廢輪胎橡膠粉尺寸對(duì)橡膠改性瀝青性能的影響研究

張慎

摘要：為對(duì)比研究不同目數(shù)廢舊橡膠粉改性瀝青的性能，選用30目和50目廢輪胎橡膠粉，在室內(nèi)制備橡膠改性瀝青，開(kāi)展常規(guī)性能試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)剪切流變性能試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明：與50目廢舊橡膠粉相比，30目廢舊橡膠粉改性瀝青的物理性質(zhì)較優(yōu)，但180℃布式旋轉(zhuǎn)黏度較高，不利于工廠泵送和現(xiàn)場(chǎng)施工；30目橡膠改性瀝青與50目橡膠改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性差異較小，但在存儲(chǔ)過(guò)程中的橡膠顆粒狀態(tài)有所區(qū)別；相比50目橡膠改性瀝青，30目橡膠改性瀝青的流變特性具有更好的彈性響應(yīng)，更好的高溫性能。

關(guān)鍵詞：道路工程；廢舊橡膠粉；顆粒大??；常規(guī)性能；流變特性

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ330.9? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1674-0688（2023）06-0064-04

0 引言

汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展帶來(lái)對(duì)橡膠輪胎的巨大需求，然而廢舊輪胎的數(shù)量也快速增長(zhǎng)?；厥绽脧U舊輪胎的方案之一是將其制備為橡膠粉應(yīng)用于瀝青中，制備成橡膠改性瀝青。橡膠粉可以直接（干法）添加到瀝青混合物，或者可以先與瀝青混合料形成改性瀝青（濕法），再與集料混合形成瀝青混合料［1］。與干法相比，濕法可提升瀝青和橡膠粉的相容性，從而提升橡膠改性瀝青的性能。然而，濕法制備橡膠改性瀝青的過(guò)程中，橡膠粉與瀝青的相互作用過(guò)程取決于各種材料的特性和加工條件［2］。目前，有研究者認(rèn)為橡膠改性瀝青制備過(guò)程的相互作用有2種機(jī)制，即物理溶脹和化學(xué)降解［3-4］。橡膠粉在瀝青的溶脹過(guò)程經(jīng)歷了一個(gè)快速發(fā)展階段，然后達(dá)到平衡狀態(tài)；在相同的橡膠-瀝青相互作用時(shí)間下，混合溫度越高，其膨脹率越大［5-6］。因此，橡膠粉顆粒的實(shí)際物理特性對(duì)膨脹現(xiàn)象具有重要作用，例如粒徑越小，比表面積和長(zhǎng)徑比越大，改性瀝青的黏度、軟化點(diǎn)和彈性就越高，抗車(chē)轍性就越好。有學(xué)者研究表明：在任何情況下，達(dá)到平衡溶脹所需的時(shí)間與橡膠顆粒直徑的平方成反比［7］。橡膠粉的尺寸和化學(xué)成分改變了其與瀝青的相互作用方式，從而改變了橡膠改性瀝青在使用壽命內(nèi)的服役性能。然而，制造均勻尺寸的橡膠粉顆粒在實(shí)踐中是不可行的；相反，橡膠粉由不同直徑的顆粒組成，具有類(lèi)似礦粉的級(jí)配特征。因此，更合適和實(shí)用的方法是研究橡膠粉級(jí)配的性能，而不是研究單個(gè)顆粒的行為?；诖?，本文研究橡膠粉顆粒的大小對(duì)橡膠改性瀝青的物理、化學(xué)、流變和儲(chǔ)存穩(wěn)定性等性能的影響。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

廢舊橡膠粉選用30目和50目2種型號(hào)，采購(gòu)自廣西南寧某輪胎回收廠，該工廠通過(guò)研磨工藝回收重載汽車(chē)輪胎用于生產(chǎn)廢舊橡膠粉。對(duì)廢舊橡膠粉顆粒的組成進(jìn)行篩分，繪制級(jí)配曲線圖（如圖1所示）。從圖1可知，與50目橡膠粉相比，30目橡膠粉的級(jí)配組成中，大顆粒（＞0.6 mm）占據(jù)顆粒組成的40%左右。這意味著相比50目橡膠粉，30目橡膠粉具有更大的比表面積，可用于與瀝青的相互作用。

采用70#A級(jí)瀝青作為基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 橡膠改性瀝青制備方法

將70#A級(jí)瀝青加熱到170 ℃，添加20%的瀝青質(zhì)量的廢舊橡膠粉，采用高速剪切儀以1 000 rpm的剪切速度剪切攪拌60 min，并用錫紙封閉容器口，將剪切攪拌好的橡膠改性瀝青在170 ℃烘箱中保溫30 min，制得橡膠改性瀝青。選用20%摻量的原因?yàn)橄鹉z改性瀝青的橡膠粉摻量為18%～23%時(shí)具有較佳的性能。

