橡膠粉細(xì)度和摻量對(duì)橡膠瀝青感溫性能的影響研究

馮 波

（廣西紅河高速公路有限公司，廣西 南寧 530022）

0 引言

隨著汽車保有量的增加，汽車廢舊輪胎數(shù)量也越來(lái)越多。廢舊輪胎屬難降解材料，將其填埋會(huì)造成土壤污染，而將其焚燒會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的空氣污染［1－2］。為實(shí)現(xiàn)廢舊輪胎的二次利用，道路科研工作者提出將其磨細(xì)為橡膠粉后作為瀝青改性劑制備橡膠改性瀝青，此舉在實(shí)現(xiàn)廢物利用的同時(shí)能有效改善瀝青性能［3－8］，因而對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行研究具有重要意義。

吳春穎等對(duì)橡膠瀝青的高溫性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)橡膠粉能明顯提高瀝青軟化點(diǎn)和黏度，并降低其不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚?］；范斌衛(wèi)等對(duì)橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)連續(xù)級(jí)配橡膠瀝青混合料抗車轍性能優(yōu)于間斷級(jí)配，且礦物用量對(duì)抗車轍性能有重要影響［10］；何立平等研究了膠粉和硫磺摻量對(duì)橡膠瀝青高溫和低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)膠粉和硫磺摻量提高時(shí)橡膠瀝青高溫性能提高，但低溫性能下降［11］；陳保世對(duì)橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其水穩(wěn)性能優(yōu)于普通瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料［12］；申愛(ài)琴等對(duì)橡膠瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)疲勞損失過(guò)程中其疲勞性能穩(wěn)定下降，未出現(xiàn)明顯失效現(xiàn)象［13］。

現(xiàn)有研究主要涉及橡膠瀝青及其混合料的高溫、低溫、水穩(wěn)和疲勞性能，對(duì)其感溫性能影響因素的研究較為少見(jiàn)。為此，本文首先研究橡膠瀝青感溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的可靠性，進(jìn)而研究橡膠粉細(xì)度和摻量對(duì)其感溫性能的影響。

1 原材料

1．1 瀝青

試驗(yàn)選用70?；|(zhì)瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40－2004）要求，如表1所示。

表1 70＃瀝青主要技術(shù)指標(biāo)表

1．2 橡膠粉

采用斜交輪胎常溫粉碎研磨而成的橡膠粉，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 橡膠粉主要技術(shù)指標(biāo)表

2 橡膠瀝青感溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

2．1 針入度指數(shù)

針入度指數(shù)是評(píng)價(jià)瀝青感溫性能的最常用指標(biāo)，其通過(guò)測(cè)定多個(gè)溫度下的瀝青針入度值，按公式（1）在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上求取針入度隨溫度變化的曲線斜率，進(jìn)而根據(jù)公式（2）計(jì)算而來(lái)。其中針入度指數(shù)越大，瀝青感溫性能越好。

式中：P ——針入度（0．1mm）；

T——試驗(yàn)溫度（℃）；

PI——針入度指數(shù)；

A、K——回歸系數(shù)。

采用40目橡膠粉，制備摻量為18%的橡膠瀝青，分別進(jìn)行10℃、15℃、20℃、25℃和30℃條件下的針入度試驗(yàn)，并以10℃、15℃和20℃，15℃、20℃和25℃，20℃、25℃和30℃三組針入度試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算針入度指數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 不同針入度試驗(yàn)溫度下的針入度指數(shù)計(jì)算結(jié)果表

由表3可知，采用不同溫度條件下測(cè)試的針入度計(jì)算PI時(shí)，其差異較為明顯，其中采用15℃、20℃和25℃時(shí)其PI絕對(duì)值最大，而采用20℃、25℃和30℃時(shí)其PI絕對(duì)值最小，前者約為后者的3．3倍，且三組溫度條件計(jì)算的PI變異系數(shù)也達(dá)到－0．53，表明采用PI作為橡膠瀝青感溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的可靠性不高。分析原因可能是橡膠瀝青為“海島結(jié)構(gòu)”，進(jìn)行針入度試驗(yàn)時(shí)若針尖扎入橡膠顆粒會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性［14］。

