Terminal Blend 橡膠泡沫瀝青制備及性能評(píng)價(jià)

溫 永，王禎國，董永康，裴建中，張久鵬

（長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

瀝青路面再生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)瀝青路面廢料再利用 的有效途徑，可避免環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)行業(yè)經(jīng)濟(jì)循環(huán)，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)［1-2］.由于拌和溫度和壓實(shí)溫度的降低，泡沫瀝青再生混合料可減少30%以上的能耗和廢氣排放量［3］；但其服役期間常因高溫穩(wěn)定性和抗水損性能不足而發(fā)生病害［4-6］.目前，優(yōu)化級(jí)配能夠改善泡沫瀝青再生混合料的高溫穩(wěn)定性，但無法明顯改善水損害［7］，為此，研究人員添加橡膠或SBS 等外加劑對(duì)泡沫瀝青進(jìn)行改性，該方法有效改善了泡沫瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和抗水損害能力［8-11］.

由于橡膠瀝青黏度偏高且存在橡膠顆粒，導(dǎo)致發(fā)泡困難.Yu 等［8］對(duì)橡膠泡沫瀝青進(jìn)行了研究，其中重點(diǎn)研究了發(fā)泡用水量的影響.Hu 等［12］為達(dá)到理想發(fā)泡效果，對(duì)橡膠瀝青的發(fā)泡條件進(jìn)行了研究.總之，如何有效降低橡膠瀝青的黏度，提高橡膠顆粒的溶解程度，成為能否提升橡膠泡沫瀝青發(fā)泡效果的關(guān)鍵.

近年來，通過高溫、高速剪切促進(jìn)橡膠發(fā)生脫硫裂解反應(yīng)，以改善相容性，從而使其具備優(yōu)越儲(chǔ)存穩(wěn)定性和工作和易性［13-14］的terminal blend（TB）橡膠瀝青逐漸興起.TB 橡膠瀝青除了具備優(yōu)異的高、低溫性能外，其黏度僅為普通橡膠瀝青的1/5～1/7［15-17］.因此，采用TB 橡膠瀝青進(jìn)行發(fā)泡處理不僅可提升泡沫瀝青的性能，還可改善橡膠瀝青發(fā)泡效果不佳的問題.

本文首先采用TB 橡膠瀝青制備泡沫瀝青，利用掃描電鏡（SEM）和傅里葉紅外光譜（FTIR）試驗(yàn)分析TB 橡膠泡沫瀝青的微觀特征；然后建立以膨脹率（β）和半衰期（t）為主要指標(biāo)，簡化效能指數(shù)（ηSEI）為輔助指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系，并利用灰色關(guān)聯(lián)法探究TB 橡膠泡沫瀝青發(fā)泡的關(guān)鍵影響因素，從而獲得其最佳發(fā)泡條件；最后采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）對(duì)其高溫性能、溫度敏感性和黏度等性能進(jìn)行評(píng)價(jià).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

本試驗(yàn)用基質(zhì)瀝青為茂名石化公司產(chǎn)東海70#瀝青；TB 橡膠瀝青由基質(zhì)瀝青制備得到；廢棄輪胎膠粉產(chǎn)自天津志新有限公司.基質(zhì)瀝青和TB橡膠瀝青的基本性能見表1，膠粉的主要技術(shù)指標(biāo)見表2.

表1 基質(zhì)瀝青和TB 橡膠瀝青的基本性能Table 1 Main technical specifications of base asphalt binder and TB rubberized asphalt binder

表2 膠粉的主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical specifications of crumb rubber

1.2 TB 橡膠泡沫瀝青制備

本文通過定制的瀝青改性裝置制備TB 橡膠瀝青，采用WLB 10S 型瀝青發(fā)泡試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn).TB 橡膠泡沫瀝青制備流程如圖1 所示.

