基質瀝青添加反應型活性橡膠改善性能的研究

劉 平， 劉國濤

(云南省建設投資控股集團有限公司，云南 昆明 650501)

工業(yè)磷酸鹽礦物在生產過程中產生的大量副產品磷酸鹽廢棄物不僅占用了土地，而且造成嚴重的資源浪費[1]。磷酸鹽廢棄物經過改性形成的有機改性活性礦物(activated mineral binder stabilizer，簡稱為AMBS)可應用于公路工程中，不僅能提高道路材料結構性能，而且能減少資源浪費，符合綠色低碳和環(huán)境保護的政策，具有顯著的社會效益[2]。

反應型活性橡膠是在有機改性活性礦物的基礎上，按照一定的比例，選擇AMBS和橡膠粉摻入70#基質瀝青中，經過熱拌合活化形成的一種合成橡膠添加劑[3]。以色列研究開發(fā)的反應型活性橡膠的組成為：62%橡膠顆粒、22%軟瀝青及16%AMBS。在所有材料被加入拌和設備反應后，再添加10%AMBS，以防止產品再次凝結。研究[4-5]表明：反應型活性橡膠比傳統(tǒng)單純膠粉具有優(yōu)勢，它可以有效提高瀝青混合料的疲勞性能和高溫穩(wěn)定性，兼顧了活性礦物和橡膠瀝青的良好路用性能。其中，橡膠顆粒包含著大量的無機材料(填充物、硫化物及不同的穩(wěn)定劑)。在高溫時，橡膠顆粒與瀝青反應，有效提高了瀝青膠結料的性能。此外，AMBS有機硅含有有機疏水長鏈，其與橡膠顆粒連接并分散在瀝青內部，形成網絡互連結構，改善了瀝青混合料的高溫性能。同時，從混合料的微觀結構上看，可為提高瀝青混合料的性能做出一定的貢獻[6]。

1 試驗方案設計

1.1 試驗內容

1) 反應型活性橡膠瀝青的常規(guī)性能

采用70#石油瀝青作為瀝青膠漿的基質瀝青，摻入10%,20%和30%活性橡膠，分別研究反應型活性橡膠瀝青的針入度、延度及軟化點等常規(guī)性能，分析不同摻量活性橡膠對70#基質瀝青性能影響的變化規(guī)律，其試驗結果見表1。

表1 反應型活性橡膠瀝青常規(guī)性能試驗Table 1 Routine performance test of activated rubber asphalt

2)反應型活性橡膠瀝青的高溫性能

采用動態(tài)剪切流變(dynamic shear rheometer，簡稱為DSR)試驗和多應力重復蠕變(muti-stress creep and recovery，簡稱為MSCR)試驗，對活性橡膠瀝青高溫性能進行研究。

DSR試驗：采用動態(tài)剪切流變儀，得到抗車轍因子G*/sinδ。MSCR試驗：采用“加載和卸載”的間歇加載模式，模擬行車荷載應變累積過程，研究瀝青在重復單向荷載下的累計變形情況[7]。

在蠕變應力100 Pa和3 200 Pa條件下，應變恢復率相對差異Rdiff和不可恢復蠕變柔量相對差異Jnr-diff的計算公式分別為：

(1)

(2)

式中：R100和R3200分別為100 kPa和3 200 Pa蠕變應力下的平均應變恢復率；Jnr100和Jnr3200分別為100 kPa和3 200 Pa蠕變應力下的平均不可恢復蠕變柔量。

3) 反應型活性橡膠瀝青的低溫性能

采用彎曲梁蠕變儀(bending-beam rheometer，簡稱為BBR)，測定瀝青混合料的低溫性能。根據美國公路戰(zhàn)略研究計劃(strategic highway research program，簡稱為SHRP)，采用蠕變勁度模量S和變形速率m，反映瀝青路面在經過5～10 a后的低溫性能[8]。其中：蠕變勁度模量表示瀝青抵抗荷載的能力；變形速率反映瀝青的應力松弛特性。

1.2 試驗材料制備

反應型活性橡膠添加劑的方法為：采用150 ℃烘箱對基質瀝青進行高溫加熱，保證其具有良好的流動性。將基質瀝青保持在140～160 ℃，使用高速剪切機，將已稱量的活性橡膠緩慢倒入加熱瀝青中，連續(xù)攪拌30 min，以確?；钚韵鹉z在瀝青中分布均勻。得到制備好的活性橡膠與70#基質瀝青的復合反應型活性橡膠瀝青。

