OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的流變性能研究

姜明映, 陳娥梅, 劉永成, 朱亞?wèn)|, 趙艷峰

(云南省曲靖市交通建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，云南 曲靖 655000)

0 引言

橡膠改性瀝青因其綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、降噪和保黑等特點(diǎn)，已成為一種熱門的瀝青路面功能性材料[1-2]。利用廢舊輪胎生產(chǎn)出的橡膠改性瀝青，不僅可以提高道路石油瀝青的路用性能，還能作為增值型固廢材料發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)和環(huán)保優(yōu)勢(shì)[3]。因橡膠改性瀝青的黏度明顯高于道路石油瀝青，在瀝青路面施工過(guò)程中拌和與壓實(shí)溫度較高，會(huì)產(chǎn)生額外的燃料消耗和排放更多的溫室氣體，且毒煙霧與刺鼻性氣體也會(huì)增加。瀝青溫拌技術(shù)是減少其對(duì)環(huán)境負(fù)面影響的有效手段之一，即通過(guò)降低瀝青的黏度來(lái)提高瀝青混合料的施工和易性，以此減少瀝青路面施工過(guò)程中的能源消耗和溫室氣體排放[4-5]。

目前已針對(duì)橡膠改性瀝青溫拌技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，如季節(jié)等[5]研究了有機(jī)蠟類溫拌劑對(duì)橡膠改性瀝青黏度的影響，發(fā)現(xiàn)蠟類溫拌劑可通過(guò)潤(rùn)滑效應(yīng)減少瀝青的黏度。張智等[6]通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)比了不同溫拌劑對(duì)橡膠改性瀝青高溫性能的影響，結(jié)果表明聚丙烯蠟?zāi)芨纳茷r青的高溫性能，而石蠟作用相反。Yang等[7]基于氣相色譜法和紅外光譜試驗(yàn)研究了橡膠改性瀝青混合料對(duì)環(huán)境的影響，結(jié)果表明橡膠瀝青路面的施工溫度對(duì)有毒氣體排放量有顯著影響?？傮w而言，盡管溫拌橡膠改性瀝青技術(shù)已得到廣泛研究，但因蠟基溫拌劑種類繁多，溫拌橡膠改性瀝青的性能表征均有所差異，且瀝青在黏度降低的同時(shí)可能存在高溫穩(wěn)定性下降等問(wèn)題。所以，需要進(jìn)一步研究蠟基添加劑對(duì)橡膠改性瀝青的性能影響。

與廢棄橡膠相似，廢棄塑料的處理問(wèn)題同樣可采用瀝青改性技術(shù)加以緩解[8-13]。氧化聚乙烯蠟(OPW)是一種通過(guò)裂解廢塑料得到的副產(chǎn)品，無(wú)毒無(wú)腐蝕性，已被廣泛用作橡膠和塑料產(chǎn)品的分散劑、添加劑等[14]。因此，可將OPW與橡膠粉作為瀝青改性劑，使改性劑能充分溶解在瀝青中，并以此降低橡膠改性瀝青的黏度，從而降低其混合料的拌和與壓實(shí)溫度?；诖?，采用不同摻量(12%、15%、18%)的橡膠粉和不同摻量(0、2%、4%、6%)的OPW對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，通過(guò)黏度試驗(yàn)、多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn)、彎曲梁流變儀(BBR)和儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)，研究了OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的流變性能，驗(yàn)證了這種綠色材料作為瀝青路面材料的可行性。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 原材料

采用東海牌70#A級(jí)道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)性能指標(biāo)25 ℃針入度/(0.1 mm)軟化點(diǎn)/℃15 ℃延度/(cm)15 ℃密度/(g·cm-3)閃點(diǎn)/℃60 ℃動(dòng)力黏度/(Pa·s)含蠟量/%溶解度/%旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(短期老化)質(zhì)量損失/%25 ℃殘留針入度比/%10 ℃殘留延度/cm測(cè)試值6448.0>1001.0352991951.9999.8+0.055677規(guī)范值60～80≥46≥100實(shí)測(cè)≥260≥180≤2.2≥99.5±0.8≥61≥6