圖1 TB 橡膠泡沫瀝青制備流程圖Fig.1 Flow chart for preparation of foamed TB rubberized asphalt binder

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 瀝青發(fā)泡效果評(píng)價(jià)

采用膨脹率（β）、半衰期（t）和簡化效能指數(shù)（ηSEI）來評(píng)價(jià)瀝青發(fā)泡效果.β為泡沫瀝青最大體積與泡沫完全消失時(shí)的體積之比.t為泡沫瀝青從最大膨脹體積衰減到1/2 體積所對(duì)應(yīng)的時(shí)間.ηSEI按照式（1）或式（2）進(jìn)行計(jì)算，其中式（1）適用于泡沫持續(xù)膨脹至最大體積，繼而逐漸衰減的情況；式（2）適用于泡沫噴出后已膨脹至最大體積，繼而泡沫發(fā)生破滅的情況.

式中：βi為初始膨脹率；βl為容許膨脹率；βmax為最大膨脹率；t1為衰減期，s；t2為膨脹期，s.

利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)瀝青發(fā)泡性能的影響因素進(jìn)行顯著性分析，以確定影響泡沫瀝青的關(guān)鍵因素，其中參考數(shù)列選取β、t和ηSEI這3 個(gè)指標(biāo)，比較數(shù)列代表各個(gè)影響因素.

1.3.2 瀝青發(fā)泡試驗(yàn)

選取發(fā)泡溫度155、160、165、170 °C，發(fā)泡用水量1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%，在 水 壓0.6 MPa 和氣壓0.5 MPa 條件 下，利用WLB 10S 型瀝青發(fā)泡試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)基質(zhì)瀝青和TB 橡膠瀝青進(jìn)行發(fā)泡.每組試驗(yàn)對(duì)瀝青的β、t和ηSEI進(jìn)行3 次平行試驗(yàn)，取其平均值，并確定最佳發(fā)泡條件.

1.3.3 微觀特征表征

采用美國FEI NOVA NANOSEM 230 型場發(fā)射掃描電鏡（SEM）分別對(duì)基質(zhì)瀝青、TB 橡膠瀝青和最佳發(fā)泡條件下的基質(zhì)泡沫瀝青、TB 橡膠泡沫瀝青進(jìn)行SEM 試驗(yàn)，以表征不同瀝青的微觀形貌.此外，采用Bruker Tensor 27 傅里葉紅外光譜儀（FTIR），對(duì)上述4 種瀝青進(jìn)行紅外掃描，測量波數(shù)范圍為4 000～1 000 cm-1，波數(shù)精度為0.01 cm-1，光譜分辨率優(yōu)于1 cm-1.

1.3.4 泡沫瀝青性能評(píng)價(jià)

借助Anton Paar MCR102 型動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）分別對(duì)基質(zhì)泡沫瀝青和TB 泡沫瀝青的高溫性能、溫度敏感性和黏度進(jìn)行評(píng)價(jià).由于泡沫瀝青中的水分殘余會(huì)對(duì)其高溫性能、黏度等產(chǎn)生一定影響，為確保試驗(yàn)結(jié)果更加明顯，選用更具代表性的2%、3%、4%這3 種發(fā)泡用水量進(jìn)行探究.首先，在40～80 °C 下，以5 °C 為間隔對(duì)瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，獲得不同溫度下瀝青的車轍因子（G*/sinδ），以評(píng)價(jià)高溫性能；其次，基于上述結(jié)果，采用儲(chǔ)能模量（G＇）對(duì)數(shù)與溫度（T）對(duì)數(shù)的斜率表征泡沫瀝青的溫度敏感性；最后，在40～100 °C 下，以10 °C 為間隔進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，借助復(fù)數(shù)黏度來表征泡沫瀝青的黏度特征.需要說明的是，DSR 試驗(yàn)均采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變值均在瀝青線性黏彈性范圍內(nèi).

