝青混合料路用性能表現(xiàn)優(yōu)異，且可明顯降低瀝青用量，經(jīng)濟性顯著。劉培榮[8]系統(tǒng)分析了不同橡膠瀝青類型的瀝青混合料路用性能，并得出橡膠瀝青質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。綜上可知，目前研究者們針對膠粉處理工藝、膠粉改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)揭示、膠粉改性瀝青流變特性及路用性能評價等方面已開展了相關(guān)研究，并取得了一定成果。但關(guān)于廢胎膠粉改性瀝青常用基質(zhì)瀝青類型、廢胎膠粉使用粒徑、廢胎膠粉摻量以及廢胎膠粉改性瀝青制備工藝尚未明確，廢胎膠粉改性瀝青基本性能及其混合料路用性能仍需進(jìn)一步探討與研究[9]。

鑒于此，本文系統(tǒng)梳理現(xiàn)有廢胎膠粉改性瀝青相關(guān)規(guī)范，厘定廢胎膠粉改性瀝青常用基質(zhì)瀝青類型和膠粉使用粒徑，并制備廢胎膠粉改性瀝青，評價其基本性能，明確其制備工藝；在此基礎(chǔ)上，對比評價廢胎膠粉改性瀝青混合料路用性能，為進(jìn)一步促進(jìn)廢胎膠粉改性瀝青混合料品質(zhì)提升與質(zhì)量管控奠定基礎(chǔ)。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

關(guān)于廢胎膠粉改性瀝青所用基質(zhì)瀝青，國內(nèi)各省市相關(guān)規(guī)范均做出了明確要求。交通運輸部(JT/T 798—2019)規(guī)定廢胎膠粉改性瀝青所用基質(zhì)瀝青的選用按照J(rèn)TG F40，A級和B級道路石油瀝青或SBS改性瀝青是制備廢胎膠粉改性瀝青的首選；河南省(DB41/T 1611—2018)、江蘇省(DB32/T 2286—2012)、天津市(DB/T 29-161—2018)等規(guī)范均推薦制備廢胎膠粉改性瀝青應(yīng)采用70號、90號道路石油瀝青。廣西壯族自治區(qū)(DB45/T 1098—2014)、上海市(DG/TJ 08-2109—2012)、江西省(DB36/T 744—2013)等規(guī)范均推薦制備廢胎膠粉改性瀝青宜采用70號；廣東省(DB44/T 937—2011)規(guī)范推薦制備廢胎膠粉改性瀝青采用50號或70號；河北省(DB13/T 1013—2009)規(guī)范推薦制備廢胎膠粉改性瀝青采用重交70號、90號、110號瀝青；北京市(DB11/T 916—2012)規(guī)范廢胎膠粉改性瀝青所用基質(zhì)瀝青的選用應(yīng)按照GB/T 15180—2010或JTG F40—2004相關(guān)規(guī)定，以50號、70號、90號和110號道路石油瀝青為主。

由此可見，各省市根據(jù)自身氣候環(huán)境特點在基質(zhì)瀝青選擇方面均做出了明確要求，而通過分析不難發(fā)現(xiàn)70號瀝青使用較為普遍，均在各規(guī)范的推薦范圍內(nèi)。因此，為明晰廢胎膠粉改性瀝青及其混合料的性能水平，本研究廢胎膠粉改性瀝青的制備選用SK70號基質(zhì)瀝青，技術(shù)指標(biāo)詳見表1。

1.2 廢胎膠粉

關(guān)于廢胎膠粉使用粒徑方面，河南省(DB41/T 1611—2018)、江蘇省(DB32/T 2286—2012)、河北省(DB13/T 1013—2009)要求制備廢胎膠粉改性瀝青所用廢胎膠粉粒徑應(yīng)在20目～80目；廣西省(DB45/T 1098—2014)、上海市(DG/TJ 08-2109—2012)要求制備廢胎膠粉改性瀝青所用廢胎膠粉粒徑為30目～80目；廣東省(DB44/T 937—2011)根據(jù)自己的氣候特點要求廢胎膠粉粒徑在50目以下；江西省(DB36/T 744—2013)要求廢胎膠粉粒徑為20目～60目；天津市(DB/T 29-161—2018)要求廢胎膠粉粒徑在30目～60目；北京市(DB11/T 916—2012)將其要求分為三類：Ⅰ類30目以下、Ⅱ類30目～80目、Ⅲ類80目～200目。由此可見，廢胎膠粉的使用粒徑一般應(yīng)不大于80目，且不小于20目。但相關(guān)研究表明[10]，40目廢胎膠粉與80目廢胎膠粉應(yīng)用較為普遍，并且從生產(chǎn)加工廢胎膠粉的經(jīng)濟性角度出發(fā)宜推薦采用40目廢胎膠粉制備改性瀝青。