選擇橡膠粉和OPW作為瀝青改性劑。橡膠粉的目數(shù)為40，其性能指標(biāo)如表2所示。OPW是一種淡黃色粉末顆粒，由相對(duì)分子量為1 000～4 000的聚乙烯降解而成，其性能指標(biāo)如表3所示。

1.2 制備方法

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的制備過(guò)程如下：首先，將基質(zhì)瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)，分批并緩慢添加OPW至基質(zhì)瀝青當(dāng)中，在100 ℃(OPW的熔點(diǎn))的溫度下用玻璃棒攪拌15min，待OPW完全溶解在瀝青中后，將溫度提升至180 ℃，緩慢分批加入橡膠粉并手動(dòng)攪拌15min；隨后，采用高速剪切儀對(duì)復(fù)合改性瀝青進(jìn)行攪拌，保持180 ℃的溫度，剪切時(shí)間和剪切速率分別設(shè)置為1 h和3 500 r/min；最后加入穩(wěn)定劑，保持同樣條件繼續(xù)攪拌和溶脹1 h。對(duì)照組橡膠改性瀝青的制備過(guò)程，則保持與上述制備過(guò)程中相同的時(shí)間(2.5 h)、剪切速率(3 500 r/min)和剪切溫度(180 ℃)進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)1.2節(jié)制備方法，進(jìn)行矩陣試驗(yàn)設(shè)計(jì)，即制備3種橡膠粉摻量(12%、15%、18%)和4種OPW摻量(0、2%、4%、6%)組合的共計(jì)12種改性瀝青，對(duì)該12組瀝青試樣分別開(kāi)展黏度、MSCR、BBR和儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)，得到不同改性劑摻量下的瀝青性能指標(biāo)，并比較其中差異性。具體試驗(yàn)方法如下：

1)根據(jù)ASTM D 4402標(biāo)準(zhǔn)，采用布氏黏度表征OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的施工和易性，其中試驗(yàn)溫度和剪切速率分別設(shè)置為180 ℃和50r/min，且保證黏度試驗(yàn)過(guò)程中扭矩為10%～98%。

2)采用AASHTO TP 70標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)短期老化后的瀝青進(jìn)行MSCR試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其高溫性能。試驗(yàn)溫度設(shè)置為76 ℃，基于應(yīng)力控制模式，MSCR試驗(yàn)的應(yīng)力水平分別設(shè)置為0.1 kPa和3.2 kPa，對(duì)瀝青試樣加載，試樣不斷循環(huán)加載和卸載10次，加載時(shí)間和卸載時(shí)間分別為1 s和9 s。

3)根據(jù)AASHTO T313-09規(guī)范，采用BBR試驗(yàn)表征長(zhǎng)期老化后的OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青低溫性能。BBR瀝青試件的尺寸為125 mm×12.7mm×6.35 mm，試驗(yàn)溫度分別設(shè)置為-6、-12、-18 ℃。

4)根據(jù)ASTM D7173標(biāo)準(zhǔn)對(duì)瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。將50 g的瀝青試樣密封在鋁管中，然后在(163±5)℃的烘箱內(nèi)垂直放置48 h。隨后將其取出，在室溫下冷卻30 min。最后，將這些鋁管平均分成3段，取首尾兩端的瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 黏度特性

黏度是表征橡膠改性瀝青施工和易性的關(guān)鍵指標(biāo)，能反映瀝青在高溫下的泵送能力。圖1顯示了不同摻量下OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的180 ℃黏度值。由圖1可以看出，隨著橡膠粉摻量增加，瀝青的黏度值增加。同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)在相同橡膠粉摻量下，添加OPW時(shí)，隨著OPW摻量增大，瀝青的黏度也隨之略微增長(zhǎng)，這是因?yàn)镺PW自身的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了橡膠粉在瀝青基體中的三維結(jié)構(gòu)。此外，由圖1可知添加OPW能降低橡膠改性瀝青的黏度，以此來(lái)提高橡膠改性瀝青在高溫下的泵送能力。當(dāng)瀝青的制備溫度高于OPW的熔點(diǎn)溫度(100 ℃)時(shí)，蠟溶解在瀝青基體中，使得OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的黏度比橡膠改性瀝青的黏度更低。結(jié)果表明，與橡膠改性瀝青相比，使用6%的OPW可降低橡膠改性瀝青約25%的黏度，且橡膠粉摻量越高，降黏作用越明顯。