2．2 粘溫指數(shù)

粘溫指數(shù)也常用于評(píng)價(jià)瀝青感溫性能，其通過(guò)測(cè)定多個(gè)溫度下的瀝青黏度值，按公式（3）計(jì)算而得。粘溫指數(shù)表征黏度取兩次對(duì)數(shù)后隨溫度變化取一次對(duì)數(shù)變化曲線斜率，其絕對(duì)值越大，瀝青感溫性能越差。

式中：VTS——粘溫指數(shù)；

η1和η2——黏度（Pa·s）；

T1和T2——對(duì)應(yīng)η1和η2的試驗(yàn)溫度（℃）。采用40目橡膠粉，制備摻量為18%的橡膠瀝青，分別進(jìn)行135℃、150℃、165℃和180℃條件下的布氏黏度試驗(yàn)，并以135℃和150℃，150℃和165℃，165℃和180℃三組溫度黏度試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算粘溫指數(shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 不同黏度試驗(yàn)溫度下的粘溫指數(shù)計(jì)算結(jié)果表

由表4可知，采用不同溫度條件下測(cè)試的黏度計(jì)算VTS時(shí)，其差異較PI明顯減小，其中采用150℃和165℃時(shí)其VTS絕對(duì)值最大，而采用135℃和150℃時(shí)其VTS絕對(duì)值最小，前者約為后者的1．3倍，且三組溫度條件計(jì)算的VTS變異系數(shù)為－0．11，約為PI變異系數(shù)的1／5，表明采用VTS作為橡膠瀝青感溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)可靠性明顯較PI高。

2．3 復(fù)數(shù)模量指數(shù)

近年來(lái)相關(guān)學(xué)者逐漸提出采用復(fù)數(shù)模量指數(shù)評(píng)價(jià)瀝青感溫性能，其通過(guò)DSR測(cè)定一定溫度范圍下的瀝青復(fù)數(shù)模量，按公式（4）計(jì)算而得。復(fù)數(shù)模量指數(shù)表征復(fù)數(shù)模量取兩次對(duì)數(shù)后隨溫度變化取一次對(duì)數(shù)變化曲線斜率，其絕對(duì)值越大，瀝青感溫性能越差。

式中：GTS——復(fù)數(shù)模量指數(shù)；

G＊——復(fù)數(shù)模量（Pa）；

T——試驗(yàn)溫度（℃）。

采用40目橡膠粉，制備摻量為18%的橡膠瀝青，采用DSR進(jìn)行28℃～82℃范圍溫度掃描試驗(yàn)，測(cè)定其復(fù)數(shù)模量隨溫度變化的曲線斜率。試驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式正弦波加載，頻率10rad／s。分別以28℃～46℃、46℃～64℃和64℃～82℃三組溫度范圍復(fù)數(shù)模量試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算復(fù)數(shù)模量指數(shù)，結(jié)果如表5所示。

表5 不同復(fù)數(shù)模量試驗(yàn)溫度下的復(fù)數(shù)模量指數(shù)計(jì)算結(jié)果表

由表5可知，采用不同溫度范圍測(cè)試的復(fù)數(shù)模量計(jì)算GTS時(shí)，其差異較PI和VTS均明顯減小，其中采用28℃～46℃時(shí)其GTS絕對(duì)值最大，而采用64℃～82℃時(shí)其GTS絕對(duì)值最小，前者僅較后者高7．4%，且三組溫度范圍計(jì)算的GTS變異系數(shù)僅為－0．04，分別約為PI和 VTS變異系數(shù)的1／13和1／3，表明采用GTS作為橡膠瀝青感溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的可靠性明顯較PI和VTS高。因而推薦采用GTS評(píng)價(jià)橡膠瀝青感溫性能。

