膠粉性質對橡膠改性瀝青性能影響研究

2020-06-15 04:35:30張明月茍宏偉

工程與建設 2020年2期

張明月，蔣恒，茍宏偉

(長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410004)

0 引言

隨著《交通強國建設綱要》(以下簡稱《綱要》)的頒布，我國公路建設又迎來了新的發展契機。回望我國公路發展歷程，截至2018年底，我國公路總里程達484.65萬km，較上一年增長7.31萬km，位居世界第一。《綱要》提出我國交通運輸發展的重要任務之一是“綠色發展、低碳環保”[1]。早期公路建設存在能耗高、污染大的弊端，為迎合這一發展理念，公路建設者們陸續開發了許多節能環保的筑路材料、施工機具、施工工藝等，橡膠改性瀝青技術就是其中的典型代表之一。其將廢舊的橡膠輪胎重新利用，加工成為筑路材料——膠粉，并與瀝青在高溫條件下剪切、拌和，形成改性瀝青膠結料，相比于傳統的SBS改性瀝青技術，這種方法節省了15%～20%的基質瀝青[2]。

我國的橡膠改性瀝青技術現處于起步和發展階段，仍存在很多缺陷與不足。膠粉的目數與摻量是橡膠改性瀝青技術的重要參數，但我國現有的規范、地標、指南等對膠粉性質的技術要求略顯寬松，如對膠粉目數一般要求30～80目，膠粉摻量一般大于15%即可[3]。然而基于工程實踐發現，不同目數與摻量的膠粉對改性瀝青的性能有著重要影響，合理選擇摻量與目數可有效提高瀝青改性質量，同時節約成本，避免盲目性。為此，本文基于濕法工藝，對不同摻量與不同目數的橡膠改性瀝青進行性能測試，探究膠粉摻量與目數對改性瀝青性能的影響，以期為工程實際提供借鑒與指導。

1 原材料與制備工藝

1.1 瀝青

本文選用東海牌70號基質瀝青，其主要技術指標見表1。

表1 70號基質瀝青技術指標

1.2 橡膠粉

本文選用四川中能橡膠粉有限責任公司所生產的40～80目橡膠粉(圖1)，參考《橡膠瀝青路面技術標準》(CJJ/T 273-2019)，其主要技術指標見表2。

圖1 橡膠粉

表2 橡膠粉技術指標

1.3 橡膠改性瀝青制備工藝

本文基于濕法工藝制備實驗室用橡膠改性瀝青(圖2)，首先將基質瀝青加熱至160℃，然后加入相應質量和目數的橡膠粉，使用上海昂尼AE300L-P型實驗室剪切乳化機在180 ℃條件下以1 000 r/min的速率高速剪切60 min，繼續在180 ℃條件下溶脹15 min，最終得到所需的改性瀝青。

圖2 橡膠改性瀝青制備

2 橡膠改性瀝青機制

如圖3所示，橡膠顆粒與瀝青在高溫剪切條件下混合，橡膠顆粒充分吸收瀝青中的輕質組分而發生溶脹，使得瀝青中其余飽和酚、芳香酚與瀝青質的含量相對減少，提升了瀝青的黏度。溶脹反應的同時，伴隨著脫硫和降解，橡膠粉中的活性成分進入瀝青膠體中，有助于改善瀝青性能。另一方面，膠粉顆粒周圍形成的凝膠膜瀝青質含量高，可將分散于瀝青中的橡膠顆粒，形成黏度較大的半固態連續相的體系[4]。

圖3 橡膠改性瀝青機制

3 膠粉目數對橡膠瀝青性能的影響

我國橡膠瀝青現行規范、地標與指南中尚未對膠粉目數做出詳細規定，針對膠粉目數僅推薦了目數范圍為30～80目，較為寬泛的范圍勢必給橡膠瀝青的制備帶來困擾。因此，為探究膠粉目數對橡膠改性瀝青性能的影響，基于前述制備工藝，在20%膠粉摻量(質量分數，下同)條件下，對不同膠粉目數(40目、60目、80目)進行性能測試，結果見表3。