2 試驗結果與分析

2.1 反應型活性橡膠瀝青的性能

1) 針入度

針入度反映瀝青的相對粘度。反應型活性橡膠瀝青針入度試驗的結果如圖1所示。

圖1 反應型活性橡膠瀝青針入度試驗Fig.1 The penetration test of activated rubber asphalt

從圖1中可以看出，摻入10%活性橡膠后，復合活性橡膠瀝青的針入度從72(0.1 mm)下降到55(0.1 mm)，針入度明顯降低。其原因是：橡膠顆粒與AMBS組成網狀互聯結構；同時，在活性橡膠摻量增加至30%后，因網狀互聯結構的存在，瀝青針入度維持在某一水平，不再降低。

2) 延度

瀝青延度是評定瀝青塑性的重要指標，反應型活性橡膠瀝青延度試驗的結果如圖2所示。

圖2 反應型活性橡膠瀝青延度試驗Fig.2 The ductility test of activated rubber asphalt

從圖2中可以看出，摻入10%活性橡膠后，70#基質瀝青的延度(10 ℃，5 cm/min)從68 cm下降到10 cm，且瀝青延度(15 ℃)也呈現相同的規(guī)律，表明：活性橡膠對瀝青延度的影響較大。當活性橡膠摻量增加至30%時，延度不再降低。這與針入度指標呈現出相同的規(guī)律。其原因為：①活性橡膠中活性礦物、橡膠顆粒能夠與瀝青發(fā)生反應，形成網狀結構；② 活性礦物的成分為二氧化硅，具有一定的剛性，從而使瀝青的延度降低。

3) 軟化點

瀝青軟化點用來評價瀝青的粘度、高溫穩(wěn)定性及感溫性，反應型活性橡膠瀝青軟化點試驗的結果如圖3所示。

從圖3可以看出，摻入活性橡膠后，70#基質瀝青的軟化點得到明顯提高。隨著活性橡膠摻量的增加，軟化點呈現線性增加趨勢。表明：活性橡膠的摻入能夠很大程度地改善瀝青的軟化點。

圖3 反應型活性橡膠瀝青軟化點試驗Fig.3 Softening point test of activated rubber asphalt

4) 60 ℃動力粘度

60 ℃動力粘度表示瀝青抗車轍能力，反應型活性橡膠瀝青60 ℃動力粘度試驗的結果如圖4所示。

圖4 反應型活性橡膠瀝青60 ℃動力粘度試驗Fig.4 The viscosity of rubber asphalt at 60 ℃

加入活性橡膠后，瀝青60 ℃動力粘度明顯提高。隨著活性橡膠摻量的增加，瀝青60 ℃動力粘度呈指數增長趨勢，且增幅相當明顯。其原因是：活性橡膠與基質瀝青形成網絡結構增加了瀝青的粘度，同時，活性橡膠以顆粒固體的形式存在。隨著活性橡膠摻量的增加，瀝青60 ℃動力粘度會不斷增加。

2.2 反應型活性橡膠瀝青的高溫性能

2.2.1 動態(tài)剪切流變試驗

車轍因子G*/sinδ是瀝青高溫性能的重要指標，反映瀝青永久變形性能。其值越大，則抗車轍性能越高。DSR試驗的結果見表2。

從表2中可以看出，無論是在老化前或老化后，隨著活性橡膠的摻入，70#基質瀝青的車轍因子逐漸增加。且活性橡膠的摻量越大，基質瀝青的車轍因子越大，基質瀝青的高溫穩(wěn)定性越好。表明：活性橡膠的摻入能夠很好地提高基質瀝青的高溫性能。參考Superpave 規(guī)范[9]，按原樣瀝青的車轍因子G*/sinδ≥1.0 kPa、RTFOT老化后瀝青的車轍因子G*/sinδ>2.2 kPa來劃分瀝青高溫等級(peformance grade，簡稱為PG)的標準。對于70#基質瀝青+活性橡膠，摻量20%和30%的活性橡膠瀝青的高溫等級由64 ℃分別升高至70 ℃和82 ℃，有效地改善了基質瀝青的高溫性能[5]。

