橡膠瀝青水老化性能試驗(yàn)研究

吳美平

（南京市江北新區(qū)建設(shè)和交通工程質(zhì)量檢測中心，江蘇 南京 211500）

0 引言

從 20 世紀(jì) 60 年代開始，美國已經(jīng)開始將廢舊輪胎粉添加到瀝青之中以制備橡膠瀝青，既實(shí)現(xiàn)了廢膠粉的資源化利用，又改善了瀝青的技術(shù)性能，因此，橡膠瀝青一直是道路工作者的關(guān)注熱點(diǎn)［1-3］。近些年來，針對傳統(tǒng)橡膠瀝青施工粘度過大等問題，有學(xué)者通過添加 TOR 維他改性劑，不僅降低了橡膠瀝青的施工粘度，而且增加了其存儲穩(wěn)定性，推動了橡膠瀝青的進(jìn)一步利用［4-5］。

當(dāng)前，人們對于新制備橡膠瀝青的各類性能已有了較充分的認(rèn)識，但瀝青路面的服役壽命長達(dá)數(shù)年乃至十?dāng)?shù)年，在此期間，瀝青承受交通荷載和環(huán)境因素的雙重作用，必然不可避免產(chǎn)生老化，導(dǎo)致瀝青變硬變脆［6-7］，而人們尚未對橡膠瀝青的抗老化性能進(jìn)行深入研究，這影響了橡膠瀝青的推廣應(yīng)用。因此，本文擬對傳統(tǒng)橡膠瀝青和 TOR 橡膠瀝青的抗老化性能進(jìn)行研究，通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M并測試自然因素（熱、水、氧等）組合對橡膠瀝青技術(shù)性能的影響，為橡膠瀝青路面的耐久使用提供理論支撐。

1 橡膠瀝青的制備

試驗(yàn)選用 70# 基質(zhì)瀝青作為制備橡膠瀝青的基體，所用膠粉為姜堰產(chǎn) 60 目膠粉，TOR 為德國專利產(chǎn)品。對于常規(guī)橡膠瀝青，膠粉摻量為基體瀝青質(zhì)量的 18 %；對于 TOR 橡膠瀝青，再摻入膠粉質(zhì)量 4.5 % 的TOR。制備時首先將基質(zhì)瀝青加熱至 170 ℃，然后將稱量好的膠粉/TOR 邊攪拌邊加入瀝青中，以 500 rpm 的攪拌速率持續(xù)攪拌 60 min，制備過程中嚴(yán)格控制瀝青溫度。攪拌結(jié)束后在保溫狀態(tài)下發(fā)育 60 min。基體瀝青和橡膠瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)如表 1 所示。

表1 瀝青技術(shù)性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

援引 JTG E20－2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中瀝青薄膜加熱試驗(yàn)（T0609－2011）來模擬瀝青的短期老化過程，壓力老化容器試驗(yàn)（T0630－2011）模擬瀝青的長期老化過程，在進(jìn)行長期老化試驗(yàn)的同時加入水汽以模擬水分對老化的影響［8］。本試驗(yàn)在水分中加入氯鹽［9］和硫酸［10］以進(jìn)一步模擬水分酸堿度和和氯鹽含量對瀝青老化的影響。

將所需瀝青進(jìn)行老化處理后，分別使用軟化點(diǎn)試驗(yàn)（T0606－2011）、黏度試驗(yàn)（T0625－2011）、動態(tài)剪切流變試驗(yàn)（DSR）（T0628－2011）和彎曲流變試驗(yàn)（BBR）（T0627－2011）測試瀝青老化前后的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)，通過分析指標(biāo)的變化來探究橡膠瀝青的抗老化性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果及分析

橡膠瀝青軟化點(diǎn)測試指標(biāo)如表 2 所示。由表 2 可知，隨著水的 pH 值和氯鹽含量的改變，經(jīng)水老化試驗(yàn)后瀝青的軟化點(diǎn)也隨之改變。試驗(yàn)結(jié)果可以看出，水中 pH 值大小和氯鹽含量的多少影響瀝青長期老化后的性能。當(dāng) pH＜5.5（酸雨的 pH 值小于 5.6）時，隨著 pH 值的增大，橡膠瀝青和 TOR 橡膠瀝青的軟化點(diǎn)逐漸降低，而當(dāng) 5.5≤pH≤7.5 時，其軟化點(diǎn)隨著 pH 變化基本上不發(fā)生變化。隨著氯鹽含量的增加，橡膠瀝青和 TOR 橡膠瀝青瀝青的軟化點(diǎn)也都呈現(xiàn)出增加的趨勢。

