環(huán)烷油溫拌橡膠瀝青路用性能研究

李鴻軻

(內(nèi)蒙古高等級公路建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

隨著交通運輸與汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車輪胎的需求量越來越大。廢舊輪胎又是一種難降解的高分子材料，比一般的固體廢棄物更難處理，隨意堆放將造成一系列環(huán)境問題。橡膠瀝青作為一種特殊的改性瀝青應(yīng)運而生，不僅能有效地緩解廢舊輪胎帶來的“黑色”污染，還因其優(yōu)良的路用性能，受到道路建設(shè)者的廣泛關(guān)注，是集節(jié)能、環(huán)保和新產(chǎn)品開發(fā)為一體的不可再生資源回收利用的有效途徑。

為保證橡膠顆粒與瀝青充分反應(yīng)，需要在高溫下進(jìn)行生產(chǎn)、施工，這樣易造成其儲存穩(wěn)定性差，因此制備好的橡膠瀝青需要在24 h內(nèi)使用完畢。由于橡膠瀝青的高黏性能以及不便控制的拌和碾壓溫度，將造成集料不易被橡膠瀝青充分裹覆，路面壓實度不足與空隙率偏大等問題，嚴(yán)重制約了橡膠瀝青路面的工程應(yīng)用。環(huán)保節(jié)能新型功能性路面材料是目前的一個研究熱點，為此，將溫拌技術(shù)應(yīng)用到橡膠瀝青以降低其混合料拌和、施工溫度，同時增強(qiáng)其路用性能是橡膠瀝青現(xiàn)階段急需突破的重點。鑒于此，在保證橡膠瀝青的施工溫度顯著降低的前提下，該文選用不同摻量的橡膠工業(yè)填充油——環(huán)烷油摻入橡膠瀝青中，通過對比分析SHRP性能指標(biāo)與常規(guī)技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果，確定最優(yōu)摻量的橡膠瀝青溫拌改性劑。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

該文選用70#瀝青作為母體瀝青制備橡膠瀝青，嚴(yán)格按照J(rèn)TG F20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(簡稱《規(guī)程》，下同)中的試驗要求測試其性能指標(biāo)，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 橡膠瀝青

采用70#基質(zhì)瀝青制備橡膠瀝青，采用濕法工藝制備，將基質(zhì)瀝青加熱至180 ℃，摻入橡膠顆粒，70#瀝青為外摻20%。采用高速剪切機(jī)進(jìn)行攪拌，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，反應(yīng)時間為60 min，反應(yīng)溫度控制在180～195 ℃。橡膠瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)均符合交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 798-2011《公路工程廢胎膠粉橡膠瀝青》(簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》，下同)，測試結(jié)果如表2所示。

表2 橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果

1.1.3 橡膠工業(yè)填充油——環(huán)烷油

環(huán)烷油是以環(huán)烷烴為主要成分的石油餾分，常用作橡膠型密封膠和壓敏膠的軟化劑，與SBR、NBR和BR有較好的共混性，為非污染型。由于其擁有飽和環(huán)狀碳鏈結(jié)構(gòu)，所以環(huán)烷油具有高密度、高黏度、無毒副作用等特點，而且一些飽和支鏈還連接在它的環(huán)上，因為這種特殊結(jié)構(gòu)，使環(huán)烷油既具有芳香烴類的部分性質(zhì)，也具有直鏈烴的部分性質(zhì)。

其物理化學(xué)性質(zhì)包括高溶解力、優(yōu)異的低溫性能以及與部分樹脂及聚合物優(yōu)良的兼容性，與橡膠良好的增塑性和互溶性。因此，環(huán)烷油可以作為溫拌劑來增加膠粉顆粒在瀝青中的溶脹。此外，環(huán)烷油來自天然石油，還有價格低廉、來源可靠等優(yōu)點，通過初試將環(huán)烷油的摻量范圍擬定為4%～10%，共7個樣本，每個樣本間隔1%。

1.2 試驗方案

1.2.1 溫拌劑摻量范圍試驗

通過黏度試驗測試不同環(huán)烷油摻量、不同試驗溫度下溫拌橡膠瀝青的黏度，以得出合適的溫拌劑摻量及溫拌施工溫度。進(jìn)行DSR試驗(動態(tài)剪切流變試驗)，計算70 ℃車轍因子、25 ℃疲勞因子，驗證各摻量下溫拌橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性、抗疲勞性。通過基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)(針入度、軟化點、延度、彈性恢復(fù))，判斷溫拌橡膠瀝青隨不同溫拌劑摻量其性能的變化趨勢，并對其進(jìn)行163 ℃下的薄膜烘箱加熱試驗，對其拌和施工過程中短期老化規(guī)律進(jìn)行模擬研究。最后，綜合分析3方面的試驗結(jié)果，確定溫拌劑的摻量范圍。

