脫硫膠粉改性瀝青的性能研究

甄少華，啜二勇，劉 路，姬玉平，張文博

（天津市交通科學(xué)研究院，天津 300399）

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸量的增大及汽車工業(yè)的發(fā)展，廢舊輪胎在道路工程中的應(yīng)用成為重要的研究課題[1]。研究[2-5]表明，將廢舊輪胎膠粉加入到瀝青中不僅能夠提高瀝青的耐高溫性能、耐疲勞性能及防滑性能，而且可以大幅降低路面行車噪聲及筑路成本。徐曉和等[6]對(duì)基質(zhì)瀝青和膠粉改性瀝青的高溫性能和低溫性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明膠粉改性瀝青的高溫性能和低溫性能均優(yōu)于基質(zhì)瀝青。劉向東[7]對(duì)基質(zhì)瀝青、普通膠粉改性瀝青及微波活化膠粉改性瀝青的針入度、延度、軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)能力和高溫穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，并研究了微波活化膠粉改性瀝青混合料的路用性能，結(jié)果表明微波活化膠粉改性瀝青的低溫延展性、相容穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和彈性恢復(fù)能力更好，其改性瀝青混合料的路用性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料。崔亞楠等[8]采用高速剪切設(shè)備，以70#瀝青及粒徑為0.60 mm的膠粉為原材料制備了膠粉改性瀝青，并利用紅外光譜、熱重分析、掃描電子顯微鏡和動(dòng)態(tài)剪切流變儀研究了膠粉微觀結(jié)構(gòu)對(duì)改性瀝青性能的影響，結(jié)果表明膠粉與瀝青能夠均勻混合，使得瀝青的粘度增大，溫度敏感性降低，綜合性能得到較大幅度改善[9]。綜合上述，膠粉改性瀝青具有良好的應(yīng)用前景。

目前，膠粉主要分為硫化膠粉和脫硫膠粉兩類，其中硫化膠粉是由廢舊輪胎或橡膠制品直接經(jīng)過不同工藝破碎而制得的，即為普通膠粉，而脫硫膠粉是硫化膠粉經(jīng)過脫硫而制得的[10-11]，由于脫硫過程使得橡膠中的部分交聯(lián)鍵被打斷，脫硫膠粉在瀝青中的溶脹和分散性能好，因此脫硫膠粉能夠大幅改善瀝青的性能[9-12]。

本工作對(duì)不同摻量脫硫膠粉改性瀝青的常規(guī)性能進(jìn)行測(cè)試，以確定脫硫膠粉的最佳摻量，并研究最佳摻量的脫硫膠粉改性瀝青的熱穩(wěn)定性、高溫性能和低溫性能，并與基質(zhì)瀝青和普通膠粉改性瀝青進(jìn)行對(duì)比，以期為脫硫膠粉改性瀝青的實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

基質(zhì)瀝青，昆侖70#道路石油瀝青，東莞泰和瀝青有限公司產(chǎn)品；脫硫膠粉，粒徑為0.45 mm，江陰市安基橡膠工業(yè)有限公司產(chǎn)品；普通膠粉（粒徑為0.45 mm）改性瀝青，實(shí)驗(yàn)室自制。

70#基質(zhì)瀝青的性能和脫硫膠粉的性質(zhì)分別如表1和2所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青的性能Tab.1 Performance of 70# base asphalt

表2 脫硫膠粉的性質(zhì)Tab.2 Properties of desulfurized rubber powder

1.2 脫硫膠粉改性瀝青的制備

先將基質(zhì)瀝青置于135 ℃烘箱中約1 h，進(jìn)行瀝青脫水及軟化，然后稱取一定質(zhì)量的基質(zhì)瀝青放入剪切機(jī)中，將剪切機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至3 500 r·min-1，確?；|(zhì)瀝青具有一定的流動(dòng)性，當(dāng)瀝青溫度升至160 ℃時(shí)將摻量（以瀝青質(zhì)量的百分比計(jì)）分別為18%，21%，24%，27%，30%的脫硫膠粉加入到基質(zhì)瀝青中；再將剪切機(jī)轉(zhuǎn)速逐步增大至5 000～6 000 r·min-1，瀝青溫度保持在160～190℃范圍內(nèi)并持續(xù)剪切60 min左右，至肉眼無可見顆粒時(shí)停止剪切，最后將瀝青放置在175 ℃烘箱中發(fā)育約50 min。