表1 SK70號基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

關(guān)于廢胎膠粉摻量方面，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，廢胎膠粉的摻量一般不小于瀝青用量的15%。其中，交通運輸部(JT/T 798—2019)規(guī)定廢胎膠粉一般不小于基質(zhì)瀝青質(zhì)量的20%(外摻)；河南省(DB41/T 1611—2018)要求其為瀝青用量的15%～20%；江蘇省(DB32/T 2286—2012)要求內(nèi)摻不小于15%或17.6%；河北省(DB13/T 1013—2009)要求內(nèi)摻不小于15%、外摻不小于17.6%；廣西省(DB45/T 1098—2014)的規(guī)定較為具體，其要求基質(zhì)瀝青∶膠粉為100∶17～100∶25，但廢胎膠粉改性瀝青做防水黏結(jié)層時要求15∶100。綜合來看，各省規(guī)范要求膠粉摻量均在15%以上，僅天津市要求摻量宜低于道路石油瀝青質(zhì)量的15%(內(nèi)摻)，江西省(DB36/T 744—2013)和上海市(DG/TJ 08-2109—2012)未做要求。

鑒于上述分析，本研究采用40目廢舊輪胎橡膠粉(見圖1)，且其摻量選擇為20%(外摻)制備改性瀝青，以明確廢胎膠粉改性瀝青制備工藝，并評價廢胎膠粉改性瀝青基本性能及其混合料路用性能。

1.3 集料與填料

本研究制備廢胎膠粉改性瀝青混合料的集料均采用玄武巖，礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而成，并按照(JTG E42—2005)對集料和填料的技術(shù)性質(zhì)進(jìn)行了測試，詳見表2～表4。

表2 粗集料主要技術(shù)指標(biāo)

表3 細(xì)集料主要技術(shù)指標(biāo)

表4 礦粉主要技術(shù)指標(biāo)

2 廢胎膠粉改性瀝青制備與性能評價

2.1 制備工藝

廢胎膠粉改性瀝青制備工藝是決定其使用品質(zhì)的關(guān)鍵，本節(jié)在系統(tǒng)分析國內(nèi)現(xiàn)有膠粉和SBS改性瀝青的制備方法的基礎(chǔ)上，確定廢胎膠粉改性瀝青的制備工藝如下：

1)基質(zhì)瀝青加熱后取出約500 g。

2)首先采用電爐將基質(zhì)瀝青加熱至140 ℃，然后緩慢加入廢胎膠粉，并同時采用玻璃棒勻速攪拌。

3)待廢膠粉與瀝青的混合物表面看不到特別大的氣泡時，且瀝青表面沒有明顯顆粒物時，將混合物加熱至180 ℃，然后采用高速剪切儀以1 000 r/min的速度攪拌10 min，再以4 000 r/min高速剪切1 h。

4)將高速剪切后的廢膠粉改性瀝青放置于170 ℃～180 ℃ 鼓風(fēng)干燥箱中溶脹發(fā)育3 h，即制得廢膠粉改性瀝青。

2.2 廢胎膠粉改性瀝青基本性能

廢胎膠粉改性瀝青的基本性能是決定其工程應(yīng)用效果的首要條件。因此，系統(tǒng)測試了廢胎膠粉摻量為20%(外摻)條件下改性瀝青的基本性能試驗，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 廢胎膠粉改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

廢胎膠粉改性瀝青的基本性能試驗結(jié)果表明，采用2.1節(jié)廢胎膠粉改性瀝青制備工藝制備的廢胎膠粉摻量為20%(外摻)的改性瀝青基本性能均滿足規(guī)范(JT/T 798—2019)要求，且表現(xiàn)優(yōu)異。

3 廢胎膠粉改性瀝青混合料配合比設(shè)計

本文選用AC-16型級配進(jìn)行廢胎膠粉改性瀝青混合料路用性能研究。參考JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程，按照馬歇爾試驗方法得出廢胎膠粉改性瀝青在廢胎膠粉改性瀝青混合料中的最佳用量為5.6%。AC-16型級配詳見表6。