3 橡膠粉細(xì)度和摻量對(duì)橡膠瀝青感溫性能的影響

3．1 影響趨勢(shì)研究

為分析橡膠粉細(xì)度和摻量對(duì)橡膠瀝青感溫性能的影響，分別采用40目、60目和80目橡膠粉，摻量為14%、16%、18%、20%和22%制備橡膠瀝青，進(jìn)而采用DSR進(jìn)行28℃～82℃溫度掃描試驗(yàn)，計(jì)算出其GTS如表6所示。

表6 不同橡膠粉細(xì)度和摻量下橡膠瀝青GTS試驗(yàn)結(jié)果表

由表6可知：隨著橡膠粉細(xì)度的增加，橡膠瀝青感溫性能逐漸被改善，且細(xì)度超過(guò)60目時(shí)改善效果更加明顯。各個(gè)橡膠粉摻量下橡膠粉目數(shù)提高時(shí)，GTS絕對(duì)值均有不同程度下降：其中橡膠粉細(xì)度由40目增加至60目時(shí)，5個(gè)橡膠粉摻量下對(duì)應(yīng)的GTS平均值絕對(duì)值下降4．2%；而細(xì)度由60目增加至80目時(shí)，GTS平均值絕對(duì)值下降8．9%。這是因?yàn)橄鹉z粉摻量不變，細(xì)度增加時(shí)其比表面積增大，在瀝青中橡膠粉吸收輕質(zhì)組分溶脹的能力增強(qiáng)，瀝青質(zhì)等重質(zhì)組分含量增加，故感溫性能得到改善。

隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠瀝青感溫性能逐漸被改善，但摻量超過(guò)20%后改善效果降低。各個(gè)橡膠粉目數(shù)下橡膠粉摻量提高時(shí)，GTS絕對(duì)值均有不同程度下降：其中橡膠粉摻量由14%增加至20%時(shí)，3個(gè)橡膠粉目數(shù)下對(duì)應(yīng)的GTS平均值隨橡膠粉摻量變化的曲線斜率為0．091；而摻量由20%增加至22%時(shí)，斜率僅為0．045。這是因?yàn)橐环矫嫦鹉z粉摻量增加時(shí)其吸收輕質(zhì)組分溶脹使瀝青中重質(zhì)組分比例提高；另一方面橡膠瀝青中瀝青部分比例減少，橡膠部分比例增多，而橡膠本身對(duì)溫度的敏感性低于瀝青，故感溫性能得到改善。

3．2 影響顯著性研究

為進(jìn)一步分析橡膠粉細(xì)度和摻量對(duì)橡膠瀝青感溫性能影響的顯著性，對(duì)表6中數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果如表7所示。

表7 橡膠粉細(xì)度和摻量對(duì)橡膠瀝青GTS影響方差分析結(jié)果表

由表7可知，橡膠粉細(xì)度和摻量對(duì)應(yīng)的F值分別為376．20和273．88，明顯高于兩者對(duì)應(yīng)的F臨界值4．46和3．84，表明橡膠粉細(xì)度和摻量均對(duì)橡膠瀝青感溫性能有顯著影響。同時(shí)橡膠粉細(xì)度對(duì)應(yīng)的F值為其F臨界值的84倍，而橡膠粉摻量對(duì)應(yīng)的F值為其F臨界值的71倍，表明橡膠粉細(xì)度對(duì)橡膠瀝青感溫性能的影響程度更大。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用PI、VTS和GTS評(píng)價(jià)橡膠瀝青感溫性能時(shí)其可靠性依次增強(qiáng)，其中不同試驗(yàn)溫度范圍計(jì)算的GTS變異系數(shù)僅為－0．04，分別約為PI和VTS變異系數(shù)的1／13和1／3，故推薦采用GTS作為橡膠瀝青感溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（2）橡膠粉細(xì)度和摻量增加時(shí)橡膠瀝青感溫性能逐漸被改善，且細(xì)度＞60目時(shí)改善作用增強(qiáng)，摻量＞20%后改善作用降低。

（3）橡膠粉細(xì)度和摻量均對(duì)橡膠瀝青感溫性能有顯著影響，且橡膠粉細(xì)度的影響程度較橡膠粉摻量更大。