1.2.2 試驗(yàn)方法

（1）常規(guī)性能試驗(yàn)。常規(guī)性能試驗(yàn)主要包括針入度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)以及儲(chǔ)存穩(wěn)定性，試驗(yàn)過(guò)程參考我國(guó)規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）［8］中的相關(guān)要求。

（2）按照《動(dòng)態(tài)剪切流變儀測(cè)定瀝青粘結(jié)劑流變特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》（ASTM D7175—15）［9］中的要求，開(kāi)展頻率掃描試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為5 ℃、15 ℃、25 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃，加載頻率為0.1～15 Hz，對(duì)每種瀝青進(jìn)行3次重復(fù)的頻率掃描測(cè)試。使用直徑為8 mm和25 mm、間隙為2 mm和1 mm的平行板，其中5 ℃和15 ℃為8 mm的平板、2 mm的間隙，其余溫度為25 mm的平板、1 mm的間隙。在試驗(yàn)過(guò)程中，將應(yīng)變?cè)O(shè)置為0.01%，防止瀝青結(jié)合料超出線性黏彈性區(qū)域。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 常規(guī)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

常規(guī)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，試驗(yàn)結(jié)果包括針入度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)和180 ℃布式旋轉(zhuǎn)黏度。

由表2可知，摻加廢橡膠粉后，橡膠改性瀝青常規(guī)性能中，針入度降低、軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)率增大，表明廢橡膠粉提高了瀝青的彈性能力。橡膠顆粒的大小對(duì)橡膠改性瀝青的影響較大，30目的橡膠改性瀝青的各項(xiàng)性能優(yōu)于50目橡膠改性瀝青，例如30目橡膠改性瀝青的針入度和軟化點(diǎn)分別為29.8 mm和64.5 ℃，而50目橡膠改性瀝青的針入度和軟化點(diǎn)分別為35.1 mm和60.1 ℃。橡膠顆粒大小的一個(gè)突出的影響表現(xiàn)在25 ℃的彈性恢復(fù)和180 ℃布式旋轉(zhuǎn)黏度2個(gè)指標(biāo)上。30目橡膠改性瀝青的彈性恢復(fù)比50目橡膠改性瀝青高12.5%，前者表現(xiàn)出更大的彈性行為。然而，較細(xì)顆粒（50目）廢橡膠粉對(duì)橡膠改性瀝青有利的方面是其黏度較低，較低的黏度有利于工廠泵送和施工，并能降低瀝青混合料的出廠溫度和壓實(shí)溫度，有利于節(jié)約能源消耗和實(shí)現(xiàn)環(huán)保排放。

儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知：30目橡膠改性瀝青的頂部/底部軟化點(diǎn)之差為3.2 ℃，而50目橡膠改性瀝青的頂部/底部軟化點(diǎn)之差為3.4 ℃，表明廢舊橡膠粉的顆粒大小對(duì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響不大。然而，30目橡膠改性瀝青的頂部試樣具有更高的軟化點(diǎn)，這可能是由于30目橡膠改性瀝青相比50目橡膠改性瀝青具有更高的黏度所致。與50目橡膠改性瀝青相比，更高的黏度不利于橡膠顆粒在管中向下遷移。由于橡膠含量高（20%），在烘箱中模擬儲(chǔ)存期間，橡膠顆粒比重相較基質(zhì)瀝青更大，因此橡膠顆粒沒(méi)有足夠的空間移動(dòng)和遷移到管的底部，這解釋了為何30目橡膠改性瀝青頂部試樣具有更高的軟化點(diǎn)，而50目橡膠改性瀝青底部軟化點(diǎn)更高的試驗(yàn)現(xiàn)象。

2.2 動(dòng)態(tài)剪切流變性能試驗(yàn)