表3 不同橡膠粉目數橡膠改性瀝青性能測試結果

由表3可知：

(1)膠粉目數的增大有助于提升橡膠改性瀝青的高溫性能。如圖4a所示，當膠粉目數由40目增大至80目時，針入度降低4.5(0.1 mm)，軟化點提升7.9℃，高溫性能顯著提高。究其原因在于，橡膠粉目數越大表明其粒徑越小，橡膠粉顆粒越細，單位體積內橡膠粉顆粒數量大，比表面積提升，在相同膠粉摻量條件下膠粉與基質瀝青溶脹反應更加充分，膠粉吸收瀝青中輕質組分的速率加快，形成的三維空間網狀結構物更加穩固，因而高溫性能得以改善。

(2)膠粉目數的增大有助于提升橡膠改性瀝青的低溫性能。如圖4b所示，當膠粉目數由40目增加至60目時，延度提高36 mm，繼續增大至80目時，延度繼續提升28 mm，在此范圍內，延度的提升與目數幾乎呈線性關系。這是因為橡膠粉與瀝青的拉伸模量相差較大，當延度儀對瀝青進行拉伸時，瀝青的橫向變形較大，若橡膠顆粒越大，則膠粉在瀝青中的流動性越差，拉伸過程中瀝青與膠粉的界面應力集中現象越明顯，越容易發生斷裂，因此，目數越大，膠粉顆粒越細，越有利于提高橡膠改性瀝青的低溫性能。

(3)膠粉目數的增大不利于橡膠改性瀝青的彈性恢復能力。如圖4c所示，當膠粉目數由40目增大至80目時，橡膠改性瀝青的彈性恢復能力下降9個百分點，這是因為橡膠粉本身彈性特征遠遠優于瀝青，橡膠粉目數增大后，粒徑減小，與瀝青反應加劇，降解和脫硫現象增加，減少了橡膠中的彈性成分，因而導致改性瀝青的彈性恢復能力降低。

圖4 膠粉目數對瀝青性能影響

4 膠粉摻量對橡膠瀝青性能的影響

膠粉摻量是橡膠改性技術的關鍵參數之一，我國相關規范、地標、指南中對膠粉摻量的規定一般為大于15%即可。然而根據工程實踐經驗發現，當膠粉摻量過高時，瀝青的黏度偏大，不利于施工。因此，為掌握膠粉摻量對橡膠瀝青性能的影響，本文基于前述制備工藝，采用80目橡膠粉，分別對不同膠粉摻量(5%、10%、15%、20%、25%、30%)的改性瀝青進行性能測試，結果見表4。

表4 不同橡膠粉摻量橡膠瀝青性能測試結果

由表4可知：

(1)隨著膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的高溫性能逐步提升，增速先快后慢。如圖5a所示，當膠粉摻量由5%增加至20%時，針入度下降8.4(0.1mm)，軟化點提升8.5℃，高溫性能顯著提升，這是由于當膠粉摻量較少時，隨著摻量的增加，瀝青與膠粉的溶脹反應越加充分完全，膠粉顆粒間的作用加強，形成較為穩定的空間網狀結構物以提升瀝青性能，但是當摻量超過20%后，高溫性能出現波動，甚至小幅下降，表現為當摻量增加至30%，相較于20%摻量時軟化點降低1.3℃，究其原因在于瀝青中有限的輕質組分無法滿足與過量膠粉的反應，因而表現為高溫性能的小幅下降。

(2)隨著膠粉摻量的增加，橡膠瀝青低溫性能先提升后下降。如圖5b所示，當膠粉摻量由5%增加至20%時，5℃延度升高115(0.1mm)，低溫性能顯著提升，這就表明瀝青與膠粉反應后內部形成的空間網狀結構物有利于改善瀝青的柔韌性，低溫性能得以提升；繼續增加摻量至30%，5℃延度降低21(0.1mm)，低溫性能小幅下降，造成該現象的原因在于過量的膠粉無法充分反應完全，將以大顆粒形式存在于瀝青中，且分散不均勻，在延度儀試模拉伸過程中容易在瀝青與膠粉顆粒界面產生應力集中現象，不利于改善低溫性能。

(3)隨著膠粉摻量的增加，橡膠瀝青彈性恢復能力逐步提升，當摻量高于20%后，提升幅度有限。如圖5c所示，當膠粉摻量由5%增加至20%時，彈性恢復率提升27個百分點；繼續增加至30%，彈性恢復率僅提升3個百分點。究其原因在于，一方面膠粉顆粒與輕質組分的反應間接提升了瀝青中瀝青質的含量，另一方面基質瀝青本身彈性恢復率低，橡膠顆粒彈性足，二者共同作用提升了改性瀝青的彈性特征和黏稠度，但是過量膠粉對上述性質的改善作用明顯不足。