橡膠瀝青制作工藝的研究

2014-08-23 05:50:54李洪峰陳振超

森林工程 2014年5期

袁航，李洪峰，陳振超

(1.黑龍江省呼蘭養路總段，哈爾濱 150500；2.東北林業大學土木工程學院，哈爾濱 150040)

基質瀝青加入橡膠粉能夠改善瀝青的高溫穩定性及低溫變形能力[1]，橡膠瀝青在道路工程中具有較好的應用前景。影響膠粉與瀝青反應的因素有很多，包括膠粉的質量及加工工藝、瀝青品質、膠粉摻量、拌合方法、拌合時間和拌合溫度等[2]。膠粉中的炭黑含量、天然橡膠含量及灰分等都會影響膠粉與瀝青的反應效果，為了獲得良好的路用性能，國內建議選用天然橡膠含量高的斜交胎膠粉[3-4]。膠粉的生產一般采用常溫粉碎和冷凍法粉碎兩種方法[5]，常溫粉碎的膠粉表面粗糙，突起多，比表面積大，活性高，而低溫粉碎的膠粉與之相反，因此建議采用常溫粉碎的膠粉。橡膠瀝青的拌合方式包括高速剪切和簡單攪拌[6]，高速剪切能夠使膠粉均勻快速地分散到瀝青中，但實驗證明改性效果不明顯，而且費用高，國外為提高橡膠瀝青的生產效率，常采用高速剪切加簡單攪拌的拌合方法。

1 實驗材料和實驗方案

1.1 實驗材料

90#道路基質瀝青技術指標見表1。

表1 90#基質瀝青性能指標

膠粉：膠粉顆粒過粗對瀝青混合料的級配產生干涉影響，不易壓實，過細價格偏高，故采用常溫粉碎法生產的斜交胎粉，型號有30目、40目、60目和80目，技術指標見表2。

表2 膠粉技術指標

1.2 橡膠瀝青的制備：

研究表明濕拌法橡膠瀝青改性效果顯著[7]，故采用濕拌法拌合，將90#基質瀝青加熱到160℃，然后將預先稱量好的膠粉緩緩加入，經過簡單攪拌后，采用瀝青攪拌臺在規定的溫度下機械剪切60 min。

2 結果與分析

2.1 溫度對橡膠瀝青性能的影響

選用40目的膠粉，摻量為20%(內摻)，分別在170、180、190、200和210℃的拌合溫度下機械攪拌60 min，實驗方案以針入度、延度、軟化點、黏度、彈性恢復為評價指標[8]，按照JTG E20-2011試驗規程進行試驗[9]，測得結果見表3。

表3 40目橡膠瀝青不同拌合溫度下的技術指標

由實驗結果可知，基質瀝青摻入膠粉后，各技術指標與基質瀝青相比均有大幅度的改善。隨著溫度的升高，針入度先減小后增大，延度和黏度與之相反，彈性恢復呈增長趨勢，各指標多數在190℃左右時存在峰值。這是因為隨著溫度升高，瀝青黏度減小，膠粉更容易在瀝青中均勻分散，膠粉與瀝青溶脹反應更充分，使得瀝青中的輕質組分被膠粉充分吸收，瀝青質含量相對增多，瀝青變得粘稠，彈性增大，因而針入度、低溫延度、軟化點及黏度增大。然而溫度繼續升高，瀝青中的有機組分發生氧化，膠粉內部發生脫硫反應，膠粉部分溶解在基質瀝青中，使得橡膠瀝青彈性損失，黏度降低，造成針入度反而增大、延度減小、彈性恢復率減小的結果。由此可知，橡膠瀝青的拌合溫度并不是越高越好，而是存在某個峰值，使得橡膠瀝青的技術指標達到更優，本實驗所采用的最佳拌合溫度為190℃，該條件下的橡膠瀝青稠度高，彈性好。

2.2 摻量及粒徑對橡膠瀝青性能的影響

在確定最佳拌合溫度試驗的基礎上，進一步在室內進行橡膠瀝青制備工藝的研究，將不同粒徑不同摻量的膠粉加入基質瀝青中，測得針入度、延度、軟化點、黏度和彈性恢復率。

2.2.1 針入度隨膠粉摻量及粒徑的變化規律

圖1 針入度隨膠粉摻量及粒徑的變化規律

如圖1所示，基質瀝青摻入膠粉后，針入度均有了很大程度的提高，說明廢胎膠粉能夠明顯改善瀝青的稠度，使得基質瀝青降低一個標號，針入度曲線的走向基本上呈先增大后減小的趨勢，膠粉粒徑不同，對稠度的改善效果也不同，根據數據可知30目針入度最小，效果最顯著，其次是80目、40目和60目。