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)泡結(jié)果分析

2.1.1 發(fā)泡用水量

發(fā)泡用水量是瀝青發(fā)泡的關(guān)鍵因素之一，采用β、t和ηSEI探究發(fā)泡用水量對(duì)瀝青發(fā)泡效果的影響，結(jié)果見圖2.由圖2 可見：（1）基質(zhì)泡沫瀝青和TB 橡膠泡沫瀝青的β隨著發(fā)泡用水量的增加呈明顯上升趨勢，且上升速率隨發(fā)泡用水量增加逐漸變緩.（2）基質(zhì)泡沫瀝青和TB 橡膠泡沫瀝青的t隨著發(fā)泡用水量的增加呈明顯下降趨勢，且下降速率隨發(fā)泡用水量增加逐漸變緩.（3）TB 橡膠泡沫瀝青的β和t均低于同條件下的基質(zhì)泡沫瀝青，表明廢舊膠粉的添加在一定程度上影響瀝青的發(fā)泡效果.（4）隨著發(fā)泡用水量的增加，2 種泡沫瀝青的ηSEI總體呈先增后降趨勢，在發(fā)泡用水量為2.5%～3.5%時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)β和t均接近或滿足JTG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》要求（β≥10，t≥8 s）.綜上所述，2 種瀝青在2.5%～3.5%發(fā)泡用水量情況下，可獲得相對(duì)優(yōu)異的發(fā)泡效果.

2.1.2 發(fā)泡溫度

發(fā)泡溫度是瀝青發(fā)泡的另一關(guān)鍵因素，也采用β、t和ηSEI對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見圖3.由圖3 可見：（1）隨著發(fā)泡溫度的升高，2 種泡沫瀝青的β和t呈現(xiàn)相似的規(guī)律，均為先增后降，且最大值多集中于160 °C.（2）隨著溫度的升高，2 種泡沫瀝青的ηSEI總體上呈先增后減趨勢，并均在發(fā)泡溫度為160 °C 時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)β和t均接近或滿足JTG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》要求（β≥10，t≥8 s）.然而，相對(duì)于165 °C，部分TB 橡膠泡沫瀝青在170 °C時(shí)的ηSEI呈水平或微上升趨勢，這是由于泡沫噴出后已膨脹至最大體積，繼而泡沫發(fā)生破滅，因此需利用式（2）進(jìn)行計(jì)算.整體結(jié)果表明，2 種瀝青在160 °C 下發(fā)泡，均可獲得相對(duì)優(yōu)異的發(fā)泡效果.

圖3 不同溫度下泡沫瀝青的發(fā)泡結(jié)果Fig.3 Foaming results of foamed asphalt binders under different temperatures

2.2 影響因素分析

基于發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果，利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)發(fā)泡用水量和發(fā)泡溫度進(jìn)行顯著性分析，定量分析2種影響因素的重要性.根據(jù)發(fā)泡用水量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和發(fā)泡溫度的單因素結(jié)果可知，發(fā)泡用水量和發(fā)泡溫度過高或過低均難以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)泡沫瀝青.因此，在進(jìn)行影響因素顯著性分析時(shí)，將發(fā)泡溫度選為155、160、165 °C，發(fā)泡用水量選為2.5%、3.0%、3.5%，灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算結(jié)果見表3.由表3可知，發(fā)泡用水量對(duì)β的影響程度更大，發(fā)泡溫度對(duì)t的影響程度更顯著，但綜合考慮ηSEI后發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡用水量對(duì)瀝青整體發(fā)泡效果的影響更加顯著.

表3 灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of grey correlation degree

2.3 最佳發(fā)泡條件確定

瀝青發(fā)泡結(jié)果顯示，基質(zhì)泡沫瀝青和TB 橡膠泡沫瀝青的最佳發(fā)泡溫度均為160 °C.另外，根據(jù)JTG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》中最佳發(fā)泡條件的確定方法，得到最佳發(fā)泡用水量，結(jié)果如圖4 所示.由圖4 可見，將基質(zhì)泡沫瀝青和TB 橡膠泡沫瀝青的最佳用水量分別取為2.9%和2.7%，該值符合規(guī)范要求，可滿足生產(chǎn)實(shí)踐.