試樣制作完成后做好標(biāo)記，留待性能測(cè)試。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 常規(guī)性能

按照J(rèn)TG E20—2011[13]規(guī)定，采用T 0604—2011試驗(yàn)方法對(duì)不同摻量脫硫膠粉改性瀝青和普通膠粉改性瀝青進(jìn)行針入度（25 ℃）測(cè)試，采用T 0605—2011進(jìn)行延度（5 ℃）和180 ℃粘度測(cè)試，采用T 0606—2011試驗(yàn)方法進(jìn)行軟化點(diǎn)測(cè)試。

1.3.2 熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性與性能衰變

按照J(rèn)TG E20—2011[13]規(guī)定，采用T 0661—2011試驗(yàn)方法對(duì)基質(zhì)瀝青、普通膠粉改性瀝青和脫硫膠粉改性瀝青進(jìn)行熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性測(cè)試[14]。

將一定質(zhì)量的脫硫膠粉改性瀝青在165，175，185 ℃的烘箱內(nèi)儲(chǔ)存，測(cè)試脫硫膠粉改性瀝青分別儲(chǔ)存6，12，24，48，72 h時(shí)的性能。

1.3.3 高溫動(dòng)態(tài)剪切流變性能

采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的AR2000EX型動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR），按照AASHTO TP5規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)試基質(zhì)瀝青、普通膠粉改性瀝青和脫硫膠粉改性瀝青的高溫動(dòng)態(tài)剪切流變性能[15]，主要包括復(fù)數(shù)剪切模量（G*）、相位角（δ）、抗車轍因子（G*/sinδ）。試驗(yàn)選擇溫度掃描模式，溫度范圍為58～88 ℃，溫度間隔為6 ℃。

1.3.4 低溫彎曲蠕變性能

采用美國(guó)Cannon公司生產(chǎn)的TE-BBR-F型瀝青彎曲梁流變儀（BBR），按照AASHTO TP1規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)試基質(zhì)瀝青、普通膠粉改性瀝青和脫硫膠粉改性瀝青的低溫性能，以勁度模量和蠕變速率為主要性能指標(biāo)。分別測(cè)定－12，－18，－24 ℃下瀝青的勁度模量和加載60 s的蠕變曲線的斜率即蠕變速率[16]，試驗(yàn)溫度波動(dòng)幅度控制在±0.1 ℃，試樣尺寸為127 mm×6.35 mm×6.35 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫硫膠粉摻量對(duì)改性瀝青常規(guī)性能的影響

對(duì)5種不同摻量脫硫膠粉改性瀝青的常規(guī)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同摻量脫硫膠粉改性瀝青的常規(guī)性能Fig.1 Conventional properties of modified asphalts with different contents of desulfurized rubber powder

由圖1可以看出：當(dāng)脫硫膠粉摻量從18%增大至24%時(shí)，脫硫膠粉改性瀝青的針入度增大幅度為9.3%；當(dāng)脫硫膠粉摻量繼續(xù)增大至30%時(shí)，脫硫膠粉改性瀝青的針入度減小，減小幅度為16.0%。其原因可能是在高溫剪切作用下，適量的脫硫膠粉可以吸收瀝青中的輕質(zhì)組分并發(fā)生溶脹和分解，與瀝青形成新的連續(xù)相結(jié)構(gòu)，使得瀝青由粘性體轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥泽w，但脫硫膠粉摻量過大時(shí)導(dǎo)致瀝青中的輕質(zhì)組分大量減少，破壞了瀝青的流動(dòng)性，因此，對(duì)于昆侖70#基質(zhì)瀝青，脫硫膠粉摻量不宜大于24%。從延度和軟化點(diǎn)來看，當(dāng)脫硫膠粉摻量為24%時(shí)，脫硫膠粉改性瀝青的延度和軟化點(diǎn)均達(dá)到最大值，表明其抵抗低溫和高溫的延性達(dá)到最強(qiáng)。從180 ℃粘度來看，不同摻量下脫硫膠粉改性瀝青的粘度變化不大。