2.2.2 軟化點隨膠粉摻量及粒徑的變化規律

由圖2可以看出軟化點隨膠粉摻量的增加而增大，隨粒徑的減小而增大。同時隨著摻量的增大不同粒徑膠粉的橡膠瀝青軟化點差值變小，軟化點曲線也趨于平緩，說明摻量達到一定水平后，膠粉已將基質瀝青中輕質組分吸收完全，多余的自由膠粉可能會影響瀝青的其他指標。

圖2 軟化點隨膠粉摻量及粒徑的變化規律

2.2.3 延度隨膠粉摻量及粒徑的變化規律

為檢驗瀝青的低溫指標，本實驗以5℃條件下的延度作為控制指標，拉伸速度為1 cm/min[10]，結果如圖3所示。

圖3 延度隨膠粉摻量及粒徑的變化規律

由圖3可知，摻加30目膠粉的橡膠瀝青延度維持在較低水平，隨摻量變化較小，其原因在于30目膠粉顆粒過粗，分散在橡膠瀝青的斷面處，在瀝青斷裂口較細處產生較大的局部應力，瀝青斷面為撕裂狀，其拉伸長度較短，這也說明不宜用延度作為粗膠粉橡膠瀝青的技術指標。

對于30目以上的橡膠瀝青，其延度隨摻量增加而增大，隨粒徑減小而增大，在摻量為24%時有減小的趨勢，膠粉在基質瀝青中吸收輕質組分，發生溶脹溶解，瀝青質含量相對增加，使瀝青的延伸性能增加，延度增大。但隨著膠粉的增多，瀝青中的輕質組分被膠粉吸收完全，多余的橡膠顆粒游離在瀝青中，不但不能改善瀝青的低溫性能，而且阻礙瀝青在低溫時的拉伸。膠粉粒徑越小，瀝青的低溫延性越好，這是因為膠粉粒徑越小，比表面積越大，膠粉更容易分散到瀝青中，更能充分的溶脹溶解，與瀝青發生反應。此外，瀝青在低溫時發生收縮，產生溫度應力，膠粉粒徑越小，小粒徑膠粉顆粒產生的局部應力越小。

2.2.4 黏度隨膠粉摻量及粒徑的變化規律

試驗采用布洛克菲爾德黏度計測定177℃黏度，轉子為SC4-27#轉子，試驗測得多組不同轉速下的黏度值，內插法得到扭矩為50%的黏度，以此黏度為實驗標準值，實驗結果如圖4所示。

實驗結果得出30目的黏度值最小，隨摻量變化幅度很小，其他粒徑膠粉對瀝青的黏度增加產生很大作用，膠粉越細黏度越大，但是達到60目后，通過減小膠粉粒徑提高瀝青黏度的方法效果不明顯。

為保證橡膠瀝青的施工和易性[11-13]，參考美國亞利桑那州橡膠瀝青技術規范，177℃黏度范圍應控制在1.5～4.0Pa.s[14]。

圖4 黏度隨膠粉摻量及粒徑的變化規律

2.2.5 彈性恢復隨膠粉摻量及粒徑的變化規律

彈性恢復能夠體現瀝青發生應變時的恢復能力，對于瀝青混合料的抗疲勞破壞能力有著重要影響。圖5為各粒徑下不同摻量的橡膠瀝青彈性恢復實驗結果，看出橡膠粉的加入對瀝青的彈性恢復有顯著的影響，彈性恢復率隨摻量的增大逐漸增大，在達到膠粉摻量24%時，彈性恢復率的增加幅度變得緩慢，除30目橡膠瀝青外，其他粒徑膠粉的橡膠瀝青彈性恢復率趨于90%。60目、80目的彈性恢復率都在75%以上，加入膠粉使得瀝青受拉變形的恢復能力明顯提高。30目的橡膠瀝青與其他橡膠瀝青相比，抵抗變形的能力偏小，原因在于，膠粉粒徑較粗，會停滯瀝青的回縮，使瀝青的受拉變形得不到及時恢復。

圖5 彈性恢復隨膠粉摻量及粒徑的變化規律

2.3 經濟性分析

表4為本實驗所采用膠粉價格，隨著膠粉粒徑的減小，膠粉價格增幅逐漸變大。由以上實驗結果可以看出30目橡膠瀝青指標普遍偏低，將80目橡膠瀝青與60目橡膠瀝青相比較，見表5發現80目橡膠瀝青與60目橡膠瀝青性能指標相近。80目黏度超過4Pa.s，施工和易性差，60目各性能指標符合橡膠瀝青各技術指標見表6，故宜采用60目膠粉制備道路橡膠瀝青，合適摻量為24%。