圖4 泡沫瀝青最佳發(fā)泡用水量確定Fig.4 Determination of optimum water consumption of foamed asphalt binders

2.4 微觀形貌與特征

通過SEM 試驗(yàn)表征基質(zhì)瀝青、TB 橡膠瀝青和最佳發(fā)泡條件下基質(zhì)泡沫瀝青、TB 橡膠泡沫瀝青的微觀形貌，如圖5 所示.由圖5 可見：基質(zhì)瀝青整體較為平整，呈均相結(jié)構(gòu)；基質(zhì)泡沫瀝青表面依然平整，表面存在少許孔洞，這些孔洞主要是發(fā)泡過程中水分迅速蒸發(fā)所致；TB 橡膠瀝青中存在微小的膠粉顆粒，均勻分散于瀝青中，且未溶解膠粉顆粒的粒徑均在50 μm 以下；TB 橡膠泡沫瀝青的微觀形貌包含水泡、氣泡、膠粉顆粒，部分水分以游離水的狀態(tài)存在，使得泡沫瀝青的黏度下降.

圖5 4 種瀝青的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM images of four kinds of asphalt binders

圖6 為4 種瀝青的FTIR 圖譜.由 圖6 可 見：4 種瀝青的主要官能團(tuán)大致相同，均集中在1 800～1 000 cm-1范圍內(nèi)，其中1 024、1 248 cm-1處出現(xiàn)由醚類C—O—C 伸縮振動(dòng)引起的吸收峰，1 450 cm-1處苯環(huán)骨架振動(dòng)引起的吸收峰，及1 715 cm-1處羰基伸縮振動(dòng)引起的吸收峰；4 種瀝青均在2 960 cm-1附近吸收峰加強(qiáng)，這是由于烷烴類CH3的C—H 反對(duì)稱伸縮振動(dòng)；相比基質(zhì)瀝青，TB 橡膠瀝青的峰值強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，可能是由于橡膠溶解后，碳?xì)浠衔锖吭黾佣鴮?dǎo)致；瀝青發(fā)泡前后主要官能團(tuán)大致相同，并未產(chǎn)生新的官能團(tuán)，水分僅作為自由水存在于瀝青中.

圖6 4 種瀝青的FTIR 圖譜Fig.6 FTIR spectra of four kinds of asphalt binders

2.5 高溫性能評(píng)價(jià)

將發(fā)泡用水量為2%、3%、4%，發(fā)泡溫度為160 °C 條件下的基質(zhì)泡沫瀝青、TB 橡膠泡沫瀝青，在室溫（20 °C）下放置30 min，待泡沫瀝青凝固后進(jìn)行DSR試驗(yàn)；而基質(zhì)瀝青和TB 橡膠瀝青直接取樣進(jìn)行DSR試驗(yàn).4 種瀝青均采用G*/sinδ評(píng)價(jià)各瀝青的高溫性能.

4 種瀝青的車轍因子與溫度關(guān)系如圖7 所示.由圖7 可見：4 種瀝青的車轍因子均隨溫度升高而逐漸降低，且TB 橡膠瀝青及其泡沫瀝青的高溫性能均顯著優(yōu)于基質(zhì)瀝青及其泡沫瀝青；隨著發(fā)泡用水量的增加，2 種泡沫瀝青的車轍因子均呈下降趨勢，但下降程度并不明顯，究其原因是水分會(huì)軟化瀝青，在一定程度上影響其高溫性能.