表2 反應型活性橡膠瀝青的DSR試驗Table 2 DSR test of activated rubber asphalt

2.2.2 多應力重復蠕變試驗

MSCR試驗研究的是車輛反復荷載對瀝青累積變形的影響，反映了道路在行車荷載的實際作用情況，MSCR試驗的結果見表3。

表3 反應型活性橡膠瀝青的MSCR試驗Table 3 MSCR test of activated rubber asphalt

從表3中可以看出：① 車轍是不可恢復應變積累形成的。不可恢復蠕變柔量是評價瀝青高溫抗變形能力的重要指標，即不可恢復蠕變柔量越小，瀝青的抗變形能力越好。摻入30%活性橡膠后，復合活性橡膠瀝青的Jnr100從6.780 0 減小至0.055 7，Jnr3200從7.239 0減小至0.507 4。且隨著活性橡膠摻量的增加，不可恢復蠕變柔量逐漸減小，即可恢復變形逐漸增加。表明：活性橡膠的摻入使瀝青的抗變形能力有較大程度的提高，達到改性瀝青的效果。② 平均應變恢復率R表示可恢復彈性比例。平均應變恢復率隨著活性橡膠摻量的增加而逐漸增加，即發(fā)生車轍的可能性逐漸降低。當摻入30%活性橡膠時，R100從0.33增加至89.26，達到普通改性瀝青的效果。其原因是：活性橡膠與瀝青發(fā)生反應，顯著提高了瀝青的粘度，同時，橡膠顆粒的彈性部分使得變形恢復充分。表明：活性橡膠能夠提高瀝青混合料的抗車轍性能和高溫穩(wěn)定性。③Jnr-diff表示不可恢復蠕變柔量的應力敏感性，Rdiff反映平均應變恢復率對應力的敏感程度。隨著活性橡膠的增加，Jnr-diff呈指數增加趨勢，而平均應變恢復率R對應力敏感性(Rdiff)呈線性減小趨勢；由于活性橡膠在瀝青內部形成網狀互聯結構，因此瀝青混合料更穩(wěn)定。

2.3 反應型活性橡膠瀝青的低溫性能

瀝青的低溫性能采用彎曲梁蠕變儀，測得蠕變勁度模量S和變形速率m。變形速率越大，則瀝青的應力松弛性能越好。當溫度下降而路面出現收縮時，瀝青結合料的抗裂性能也就越好，反應型活性橡膠瀝青彎曲梁蠕變試驗結果見表4。

從表4中可以看出，蠕變勁度模量S隨著活性橡膠的增加而逐漸減小，變形速率m則隨著活性橡膠的增加而逐漸增加。按照S≤300 MPa、m≥0.300的技術要求，70#基質瀝青摻入30%活性橡膠后，瀝青膠結料的低溫等級由-12 ℃升高至-18 ℃，提高了一個等級。表明：活性橡膠的摻入降低了瀝青的勁度，改善了基質瀝青的低溫抗裂性能。

表4 反應型活性橡膠瀝青BBR試驗Table 4 BBP test of activated rubber asphalt

3 結論

1) 常規(guī)性能試驗表明：隨著活性橡膠摻量的增加，70#基質瀝青的針入度和延度明顯降低。當活性橡膠的摻量增加到30%時，基質瀝青的針入度和延度維持在一定的水平，不再降低；而基質瀝青的軟化點呈線性增長趨勢，基質瀝青的60 ℃動力粘度呈指數增長趨勢?；钚韵鹉z的摻入能夠顯著提高瀝青膠結料的高溫性能。

2) DSR試驗表明：活性橡膠的摻入對基質瀝青的高溫性能有較大程度的提高。當活性橡膠的摻量為20%和30%時，瀝青PG高溫等級由64 ℃分別升高至70 ℃和82 ℃，有效地改善了基質瀝青的高溫性能。

3) MSCR試驗表明：隨著活性橡膠摻量的增加，Jnr-diff呈指數增加趨勢，而平均應變恢復率對應力敏感性(Rdiff)呈線性減小趨勢；活性橡膠在瀝青內部形成網狀互聯結構，使瀝青高溫抗變形能力有較大程度的提高，達到改性瀝青的效果，使得瀝青混合料更加穩(wěn)定。

4) 低溫性能試驗表明：活性橡膠的摻入降低了瀝青的勁度，改善了瀝青的低溫抗裂性能。在摻入30%活性橡膠后，其溫度由-12 ℃升高至-18 ℃，提升了一個等級。