表2 軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果 ℃

3.2 粘度試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1 粘度測試結(jié)果

橡膠瀝青粘度測試結(jié)果如圖 1 所示。粘度是瀝青重要性能指標(biāo)之一，既能反映瀝青的高溫性能，又能表征其施工和易性。從圖 1 可以看出橡膠瀝青和 TOR 橡膠瀝青在不同的 pH 值和氯鹽含量下，粘度是不同的。在相同條件下，TOR 橡膠瀝青的粘度高于橡膠瀝青，說明 TOR 橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性好于橡膠瀝青。就水分pH 值對橡膠瀝青粘度影響而言，兩種橡膠瀝青的粘度均隨著 pH 值的增大而呈現(xiàn)出凹形拋物線趨勢，拋物線拐點(diǎn)對應(yīng)的 pH 值為 5.5～6.5，并且拐點(diǎn)之后橡膠瀝青粘度隨 pH 值的變化趨緩。就氯鹽含量對橡膠瀝青粘度影響而言，兩種橡膠瀝青的粘度均隨著氯鹽含量增加而增加，說明氯鹽含量越高，對瀝青造成的老化越明顯。

結(jié)合軟化點(diǎn)和粘度試驗(yàn)結(jié)果可知：在水老化試驗(yàn)中，隨著水中 pH 值大小和氯鹽含量的多少對橡膠瀝青軟化點(diǎn)和粘度的影響更突出一些。

3.3 DSR 試驗(yàn)結(jié)果及分析

橡膠瀝青的 DSR 測試結(jié)果以疲勞因子（G*·sinδ）表示，結(jié)果如表 3 所示。疲勞因子表征的是瀝青的抗疲勞開裂能力，瀝青的疲勞因子越大，說明瀝青更容易在各類荷載下發(fā)生疲勞開裂。由表 3 可以看出，在本文所選的測試溫度下，TOR 橡膠瀝青的疲勞因子均更小，說明 TOR 的摻入有效改善了常規(guī)橡膠瀝青的抗疲勞能力。就水分 pH 值對疲勞因子的影響而言，兩種橡膠瀝青的疲勞因子均隨著 pH 值的增大而呈現(xiàn)出凹形拋物線趨勢，并且拐點(diǎn)之前橡膠瀝青疲勞因子隨 pH 值的變化較為劇烈，拐點(diǎn)之后這一變化趨緩。就氯鹽含量對橡膠瀝青疲勞因子影響而言，兩種橡膠瀝青的疲勞因子均隨著氯鹽含量增加而增加，說明氯鹽含量越高，橡膠瀝青的抗老化性能越低。

3.4 BBR試驗(yàn)結(jié)果及分析

BBR 測量結(jié)果以蠕變勁度 S 和勁度變化速率 m 值來表示，這兩個指標(biāo)均用以表征瀝青的低溫性能。其中，S 值越小，表明瀝青在低溫下具有更好的變形能力，降低了其低溫脆裂的可能；m 值越大，說明瀝青消散應(yīng)力的能力越好，也能夠減低瀝青因溫度應(yīng)力發(fā)生開裂的可能。

橡膠瀝青 BBR 測試結(jié)果如表 4 所示。由表 4 可知，兩種橡膠瀝青的 S 值均隨著溫度降低而增大，m 值則隨著溫度降低而減小，說明溫度越低，橡膠瀝青的低溫性能越差。就水分 pH 值對測試結(jié)果的影響而言，兩種橡膠瀝青的 S 值均隨著 pH 值的增大而呈現(xiàn)出凹形拋物線趨勢，m 值均隨著 pH 值的增大呈現(xiàn)出凸形拋物線趨勢，并且拐點(diǎn)之前測試指標(biāo)隨 pH 值的變化較為劇烈，拐點(diǎn)之后這一變化趨緩。就氯鹽含量對測試指標(biāo)的影響而言，S 值均隨著氯鹽含量增加而增加，m 值則呈現(xiàn)相反趨勢，說明氯鹽含量的增加對橡膠瀝青的長期低溫性能具有不利影響。

表3 疲勞因子 G*·sin δ 試驗(yàn)結(jié)果

表4 蠕變勁度 S 和蠕變速率 m 的試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文對常規(guī)橡膠瀝青和 TOR 橡膠瀝青的長期水老化性能展開研究，探究水分 pH 值和氯鹽含量對橡膠瀝青抗水老化性能的影響，結(jié)論如下。

1）在未經(jīng)老化階段，TOR 橡膠瀝青的高溫及低溫指標(biāo)均優(yōu)于常規(guī)橡膠瀝青，表明 TOR 橡膠瀝青的技術(shù)性能更優(yōu)。

2）在相同老化條件下，TOR 橡膠瀝青的高溫及低溫指標(biāo)均優(yōu)于常規(guī)橡膠瀝青，表明 TOR 橡膠瀝青的抗老化性能更優(yōu)。

3）在水分 pH 值對橡膠瀝青抗老化性能影響方面，橡膠瀝青的高溫和低溫性能指標(biāo)均隨著 pH 值的增大而呈現(xiàn)出拋物線變化趨勢，拋物線拐點(diǎn)對應(yīng)的 pH 值為5.5～6.5，并且拐點(diǎn)之前測試指標(biāo)隨 pH 值的變化較為劇烈，拐點(diǎn)之后這一變化趨緩，說明 pH 值越低，對橡膠瀝青老化性能影響越大。

4）在氯鹽含量對橡膠瀝青抗老化性能影響方面，橡膠瀝青的高溫和低溫性能指標(biāo)均隨著氯鹽含量增加而劣化，氯鹽含量對橡膠瀝青的抗老化性能具有明顯影響。