圖1 黏度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 蠕變與恢復(fù)特性

一般來(lái)說(shuō)，由于瀝青材料在高應(yīng)力狀態(tài)下會(huì)發(fā)生延遲彈性效應(yīng)，與動(dòng)態(tài)剪切流變儀的結(jié)果相比，MSCR試驗(yàn)結(jié)果更能真實(shí)地表征瀝青的高溫性能。MSCR試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)和彈性恢復(fù)率(R)，在每個(gè)循環(huán)中能用該指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青材料的彈性恢復(fù)能力和抗車轍性能。OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的MSCR試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 MSCR試驗(yàn)結(jié)果瀝青類型Jnr(kPa-1)R/%0.1kPa3.2kPa0.1kPa3.2kPa12%橡膠粉2.564.2411.142.1812%橡膠粉+2%OPW1.394.0923.541.7912%橡膠粉+4%OPW1.723.7419.871.1012%橡膠粉+6%OPW1.973.8916.541.0815%橡膠粉1.883.6920.312.7515%橡膠粉+2%OPW1.343.2834.573.8515%橡膠粉+4%OPW1.203.0135.494.7115%橡膠粉+6%OPW1.493.5720.552.5718%橡膠粉0.972.1936.185.8718%橡膠粉+2%OPW0.791.8239.546.0118%橡膠粉+4%OPW0.591.6840.316.7518%橡膠粉+6%OPW0.912.2337.235.89

在2種應(yīng)力水平下，橡膠改性瀝青的R值主要取決于其彈性特性。由表4可知，在3.2 kPa應(yīng)力水平下，12%橡膠粉摻量下加入OPW對(duì)瀝青的R值有負(fù)面影響，而在相同應(yīng)力水平下，添加OPW會(huì)降低瀝青的Jnr值。在其他橡膠粉摻量和相同應(yīng)力水平下，添加OPW均降低了橡膠改性瀝青的Jnr值并增加了其R值，說(shuō)明OPW可改善橡膠改性瀝青的高溫性能，在高應(yīng)力狀態(tài)下這種改善效果還有待進(jìn)一步研究。OPW可改善橡膠改性瀝青的高溫性能，是因?yàn)楦邠搅肯孪鹉z粉在瀝青基體中的溶解能力有限并接近飽和，而OPW的結(jié)晶作用使其在熔點(diǎn)溫度下溶解于瀝青基體中，填充和潤(rùn)滑了瀝青和橡膠粉之間的三維結(jié)構(gòu)空隙，使得三維結(jié)構(gòu)更加飽滿和穩(wěn)定。

2.3 低溫抗裂性

采用BBR試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的低溫性能，以蠕變勁度(S)和蠕變速率(m)值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，S值越小且m值越大則表明瀝青低溫性能越好，并以S≤300 MPa或m>0.3作為限定值，若試樣不滿足以上條件則說(shuō)明該溫度下瀝青的低溫性能不佳。表5為BBR試驗(yàn)結(jié)果，其顯示了不同溫度下OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的低溫性能關(guān)系，部分試樣因在較高溫度下已不滿足要求，在更低溫度下指標(biāo)必定超限，則未對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)。由表5可知，試驗(yàn)溫度的降低會(huì)使瀝青的S值增加而m值降低。同時(shí)，由表5還可以發(fā)現(xiàn)添加2%OPW也使得瀝青的S值增加而m值降低，這是由于OPW的結(jié)晶作用使其低溫性能下降。18%橡膠粉含量下，與添加2%OPW相比，添加4%或6%的OPW則能略微改善瀝青的低溫性能，這是因?yàn)橄鹉z粉摻量越高，瀝青黏度越大且易造成膠粉離析，從而影響瀝青的性能表征，OPW能夠有效地改善瀝青的高溫性能，但OPW可能不利于其低溫性能。綜上所述，OPW有助于橡膠粉在瀝青基體中充分溶解，然而其潤(rùn)滑和填充作用使得瀝青的低溫松弛性能在一定程度下降低。