表6 廢胎膠粉改性瀝青混合料AC-16級配

4 廢胎膠粉改性瀝青混合料路用性能

4.1 高溫性能

動穩(wěn)定度能較好的反映瀝青路面在夏季高溫季節(jié)抵抗在車輛荷載反復(fù)作用下的抗車轍能力。所以，本節(jié)采用車轍試驗評定廢胎膠粉改性瀝青混合料的高溫特性。按照(JTG E20—2011)采用輪碾成型法成型廢胎膠粉改性瀝青混合料車轍板試件，并將廢胎膠粉改性瀝青混合料車轍板試件室內(nèi)養(yǎng)生12 h后進(jìn)行試驗測試(試驗溫度為60 ℃)，具體測試結(jié)果見圖2。

由圖2可知，廢胎膠粉改性瀝青混合料具有優(yōu)異的高溫抗車轍性能。隨著廢胎膠粉的摻加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度可提升97.2%，達(dá)4 437次/mm。表明在高溫條件下，廢胎膠粉依舊表現(xiàn)出良好的彈性，并且廢胎膠粉能夠提升瀝青與集料之間的黏附性，因此，廢胎膠粉改性瀝青混合料高溫抗車轍能力得到明顯提升。

4.2 低溫性能

路面內(nèi)部溫度應(yīng)力在環(huán)境溫度快速下降時若達(dá)到瀝青混合料的容許應(yīng)力值，瀝青路面就易出現(xiàn)低溫開裂。因此，本研究為明晰所制備的廢胎膠粉改性瀝青混合料低溫性能，參考JTG E20—2011，采用萬能材料試驗機進(jìn)行廢胎膠粉改性瀝青混合料低溫小梁彎曲試驗。試件制備時首先采用輪碾法成型300 mm×300 mm×50 mm的廢胎膠粉改性瀝青混合料車轍板，然后切割成長250 mm×30 mm×35 mm的小梁試件。

試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，廢胎膠粉改性瀝青混合料的低溫性能表現(xiàn)優(yōu)良，其最大彎拉應(yīng)變達(dá)3 604 με，相比于普通瀝青混合料提升了56.56%。究其原因是因為廢胎膠粉具有良好的彈性和韌性，使得低溫性能得到有效提升，低溫抗變形能力顯著增強。

4.3 水穩(wěn)性能

為探究廢胎膠粉改性瀝青混合料水穩(wěn)性能，參考JTG E20—2011，以浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度作為評價指標(biāo)，研究廢胎膠粉改性瀝青的抗水損壞能力。廢胎膠粉改性瀝青混合料試件為標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，試驗開始前需要將試件放置于溫度為60 ℃的水浴中48 h。廢胎膠粉改性瀝青混合料水穩(wěn)性能試驗結(jié)果見圖4。

由圖4可知，普通瀝青混合料和廢胎膠粉改性瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度分別為86.4%和89.6%；相比于普通瀝青混合料，廢胎膠粉改性瀝青混合料水穩(wěn)性能可提升3.2%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因為，隨著廢胎膠粉的加入，瀝青與骨料的黏附性增加，從而削弱了水對瀝青和骨料界面的侵害作用，因此，廢胎膠粉改性瀝青混合料抗水損壞能力得到了明顯增強。

5 結(jié)論

1)針對廢胎膠粉改性瀝青所用基質(zhì)瀝青，各省市根據(jù)自身氣候環(huán)境特點均做出了明確要求：廢胎膠粉的使用粒徑一般應(yīng)不大于80目，不小于20目，且以40目較為常見，其摻量一般不小于15%(外摻)。

2)廢胎膠粉改性瀝青制備方法較為簡便，基質(zhì)瀝青加熱140 ℃后分別加入廢胎膠粉，繼續(xù)加熱至180 ℃，低速剪切10 min(1 000 r/min)后轉(zhuǎn)高速剪切(4 000 r/min)1 h，170 ℃～180 ℃鼓風(fēng)干燥箱中溶脹發(fā)育3 h。

3)廢胎膠粉改性瀝青混合料高溫、低溫以及水穩(wěn)等路用性能表現(xiàn)優(yōu)異，相比于普通瀝青混合料，分別可提升97.2%,56.56%和3.2 %。