圖7 4 種瀝青的車轍因子與溫度關(guān)系Fig.7 Relationship between rutting factor and temperature of four kinds of asphalt binders

2.6 溫度敏感性評(píng)價(jià)

4 種瀝青采用與高溫性能測試相同的處理方法進(jìn)行DSR 試驗(yàn)，基于測試結(jié)果繪制4 種瀝青的儲(chǔ)能模量（G＇）與溫度（T）對(duì)數(shù)（logG＇-logT）關(guān)系曲線，結(jié)果見圖8.采用圖8 中的擬合直線斜率表征瀝青的溫度敏感性，斜率絕對(duì)值越小，溫度敏感性越小.由圖8可見：（1）隨著發(fā)泡用水量的增加，基質(zhì)泡沫瀝青的擬合直線斜率絕對(duì)值呈下降趨勢，且下降幅度幾乎一致，表明發(fā)泡用水量的增加有助于降低泡沫瀝青的溫度敏感性.（2）就TB 橡膠泡沫瀝青而言，當(dāng)發(fā)泡用水量從0%增加到2%時(shí)，其擬合直線斜率絕對(duì)值呈增大趨勢；當(dāng)發(fā)泡用水量大于2%后，擬合直線斜率絕對(duì)值呈減小趨勢，表明水分的加入會(huì)稍微增加TB 橡膠瀝青的溫度敏感性，但隨著發(fā)泡用水量的增加，TB 橡膠泡沫瀝青的溫度敏感性緩慢降低.（3）TB橡膠泡沫瀝青的擬合直線斜率絕對(duì)值均遠(yuǎn)小于基質(zhì)泡沫瀝青，表明采用TB 技術(shù)制備泡沫瀝青可顯著降低泡沫瀝青的溫度敏感性.

圖8 4 種瀝青的溫度敏感性分析Fig.8 Temperature sensitivity analysis of four kinds of asphalt binders

2.7 黏度評(píng)價(jià)

4 種瀝青采用與高溫性能測試相同的處理方法進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，基于測試結(jié)果繪制4 種瀝青的黏溫曲線，如圖9 所示.由圖9 可見：（1）基質(zhì)泡沫瀝青和TB 橡膠泡沫瀝青的黏度均隨著溫度的升高而降低，且在相同溫度下隨著發(fā)泡用水量的增加而降低，表明發(fā)泡過程中，水分的存在會(huì)降低瀝青的黏度，但降低幅度并未隨水分增多而持續(xù)增大.（2）隨著溫度的上升，不同發(fā)泡用水量下基質(zhì)泡沫瀝青與TB 橡膠泡沫瀝青的黏度差逐漸減小，表明泡沫瀝青中殘余水分不斷蒸發(fā).（3）TB 橡膠瀝青和TB 橡膠泡沫瀝青之間的黏度隨溫度上升始終保持一定的差值，而并非像基質(zhì)瀝青和基質(zhì)泡沫瀝青之間黏度差逐漸趨于零.這可能是由于TB 橡膠瀝青在發(fā)泡時(shí)，減弱或破壞了TB 橡膠瀝青中膠粉形成的部分網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此TB 橡膠泡沫瀝青黏度低于TB 橡膠瀝青.在同等發(fā)泡用水量和溫度條件下，TB 橡膠泡沫瀝青黏度均遠(yuǎn)大于基質(zhì)泡沫瀝青，表明TB 橡膠泡沫瀝青可提高與集料之間的黏附力，增強(qiáng)泡沫瀝青的抗水損害能力.

圖9 4 種瀝青的黏溫曲線Fig.9 Viscosity-temperature curves of four kinds of asphalt binders

3 結(jié)論

（1）TB 橡膠泡沫瀝青受發(fā)泡溫度和發(fā)泡用水量的影響規(guī)律與基質(zhì)泡沫瀝青基本一致.灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，發(fā)泡溫度對(duì)瀝青半衰期的影響程度更大，發(fā)泡用水量對(duì)瀝青膨脹率和整體發(fā)泡效果的影響程度更顯著.

（2）基質(zhì)泡沫瀝青和TB 橡膠泡沫瀝青的最佳發(fā)泡條件分別為發(fā)泡溫度160 °C、發(fā)泡用水量2.9%和發(fā)泡溫度160 °C、發(fā)泡用水量2.7%.

（3）與基質(zhì)泡沫瀝青相比，TB 橡膠泡沫瀝青在降低溫度敏感性的同時(shí)，還可以提升高溫性能和黏度.