表5 BBR試驗(yàn)結(jié)果瀝青類型-6 ℃-12 ℃-18 ℃S/MPamS/MPamS/MPam12%橡膠粉34.780.44961.720.347190.520.30012%橡膠粉+2%OPW58.720.35763.140.325207.240.26712%橡膠粉+4%OPW89.130.286----12%橡膠粉+6%OPW67.440.289----15%橡膠粉38.270.41078.760.357157.980.30415%橡膠粉+2%OPW48.580.35297.850.321170.310.28115%橡膠粉+4%OPW63.780.293----15%橡膠粉+6%OPW52.750.32985.710.284--18%橡膠粉38.160.40967.850.359131.550.31918%橡膠粉+2%OPW65.730.279----18%橡膠粉+4%OPW56.290.28790.240.257--18%橡膠粉+6%OPW50.460.299----

2.4 儲(chǔ)存穩(wěn)定性

橡膠粉因自身黏度較高，若溶脹作用不充分，則在瀝青基體中易形成非均勻相。根據(jù)Stokes定律，在高溫下橡膠改性瀝青處于靜態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)時(shí)，橡膠顆粒易向上移動(dòng)并漂浮在瀝青表面。OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，3種橡膠改性瀝青的軟化點(diǎn)差值均大于2.5 ℃，說(shuō)明高摻量下橡膠改性瀝青容易發(fā)生離析現(xiàn)象。在橡膠改性瀝青中添加2%OPW后，瀝青的軟化點(diǎn)差值顯著降低，說(shuō)明OPW改善了橡膠改性瀝青的離析現(xiàn)象。OPW對(duì)橡膠改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性改善可以歸納為3點(diǎn)：①橡膠改性瀝青中瀝青與橡膠粉之間的密度不同，而OPW平衡了橡膠粉與瀝青二者的密度差異；②瀝青的結(jié)構(gòu)和分子量會(huì)影響自身的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，OPW使瀝青變硬，從而提高了OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性；③加入OPW使橡膠改性瀝青的結(jié)構(gòu)由溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，從而提高了瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

圖2 儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

由高溫裂解氧化得到的OPW體現(xiàn)了廢舊塑料轉(zhuǎn)變?yōu)樵鲋敌凸虖U材料的過(guò)程，將其與橡膠粉一起作為瀝青改性劑實(shí)現(xiàn)了廢棄物資源化利用的目標(biāo)。因此，目前的研究旨在通過(guò)瀝青試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的流變性能，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下主要結(jié)論：

1)在橡膠改性瀝青中加入OPW可使其黏度降低，從而降低了橡膠改性瀝青混合料施工過(guò)程中的拌合和壓實(shí)溫度。與傳統(tǒng)橡膠改性瀝青相比，OPW可以通過(guò)降低燃料消耗和空氣污染來(lái)提高橡膠改性瀝青的施工和易性。

2)MSCR試驗(yàn)結(jié)果顯示，OPW可增加了橡膠改性瀝青的彈性恢復(fù)能力，且提高了其抗車轍性能，而瀝青高溫性能的增強(qiáng)與OPW的摻量并非呈單純的線形正相關(guān)關(guān)系，OPW摻量過(guò)大其對(duì)瀝青的改善效果反而降低。儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明，在橡膠改性瀝青中加入OPW能顯著改善橡膠粉與瀝青之間的離析現(xiàn)象，降低了橡膠粉顆粒在瀝青中沉降的可能性。

3)與橡膠改性瀝青相比，OPW的添加提高了橡膠改性瀝青的蠕變勁度，且降低了m值參數(shù)，即OPW對(duì)橡膠改性瀝青的低溫抗裂性能存在負(fù)面影響。其對(duì)低性能溫度產(chǎn)生負(fù)面影響的可能原因是OPW中的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，即蠟的碳?xì)滏溨g存在真空狀態(tài)，顯著影響其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度。

4)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得到改性劑最佳摻量為：15%橡膠粉+6%OPW，橡膠粉摻量增加不利于瀝青的低溫性能表征，而高摻量OPW則有利于增強(qiáng)橡膠改性瀝青的相容性，從而使其性能優(yōu)勢(shì)更加明顯。

5)盡管已對(duì)OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的流變性能做了較為系統(tǒng)的研究，但OPW對(duì)橡膠改性瀝青的改性機(jī)理需要進(jìn)一步揭示，因此后續(xù)應(yīng)采用微觀試驗(yàn)對(duì)OPW、橡膠粉和瀝青三者的耦合作用做進(jìn)一步研究。