發(fā)育時間對橡膠瀝青性能的影響

馮業(yè)龍，李秋飛，張玉貞，李桂釗，丁其宇

(1.中國石油大學(xué)(華東)重質(zhì)油國家重點實驗室，山東 青島266580；2.江蘇天諾道路材料科技有限公司)

發(fā)育時間對橡膠瀝青性能的影響

馮業(yè)龍1，李秋飛2，張玉貞1，李桂釗1，丁其宇1

(1.中國石油大學(xué)(華東)重質(zhì)油國家重點實驗室，山東 青島266580；2.江蘇天諾道路材料科技有限公司)

制備了不同發(fā)育時間的膠粉改性瀝青樣品，并通過動態(tài)剪切流變儀(DSR)和彎曲梁流變儀(BBR)等對其進(jìn)行分析。用得到的高溫指標(biāo)(黏度、軟化點、車轍因子等)和低溫指標(biāo)(延度、蠕變勁度)分析發(fā)育時間對膠粉改性瀝青性能的影響。結(jié)果表明：膠粉改性瀝青樣品的高溫性能和低溫性能均較好；隨發(fā)育時間的增加，膠粉和瀝青的相容性變好，熱儲存穩(wěn)定性變好，但溫度敏感性變大，說明高溫性能和低溫性能有所下降。

改性瀝青 發(fā)育時間 流變性 廢膠粉 相容性

橡膠瀝青的生產(chǎn)和應(yīng)用具有一系列的優(yōu)點，它不僅有利于廢舊輪胎的回收利用，減少廢胎對環(huán)境的危害，而且橡膠瀝青具有優(yōu)良的高低溫性能、抗老化性能和抗疲勞性能，能夠有效地延長路面使用壽命，降低路面災(zāi)害的發(fā)生[1-3]。膠粉改性瀝青的制備過程大致可以分為溶脹、分散和發(fā)育3個階段，發(fā)育時間對于改性瀝青的生產(chǎn)至關(guān)重要。隨發(fā)育時間延長，膠粉顆粒會發(fā)生溶脹和降解反應(yīng)[4-5]，同時，瀝青也會發(fā)生老化反應(yīng)。因此，發(fā)育時間不同，橡膠瀝青體系中膠粉的分散狀態(tài)以及瀝青的老化程度不同，進(jìn)而得到的橡膠瀝青的性質(zhì)也不同。

結(jié)合常規(guī)指標(biāo)，本研究著重使用動態(tài)力學(xué)分析方法，從流變性角度出發(fā)分析發(fā)育時間對改性瀝青高溫性能、低溫性能、溫度敏感性和儲存穩(wěn)定性的影響，并通過對比膠粉顆粒微觀狀態(tài)的變化，考察發(fā)育時間對膠粉和瀝青相容性的影響。

1 實 驗

1.1 原 料

基質(zhì)瀝青采用中海瀝青(泰州)有限責(zé)任公司(簡稱中海泰州)90號重交通道路瀝青，其基本性質(zhì)見表1。膠粉采用30目橡膠粉，其基本性質(zhì)見表2。

1.2 制備工藝

將基質(zhì)瀝青加熱并攪拌，當(dāng)溫度升至190 ℃時，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)17%的膠粉，繼續(xù)升溫，并恒溫在200 ℃。快速攪拌30 min，使膠粉顆粒充分溶脹；切換至剪切模式，調(diào)節(jié)剪切轉(zhuǎn)速為5 000 rmin，剪切時間30 min，使膠粉顆粒在瀝青中分散均勻；剪切結(jié)束后，切換至攪拌模式，并開始計時，此時發(fā)育時間記為0；當(dāng)發(fā)育時間分別達(dá)到3，6，9，12 h時取樣，并對相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢測。

表1 中海泰州90號重交通道路瀝青基本性質(zhì)

表2 30目膠粉基本性質(zhì)

1.3 性能評價

采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀對膠粉改性瀝青樣品進(jìn)行黏度分析。采用美國TA公司生產(chǎn)的動態(tài)剪切流變儀(DSR)對膠粉改性瀝青樣品進(jìn)行流變分析，由于本研究使用的是30目膠粉，粒徑較大，若仍選擇1 mm平行板間距，顆粒本身會對分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響，不能反映橡膠瀝青的真實特性。因此，首先對發(fā)育時間為3 h時的樣品分別使用1.0，1.5，2.0 mm 3種間距重復(fù)測定，結(jié)果表明，間距為1.5 mm時，分析結(jié)果平行性最好，故選擇1.5 mm的平行板間距。采用美國TA公司生產(chǎn)的彎曲梁流變儀(BBR)對膠粉改性瀝青樣品進(jìn)行低溫性能測試。采用日本Olympus公司生產(chǎn)的熒光顯微鏡對膠粉改性瀝青的微觀狀態(tài)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)育時間對高溫性能的影響