1.2.2 溫拌橡膠瀝青混合料路用性能測試

采用馬歇爾試驗設(shè)計方法設(shè)計AR-AC-13斷級配溫拌橡膠瀝青混合料。通過車轍試驗、低溫彎曲破壞試驗、浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗，測試不同溫拌劑摻量下，溫拌橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性，驗證橡膠瀝青混合料的路用性能是否滿足《橡膠瀝青及混合料設(shè)計施工技術(shù)指南》要求(簡稱《指南》，下同)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 溫拌劑摻量范圍確定

對摻加環(huán)烷油溫拌改性劑的70#橡膠瀝青分別測定135、150、165、180 ℃下的布氏旋轉(zhuǎn)黏度，黏溫曲線如圖1所示。

圖1 不同環(huán)烷油摻量橡膠瀝青黏溫曲線

由圖1可知：環(huán)烷油具有較好的降黏效果。溫拌橡膠瀝青在135 ℃各摻量超出《標(biāo)準(zhǔn)》要求的施工黏度上限值5 Pa·s，150、165、180 ℃各摻量下的黏度測試結(jié)果基本滿足要求且其黏度在環(huán)烷油摻量超過8%后降黏幅度均趨于平緩。基于降黏效果初步分析，考慮將環(huán)烷油的摻量擬定為5%～8%，拌和攤鋪溫度設(shè)置為150 ℃。

2.2 DSR試驗結(jié)果分析

環(huán)烷油對橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性能有一定影響。摻入環(huán)烷油后，橡膠瀝青的70 ℃車轍因子均有大幅下降，在摻量為10%逼近美國瀝青混合料路用性能規(guī)范對瀝青的最小值限制(圖2)。因此，環(huán)烷油的摻量應(yīng)控制在9%以內(nèi)。

環(huán)烷油能大幅改善橡膠瀝青的抗疲勞性能。25 ℃疲勞因子越低，橡膠瀝青表現(xiàn)出更好的抗疲勞性能。如圖3所示，該文所試驗的各環(huán)烷油摻量均能使橡膠瀝青的25 ℃疲勞因子下降30%以上，在摻量至8%后，抗疲勞性的增強(qiáng)效果減緩。因此，建議將其摻量控制在8%以內(nèi)。

圖2 各摻量下橡膠瀝青70 ℃車轍因子

圖3 各摻量下橡膠瀝青25 ℃疲勞因子

2.3 基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)

嚴(yán)格按《規(guī)程》對不同溫拌劑摻量的橡膠瀝青基礎(chǔ)指標(biāo)與老化性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖4～9所示。

圖4 環(huán)烷油各摻量下橡膠瀝青25 ℃針入度

圖5 環(huán)烷油各摻量下橡膠瀝青軟化點

圖6 環(huán)烷油各摻量下橡膠瀝青彈性恢復(fù)

圖7 環(huán)烷油各摻量下橡膠瀝青5 ℃延度

圖8 環(huán)烷油各摻量下橡膠瀝青的針入度比

圖9 環(huán)烷油各摻量下橡膠瀝青的延度比

由圖4～7可知：① 橡膠瀝青針入度隨環(huán)烷油摻量逐漸增加，在環(huán)烷油摻量達(dá)到10%時，接近規(guī)定的上限值，說明環(huán)烷油劑使橡膠瀝青變得更軟，黏度降低；② 軟化點隨環(huán)烷油摻量增加有所下降，均滿足要求；③ 彈性恢復(fù)都隨環(huán)烷油摻量增加而下降，說明摻環(huán)烷油的溫拌橡膠瀝青彈性恢復(fù)能力低于常規(guī)橡膠瀝青；④ 5℃延度有顯著提升，橡膠瀝青延度隨環(huán)烷油摻量增加增幅加劇，說明環(huán)烷油能大幅提高橡膠瀝青的低溫韌性；⑤ 短期老化性能測試結(jié)果表明：橡膠瀝青抗老化性能隨環(huán)烷油摻量增加，其針入度比、延度比均明顯提升，滿足要求，但隨摻量增加其增幅均呈現(xiàn)一定的放緩，說明環(huán)烷油能增強(qiáng)橡膠瀝青的抗老化性能。