綜上分析，脫硫膠粉的最佳摻量為24%。下面的脫硫膠粉改性瀝青均為該摻量膠粉改性瀝青。

2.2 脫硫膠粉改性瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性與性能衰變

按照J(rèn)TG E20—2011規(guī)定的T0661—2011對(duì)3種瀝青進(jìn)行離析試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為（163±5 ℃），試驗(yàn)時(shí)間為（48±1 h），測(cè)試上半部分與下半部分瀝青的軟化點(diǎn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性Fig.2 Thermal storage stabilities of different asphalts

將脫硫膠粉改性瀝青分別在165，175，185 ℃條件下加熱6，12，24，48，72 h，考察脫硫膠粉改性瀝青的基本性能在熱儲(chǔ)存后的衰變情況，結(jié)果如圖3所示。

圖3 脫硫膠粉改性瀝青性能隨儲(chǔ)存時(shí)間的衰變曲線Fig.3 Decay curves of properties of desulfurized rubber powder modified asphalt with storage time

由圖2可以看出，相比于基質(zhì)瀝青上半部分與下半部分的軟化點(diǎn)之差（以下簡(jiǎn)稱軟化點(diǎn)差），普通膠粉改性瀝青和脫硫膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)差均不符合瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性要求（離析48 h軟化點(diǎn)差不大于2.5 ℃）。主要原因是在膠粉改性瀝青制備過程中雖然大部分膠粉顆粒在高溫條件下發(fā)生溶脹和分解，但是仍有一小部分的膠粉顆粒留存于改性瀝青中，因此在高溫儲(chǔ)存條件下改性瀝青中的膠粉顆粒向下移動(dòng)，普通膠粉改性瀝青和脫硫膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)呈現(xiàn)相似規(guī)律，即上半部分瀝青的軟化點(diǎn)低于下半部分瀝青。對(duì)比兩種膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)差，普通膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)差高達(dá)4.8 ℃，說明普通膠粉改性瀝青確實(shí)存在明顯的高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性問題，而脫硫膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)差為2.9 ℃，比普通膠粉改性瀝青軟化點(diǎn)差減小了39.6%，表明采用脫硫膠粉可以有效提高改性瀝青的高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

由圖3可以看出：在不同溫度下，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)，脫硫膠粉改性瀝青的針入度均在48 h時(shí)達(dá)到最大值，之后減??；軟化點(diǎn)呈逐漸下降趨勢(shì)，延度呈現(xiàn)出先緩慢增大后減小的趨勢(shì)。

以針入度作為瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性控制指標(biāo)時(shí)，綜合分析對(duì)比不同儲(chǔ)存時(shí)間、儲(chǔ)存溫度下的針入度變化情況，建議脫硫膠粉改性瀝青的儲(chǔ)存溫度為165～175 ℃，同時(shí)儲(chǔ)存時(shí)間不應(yīng)超過48 h。

2.3 改性瀝青的流變性能

2.3.1 高溫動(dòng)態(tài)剪切流變性能

以70#基質(zhì)瀝青和普通膠粉改性瀝青作為對(duì)照組，分析脫硫膠粉改性瀝青的高溫動(dòng)態(tài)剪切流變性能。G*是最大剪應(yīng)力與最大剪應(yīng)變的比率；δ是施加應(yīng)力后產(chǎn)生的應(yīng)變滯后角；G*/sinδ是高溫勁度系數(shù)，即抗車轍因子，該系數(shù)越大，代表瀝青的變形越小，越有利于抵抗車轍。