2.2.1 頻率掃描試驗(yàn)結(jié)果及分析

5 ℃和80 ℃的頻率掃描試驗(yàn)結(jié)果如圖2至圖5所示。由圖2至圖5可知：試驗(yàn)溫度為5 ℃時(shí)，70#瀝青的儲(chǔ)存模量G′和損失模量值G″都隨加載速率先快速增加而后線性增加。表明70#瀝青的黏彈性對(duì)頻率有很高的敏感性。與之類(lèi)似的，橡膠改性瀝青也顯示出類(lèi)似的上升趨勢(shì)，但橡膠改性瀝青的模量隨頻率的增加幅度和速率小于70#瀝青。表明廢舊橡膠粉與70#瀝青發(fā)生了充分的相互作用并對(duì)其進(jìn)行了改性。在80 ℃和低頻條件下，未改性的70#瀝青表現(xiàn)出一部分熔融狀態(tài)（如圖3所示）。此外，橡膠改性瀝青相比70#瀝青具有更大的復(fù)數(shù)剪切模量，而且具有一定的平臺(tái)區(qū)。上述現(xiàn)象表明：廢舊橡膠顆粒提升了70#瀝青在高溫下抵抗剪切變形的能力，并且在抵抗高溫變形方面占據(jù)主導(dǎo)作用，這一點(diǎn)與聚合物改性瀝青的作用類(lèi)似。在高溫下，儲(chǔ)能模量G′受到施加載荷速率的影響較小，這是橡膠材料的常見(jiàn)特征［10-11］。

2.2.2 溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果及分析

儲(chǔ)能模量和損耗模量可以用復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ的形式共同描述。G*表示材料的總體抗剪切強(qiáng)度，而δ表示彈性和黏性成分的相對(duì)比例。相位角大小為0～90°，其中0表示純彈性（固體），而90°表示純黏性（流體）材料。復(fù)數(shù)剪切模量G*和相位角δ隨溫度的變化如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7中可以看到，即使在中等溫度（25 ℃）條件下，70#瀝青也容易受到溫度變化的影響。此外，橡膠改性瀝青在低溫條件下具有較低的剛度和相位角值，適用于寒冷地區(qū)；而且在高溫條件下的剛度較大，因此在炎熱氣候區(qū)域也適用。從圖2至圖7中可以看出，就橡膠瀝青顆粒大小因素的影響而言，30目橡膠改性瀝青在彈性方面比50目橡膠改性瀝青表現(xiàn)更好，尤其是在高溫條件下，這可能與較大尺寸顆粒的比例比50目橡膠改性瀝青相對(duì)較高有關(guān)。如果粗和細(xì)2種顆粒在高溫下與瀝青發(fā)生溶脹，則細(xì)顆粒將具有更大的溶脹潛力，并且其比粗顆粒具有更大的比表面積，因此可以更快地溶脹。如果2種顆粒都與瀝青相互作用一段時(shí)間（即直到較粗的顆粒達(dá)到其平衡階段），則較細(xì)的顆粒很有可能解聚并溶解在瀝青中。解聚現(xiàn)象導(dǎo)致聚合物添加到基礎(chǔ)瀝青中的不利影響的損失，從而導(dǎo)致高溫下的相位角更大。然而，較粗的顆粒具有較低的溶脹程度，這意味著與較細(xì)的顆粒相比，它從基質(zhì)瀝青中吸收的油分較少，膨脹的顆粒分散在基質(zhì)瀝青中，如果與瀝青相互作用的時(shí)間更長(zhǎng)，混合物的熱穩(wěn)定性將更高。盡管較細(xì)的橡膠顆粒顯示出較高的溶脹潛力和溶脹程度，但會(huì)引起橡膠瀝青的彈性降低且熱穩(wěn)定性較差。

2.2.3 Black曲線分析

為了進(jìn)一步理解和驗(yàn)證橡膠改性瀝青流變特性變化，根據(jù)頻率掃描試驗(yàn)結(jié)果繪制70#基質(zhì)瀝青、橡膠改性瀝青Black曲線（如圖8所示）。Black曲線是區(qū)分簡(jiǎn)單流變材料和復(fù)雜材料的一種簡(jiǎn)便的方法。簡(jiǎn)單流變材料隨著溫度的變化表現(xiàn)出從黏彈性固體到黏彈性流體的平穩(wěn)過(guò)渡，而任何添加劑的存在都會(huì)改變這種平穩(wěn)過(guò)渡，這是由于基質(zhì)瀝青和添加劑的流變特性會(huì)隨著溫度變化而發(fā)生變化。