綜合分析表明：橡膠瀝青在環(huán)烷油摻量為5%～8%時能獲得綜合效益較高的改善效果：70#橡膠瀝青隨環(huán)烷油摻量增加：① 70 ℃車轍因子、軟化點下降，針入度提高，說明環(huán)烷油對橡膠瀝青的高溫性能有一定影響，但均在規(guī)定范圍內(nèi)；② 25 ℃疲勞因子大幅下降，5 ℃延度大幅提升，說明環(huán)烷油能提高橡膠瀝青的抗疲勞性與低溫韌性；③ 短期老化試驗表明：環(huán)烷油能較好地增強(qiáng)橡膠瀝青的抗老化性。

3 溫拌橡膠瀝青混合料路用性能驗證

橡膠瀝青制備選用70#基質(zhì)瀝青外摻20%、40目膠粉，環(huán)烷油摻量為5%～8%。粗集料、細(xì)集料、礦粉均為西南地區(qū)石灰?guī)r，各項指標(biāo)均滿足行業(yè)規(guī)范要求。

3.1 溫拌AR-AC-13混合料的制備

在前文研究的基礎(chǔ)上，選擇AR-AC-13斷級配混合料在150 ℃進(jìn)行拌和成型，并對溫拌橡膠瀝青混合料[以下簡稱AR-AC-13(w)]路用性能進(jìn)行檢驗，瀝青混合料合成級配見表3。以馬歇爾試驗設(shè)計方法確定混合料最佳油石比為6.4%，相應(yīng)參數(shù)如表4所示。

表3 AR-AC-13(w)設(shè)計級配

表4 AR-AC-13(w)馬歇爾設(shè)計結(jié)果

3.2 高溫性能

采用車轍試驗對AR-AC-13(w)高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行評價，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 AR-AC-13(w)車轍試驗結(jié)果

相比常規(guī)橡膠瀝青混合料，AR-AC-13(w)的高溫性能均有所下降，根據(jù)《指南》對橡膠瀝青混合料高溫性能的劃分，常規(guī)橡膠瀝青混合料達(dá)到了重載交通上面層的高溫性能，AR-AC-13(w)在USP環(huán)烷油摻量為5%～7%時，均能滿足中等交通上面層的使用等級。說明環(huán)烷油對橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性有一定影響，但均滿足規(guī)范要求。

3.3 低溫性能

采用低溫彎曲破壞試驗評價溫拌橡膠瀝青的低溫性能，制作250 mm、寬30 mm、高35 mm的小梁試件，采用三點加載，支點間距為200 mm，加載速度為5 mm/min，試驗溫度為-10 ℃，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 低溫彎曲試驗結(jié)果

根據(jù)《指南》對橡膠瀝青混合料低溫性能的劃分，各環(huán)烷油摻量下溫拌橡膠瀝青混合料的破環(huán)應(yīng)變均可滿足冬嚴(yán)寒區(qū)的使用要求(大于3 000 με)。相比于常規(guī)橡膠瀝青混合料，其低溫性能均明顯增加。當(dāng)環(huán)烷油摻量為8%時，最大彎拉應(yīng)變接近于普通橡膠瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變的1.6倍，說明溫拌橡膠瀝青韌性低溫下的變形能力更好，不易在低溫下發(fā)生脆性斷裂，環(huán)烷油能極大增強(qiáng)橡膠瀝青低溫韌性。

3.4 水穩(wěn)定性

采用JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》凍融劈裂試驗(T0709-2011)來評價橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗結(jié)果如表7所示。常規(guī)橡膠瀝青混合料以及溫拌橡膠瀝青混合料都展示出良好的水穩(wěn)定性。添加溫拌改性劑后，凍融劈裂強(qiáng)度比均可達(dá)到規(guī)范要求。

表7 凍融劈裂試驗結(jié)果

4 結(jié)論

(1)環(huán)烷油具有較好的降黏效果。150、165、180 ℃各摻量下的黏度測試結(jié)果基本滿足要求且其黏度在環(huán)烷油摻量超過8%后降黏幅度均趨于平緩。

(2)橡膠瀝青在環(huán)烷油摻量為5%～8%時能獲得綜合效益較高的改善效果，70#橡膠瀝青隨環(huán)烷油摻量增加：① 70 ℃車轍因子、軟化點下降，針入度提高，說明環(huán)烷油對橡膠瀝青的高溫性能有一定影響，但均在《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定范圍內(nèi)；② 25 ℃疲勞因子大幅下降，5 ℃延度大幅提升，說明環(huán)烷油能提高橡膠瀝青的抗疲勞性與低溫韌性。

(3)AR-AC-13(w)的路用性能均滿足規(guī)范要求，在環(huán)烷油的影響下，混合料高溫性能有一定減弱，低溫性能得到大幅提升。當(dāng)環(huán)烷油摻量為8%時，最大彎拉應(yīng)變接近普通橡膠瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變的1.6倍；水穩(wěn)定性也能滿足規(guī)范要求。