不同瀝青的高溫動(dòng)態(tài)剪切流變性能隨溫度的變化如圖4所示。

由圖4可以看出：隨著溫度的升高，3種瀝青的G*和G*/sinδ均呈減小趨勢(shì)，但普通膠粉改性瀝青和脫硫膠粉改性瀝青的G*和G*/sinδ均比基質(zhì)瀝青大，表明膠粉的摻入有效改善了基質(zhì)瀝青的高溫性能；當(dāng)溫度為58，64，70，76，82，88 ℃時(shí)，脫硫膠粉改性瀝青的G*/sinδ分別比普通膠粉改性瀝青增大了21.5%，17.0%，20.9%，45.5%，136.6%，293.1%，可見當(dāng)溫度超過76 ℃之后，脫硫膠粉改性瀝青的G*/sinδ明顯增大。主要原因可能是普通膠粉主要以物理溶脹狀態(tài)分散在瀝青中，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)及溫度的升高，普通膠粉進(jìn)一步溶脹及降解，此時(shí)普通膠粉改性瀝青的粘度降低，抵抗高溫永久變形的能力變差，而脫硫膠粉由于與瀝青的相容性較強(qiáng)，兩者反應(yīng)交聯(lián)得更充分，在高溫狀態(tài)下脫硫膠粉改性瀝青的性能衰減程度更小，表明脫硫膠粉改性瀝青的高溫性能更好。從δ的變化趨勢(shì)來看，隨著溫度的升高，普通膠粉改性瀝青和基質(zhì)瀝青的δ值始終處于小幅波動(dòng)的不穩(wěn)定狀態(tài)，而脫硫膠粉改性瀝青的δ呈增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)，瀝青內(nèi)部的彈性成分逐漸轉(zhuǎn)變成粘性成分，導(dǎo)致彈性成分比例逐漸減小，宏觀表現(xiàn)為瀝青由固態(tài)轉(zhuǎn)向?yàn)榱鲃?dòng)態(tài)，但是從整體來看，普通膠粉改性瀝青和脫硫膠粉改性瀝青的δ均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基質(zhì)瀝青。

2.3.2 低溫彎曲蠕變性能

通過低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)制備的脫硫膠粉改性瀝青的低溫性能[16-17]展開研究。瀝青相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求加載60 s時(shí)的勁度模量不得大于300 MPa，蠕變速率不得小于0.30。

不同瀝青的勁度模量和蠕變速率隨溫度的變化如圖5所示。

圖5 不同瀝青的勁度模量和蠕變速率隨溫度的變化Fig.5 Variation of stiffness moduli and creep rates of different asphalts with temperatures

由圖5可知，隨著溫度的降低，3種瀝青的勁度模量均呈上升趨勢(shì)，蠕變速率呈下降趨勢(shì)，其中基質(zhì)瀝青的變化最為明顯，普通膠粉改性瀝青次之，脫硫膠粉改性瀝青的變化趨勢(shì)最為平緩，表明脫硫膠粉改性瀝青的溫度敏感性降低。在相同溫度下，基質(zhì)瀝青的勁度模量最大，脫硫膠粉改性瀝青的勁度模量最小，比基質(zhì)瀝青大幅減小，比普通膠粉改性瀝青略有減小。在相同溫度下，脫硫膠粉改性瀝青的蠕變速率最大，普通膠粉改性瀝青次之，基質(zhì)瀝青最??；在－12，－18，－24 ℃下脫硫膠粉改性瀝青的蠕變速率比基質(zhì)瀝青分別增大20.6%，46.3%和83.3%，比普通膠粉改性瀝青分別增大2.9%，6.2%和33.0%，由此說明脫硫膠粉的摻入有效改善了基質(zhì)瀝青的低溫性能，這對(duì)于寒冷地區(qū)瀝青的使用非常重要。

3 結(jié)論

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備的不同摻量脫硫膠粉改性瀝青進(jìn)行常規(guī)性能測(cè)試、儲(chǔ)存穩(wěn)定性和性能衰變測(cè)試、高溫動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和低溫彎曲蠕變測(cè)試，可以得到以下結(jié)論。

（1）脫硫膠粉改性瀝青的最佳摻量為24%。

（2）推薦脫硫膠粉改性瀝青的儲(chǔ)存條件為：儲(chǔ)存溫度165～175 ℃，儲(chǔ)存時(shí)間不超過48 h。

（3）脫硫膠粉改性瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性優(yōu)于普通膠粉改性瀝青。

（4）與普通膠粉相比，脫硫膠粉可以更有效地改善瀝青的高溫性能和低溫性能。