2.1.1 發(fā)育時間對黏度的影響 加入瀝青中的膠粉首先會吸收輕組分發(fā)生溶脹，使體系黏度急劇增大。但隨發(fā)育時間的延長，膠粉顆粒會發(fā)生脫硫降解反應(yīng)[6]，顆粒逐漸變小且分布疏松。由于開始取樣時制備時間已較長，故本研究中改性瀝青樣品均處于降解及以后的階段，沒有出現(xiàn)黏度增大的現(xiàn)象。為了反映瀝青介質(zhì)的老化情況，增加了基質(zhì)瀝青老化的空白實驗，取樣時間點與膠粉改性瀝青取樣點相同。對所得樣品進(jìn)行黏度分析，結(jié)果見圖1。由圖1可見：隨發(fā)育時間的延長，基質(zhì)瀝青的黏度逐漸增大，說明在膠粉發(fā)育過程中，基質(zhì)瀝青一直在老化；而膠粉改性瀝青的黏度則表現(xiàn)出先降低后升高的變化趨勢。其原因可能是：當(dāng)發(fā)育時間不足9 h時，橡膠瀝青體系中以膠粉顆粒的降解反應(yīng)為主，膠粉顆粒不斷變小，導(dǎo)致體系黏度降低；當(dāng)發(fā)育時間過長時，基質(zhì)瀝青的老化反應(yīng)嚴(yán)重，又使體系黏度升高。

圖1 黏度隨發(fā)育時間的變化

2.1.2 發(fā)育時間對軟化點的影響 圖2為膠粉改性瀝青軟化點隨發(fā)育時間的變化。由圖2可見，軟化點的變化規(guī)律與黏度的變化規(guī)律相同，隨發(fā)育時間的延長，軟化點先降低后升高。結(jié)合2.1.1可知，膠粉的降解導(dǎo)致軟化點降低，瀝青的老化又使其升高，但升高幅度較小。說明延長發(fā)育時間后，膠粉改性瀝青的高溫性能有所下降。

圖2 軟化點隨發(fā)育時間的變化

2.1.3 發(fā)育時間對車轍因子G*/sinδ的影響 車轍因子表示瀝青材料的抗永久變形能力，車轍因子越大，表明瀝青的流動變形能力越小，越有利于抵抗車轍變形的產(chǎn)生[7-9]。試驗中采用25 mm直徑平行板，1.5 mm厚平行板間距，保持應(yīng)變?yōu)?0%，角速度為10 r/s，對膠粉改性瀝青樣品進(jìn)行溫度掃描，結(jié)果見圖3。由圖3可見：當(dāng)發(fā)育時間一定時，隨溫度升高，車轍因子逐漸降低；當(dāng)溫度一定時，隨發(fā)育時間的延長，車轍因子先降低后升高，如在82 ℃時，3，6，12 h取樣樣品的車轍因子均大于1 kPa，而9 h樣品的車轍因子略小于1 kPa，說明發(fā)育前期橡膠瀝青的高溫抗車轍性能較好。分析12 h樣品的車轍因子大于1 kPa的原因，同樣是由于瀝青老化所致，老化后瀝青變硬，使得高溫抗車轍性能有一定的回升。

圖3 不同溫度下車轍因子隨發(fā)育時間的變化

2.2 發(fā)育時間對低溫性能的影響

2.2.1 發(fā)育時間對延度的影響 圖4為膠粉改性瀝青延度隨發(fā)育時間的變化。由圖4可見，隨發(fā)育時間的延長，延度逐漸降低。結(jié)合2.1.1可知，膠粉改性瀝青發(fā)育過程中，基質(zhì)瀝青不斷老化，導(dǎo)致延度降低。說明延長發(fā)育時間會使改性瀝青的低溫性能有所下降。

圖4 延度隨發(fā)育時間的變化

2.2.2 發(fā)育時間對蠕變勁度的影響 瀝青的低溫性能通常可以由蠕變勁度S和蠕變速率m表示。其中S表示瀝青樣品在低溫下的勁度，其值越小表示低溫下所受應(yīng)力越小，越不易斷裂；m表示瀝青樣品釋放應(yīng)力的速率，其值越大表示釋放越快，抗低溫開裂性能越好[10]。SHRP規(guī)范要求，60 s時的S≤300 MPa，m≥0.3。對不同發(fā)育時間的膠粉改性瀝青樣品進(jìn)行老化，測定老化前后S和m的變化，結(jié)果見表3。由表3可見，老化前后瀝青樣品在-18 ℃時均符合SHRP規(guī)范要求，說明膠粉改性瀝青低溫性能較好。

表3 老化前后的低溫性能

圖5為老化前后樣品的-18 ℃與-24℃時S的差值，圖6為在-18 ℃與-24℃下測得的樣品老化前后的S的差值。由圖5可見，隨發(fā)育時間的延長，-18 ℃與-24℃時的S的差值逐漸變大，說明隨發(fā)育時間延長，改性瀝青樣品抵抗低溫的能力減弱，對溫度的敏感性增強(qiáng)。由圖6可見，在同一溫度下，老化前后S的差值隨發(fā)育時間的延長也逐漸變大，說明延長發(fā)育時間后，膠粉改性瀝青樣品的抗老化能力減弱。