從圖8可以觀察到，70#基質(zhì)瀝青產(chǎn)生了平滑的過(guò)渡曲線，表明材料的熱流變性主要體現(xiàn)為簡(jiǎn)單流變材料。廢舊橡膠粉的加入使熱流變模式從簡(jiǎn)單材料變?yōu)閺?fù)雜材料。與未改性瀝青相比，可以觀察到在中、低溫度（5～25 ℃）下添加廢舊橡膠粉的變化主要為復(fù)數(shù)剪切模量值下降。在5～25 ℃的范圍內(nèi)，橡膠改性瀝青也遵循70#基質(zhì)瀝青的變化規(guī)律，因此該溫度范圍的橡膠改性瀝青的黏彈特性主要由基質(zhì)瀝青主導(dǎo)。然而，廢舊橡膠粉的加入降低了低溫下的復(fù)合剪切模量，能避免路面在低溫下的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，并提高其抗疲勞特性。25～60 ℃有一個(gè)過(guò)渡區(qū)，2種類(lèi)型的材料（基質(zhì)瀝青和橡膠改性瀝青）都顯示出黏彈特性的變化過(guò)程，表現(xiàn)為復(fù)數(shù)剪切模量的顯著下降和相位角值的微小變化。復(fù)數(shù)剪切模量的下降是由瀝青隨著溫度的升高而軟化引起的，而相位角值的變化是由于加入橡膠粉導(dǎo)致的。80 ℃時(shí)，與橡膠改性瀝青相比，基質(zhì)瀝青流變行為變化最小，因?yàn)樗呀?jīng)處于流體狀態(tài)。對(duì)于橡膠改性瀝青而言，此時(shí)橡膠粉在高溫下占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致相位角的大小急劇降低，從而產(chǎn)生非彈性響應(yīng)。橡膠粉顆粒大小因素的影響表現(xiàn)為低溫和高溫下復(fù)數(shù)剪切模量的差異，最顯著的影響是高溫區(qū)的相位角，2種不同大小顆粒的橡膠粉改性瀝青之間的差異約15°，30目橡膠改性瀝青能提供更彈性的響應(yīng)。此外，與50目橡膠改性瀝青相比，30目橡膠改性瀝青的Black曲線更光滑、連續(xù)。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同顆粒大小的橡膠改性瀝青以及70#基質(zhì)瀝青開(kāi)展物理、儲(chǔ)存穩(wěn)定性以及流變性能試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：在物理性質(zhì)方面，30目橡膠改性瀝青比50目橡膠改性瀝青的性能表現(xiàn)更好，但50目橡膠改性瀝青具有更低的180 ℃布式旋轉(zhuǎn)黏度，因此在工廠泵送和現(xiàn)場(chǎng)施工方面比30目橡膠改性瀝青具有優(yōu)勢(shì)。在儲(chǔ)存穩(wěn)定性方面，30目橡膠改性瀝青與50目橡膠改性瀝青差別較小，但二者的存儲(chǔ)穩(wěn)定性有不同的表現(xiàn)，30目橡膠改性瀝青在存儲(chǔ)中，其橡膠顆粒不易下沉，而50目橡膠改性瀝青在存儲(chǔ)中，其橡膠顆粒容易下沉。廢舊橡膠粉顆粒大小對(duì)橡膠改性瀝青的性能有一定的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與30目橡膠改性瀝青相比，50目橡膠改性瀝青降低了橡膠改性瀝青的彈性（彈性恢復(fù)率和相位角），其在溶脹形式下更具顆粒韌性，而30目橡膠改性瀝青流變特性更多是彈性響應(yīng)。

4 參考文獻(xiàn)

［1］岳紅亞，畢玉峰，徐潤(rùn)，等.廢舊輪胎在道路工程中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2022，36（16）：76-86.

［2］姚震，張凌波，梁鵬飛，等.多種濕法橡膠改性瀝青的綜合性能評(píng)價(jià)與改性機(jī)理研究［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2022，36（16）：101-107.

［3］Haopeng Wang，Xueyan Liu，Panos Apostolidis，et al. Numerical investigation of rubber swelling in bitumen［J］. Construction and Building Materials， 2019， 214（30）： 506-515.

［4］底秀玲，仲富，仇新玲，等.橡膠粉改性瀝青的熱穩(wěn)定性及其復(fù)合瀝青的研究［J］.化工新型材料，2023，51（2）：229-234.

［5］XIA Caiyun，CHEN Mingyuan，GENG Jiuguang，et al.Swelling and degradation characteristics of crumb rubber modified asphalt during processing［J］.Mathematical Problems in Engineering，2021：2021.

［6］PERALTA J，SILVA H M R D，MACHADO A V，et al.Changes in rubber due to its interaction with bitumen when producing asphalt rubber［J］.Road Materials and Pa-vement Design，2010，11（4）：1009-1031.

［7］Stroup-Gardiner M， Newcomb D E， Tanquist B.Asphalt-rubber interactions［J］.Transportation research record，1993，1417：99.

［8］JTG E20—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［9］ASTM D7175—15. Standard Test Method for Determining the Rheological Properties of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer［S］.

［10］NAVARRO FJ，PARTAL P，MART NEZ-BOZA F，et al.Rheological characteristics of ground tire rubber-modified bitumens［J］.Chemical Engineering Journal， 2002， 89（1-3）： 53-61.

［11］NAVARRO FJ，PARTAL P，MARTíNEZ B F，et al.Influence of crumb rubber concentration on the rheological behavior of a crumb rubber modified bitumen［J］.Energy &

Fuels，2005，19（5）：1984-1990.