圖5 -18 ℃與-24℃時S的差值隨發(fā)育時間的變化

圖6 老化前后樣品S的差值隨發(fā)育時間的變化

2.3 發(fā)育時間對溫度敏感性的影響

將膠粉改性瀝青樣品的流變參數(shù)與實驗溫度采用公式lgG=AlgT+C進(jìn)行回歸分析，式中：G分別代表G′，G″，G*/sinδ；G′為彈性分量；G″為黏性分量；T為溫度；A為lgG對lgT回歸直線的斜率，可以用來評價瀝青的溫度敏感性，A的絕對值越大，表示瀝青在該溫度范圍內(nèi)對溫度越敏感；C為常數(shù)[11-12]。圖7為膠粉改性瀝青線性回歸后斜率A值隨發(fā)育時間的變化。

由圖7可見：當(dāng)發(fā)育時間一定時，A的絕對值由大到小的順序為：G′>G*/sinδ>G″，說明彈性分量對溫度最敏感，而黏性分量最不敏感；無論對彈性分量G′、黏性分量G″還是車轍因子G*/sinδ，隨發(fā)育時間的延長，A的絕對值均逐漸增大。說明隨發(fā)育時間的延長，膠粉改性瀝青樣品的溫度敏感性增強(qiáng)。

圖7 斜率A值隨發(fā)育時間的變化

2.4 發(fā)育時間對相容性的影響

通過熒光顯微鏡能夠清晰地觀察到膠粉改性瀝青的微觀狀態(tài)，膠粉呈棒狀或條狀結(jié)構(gòu)均勻分散在瀝青中[13-14]。圖8為膠粉改性瀝青的微觀狀態(tài)隨發(fā)育時間的變化。由圖8可見，隨發(fā)育時間的延長，膠粉顆粒在瀝青中發(fā)生降解反應(yīng)，顆粒逐漸變小，且分散狀態(tài)由緊密變?yōu)槭杷桑f明膠粉和瀝青的相容性越來越好。但發(fā)育時間為9 h和12 h的膠粉改性瀝青微觀狀態(tài)差別不大，因為發(fā)育時間9 h的樣品黏度最低，可認(rèn)為膠粉顆粒降解完全，此后發(fā)育過程中，膠粉顆粒狀態(tài)基本不變。

圖8 膠粉改性瀝青的微觀狀態(tài)隨發(fā)育時間的變化

2.5 發(fā)育時間對儲存穩(wěn)定性的影響

圖9為離析軟化點差值隨發(fā)育時間的變化。由圖9可見，隨發(fā)育時間的延長，膠粉改性瀝青樣品的離析軟化點差值先減小后增加。結(jié)合2.4節(jié)結(jié)果可知，延長發(fā)育時間后，膠粉和瀝青的相容性變好，進(jìn)而提高了膠粉改性瀝青的熱儲存穩(wěn)定性。

圖9 離析軟化點差值隨發(fā)育時間的變化

3 結(jié) 論

(1) 膠粉改性瀝青的高溫性能和低溫性能均較好。但延長發(fā)育時間后，高溫性能和低溫性能均有所下降，且在發(fā)育過程中一直伴隨著基質(zhì)瀝青的老化。

(2) 隨發(fā)育時間延長，膠粉改性瀝青的溫度敏感性變大，但相容性變好，熱儲存穩(wěn)定性變好。

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INFLUENCE OF SWELLING TIME ON PROPERTIES OF RUBBER POWDER MODIFIED ASPHALT

Feng Yelong1，Li Qiufei2，Zhang Yuzhen1，Li Guizhao1，Ding Qiyu1

(1.ChinaUniversityofPetroleum(EastChina)，Qingdao，Shandong266580；2.JiangsuTiannuoRoadMaterialsTechnologyCompanyLimited)

A series of crumb rubber modified asphalt samples was prepared with different swelling times and analyzed by dynamic shear rheomter and bending beam rheometer.The influence of swelling time on properties of crumb rubber modified asphalt though analysis of high temperature parameters (viscosity，soft point，rutting factor) and low temperature parameters (ductility，creep stiffness).The results show that the properties of the modified asphalt were improved both at high and low temperature by adding rubber power into base asphalt，the compatibility and storage stability is better.However，the temperature sensitivity goes up as extending the swelling time，indicating slightly decrease of properties both at high and low temperature.

modified asphalt； swelling time； rheological property； rubber power； compatibility

2016-08-29； 修改稿收到日期： 2016-10-26。

馮業(yè)龍，碩士研究生，研究方向為橡膠瀝青。

張玉貞，E-mail：fylupc@163.com。