紫外老化模式下橡膠瀝青的高溫蠕變特性研究

梁文輝

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032)

1 引 言

汽車工業(yè)在飛速發(fā)展的同時，每年產(chǎn)生大量的廢舊輪胎，廢舊輪胎造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。而廢舊輪胎加工成橡膠粉用于制備橡膠瀝青可實(shí)現(xiàn)資源再利用和綠色發(fā)展的理念。

橡膠瀝青用于道路工程不可避免的會經(jīng)受變化的環(huán)境作用，其中溫度與紫外耦合引起的老化降低了橡膠瀝青的路用性能。為了評價紫外老化對橡膠瀝青的劣化作用，道路材料研究人員開展相應(yīng)的科研工作，Wang等利用傅里葉紅外光譜儀、掃描電鏡等研究了在光老化前后橡膠瀝青流變性能的變化及老化機(jī)理，提出使用環(huán)氧材料、層狀雙氫氧化物及維他連接劑作為改性劑可提高橡膠瀝青的抗老化性能。Xiang等采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱模擬熱氧老化條件，比較分析了橡膠瀝青、SBS改性瀝青及橡膠/SBS復(fù)合瀝青老化前后流變性能變化，并闡述了熱氧老化機(jī)理。Rasool等制備了SBS橡膠瀝青，通過試驗(yàn)揭示了SBS橡膠瀝青在熱和紫外輻射后流變性能發(fā)生較大的變化，從形態(tài)學(xué)角度闡述了SBS與橡膠粉具有較好的相容性。肖鵬等研究了橡膠瀝青紫外光老化后的性能變化，測試了紫外光老化后的橡膠瀝青的疲勞因子、蠕變勁度和蠕變速率等性能指標(biāo)。齊亞妮根據(jù)新疆地區(qū)的紫外強(qiáng)度，通過換算以室內(nèi)模擬新疆地區(qū)紫外環(huán)境研究光氧老化對橡膠改性瀝青路用性能的影響。王強(qiáng)等研究了橡膠瀝青在紫外線(UV)老化過程中的結(jié)構(gòu)與性能變化。

2 原材料性質(zhì)及橡膠瀝青的制備、老化

2.1 基質(zhì)瀝青

本文所使用的瀝青為SK90#基質(zhì)瀝青，其基本性能指標(biāo)見表1。

表1 SK90#基質(zhì)瀝青的基本性能指標(biāo)

2.2 橡膠瀝青的制備

本文所使用的橡膠粉為廢舊子午輪胎經(jīng)磨細(xì)加工制備而成，粒徑為50目。首先，將加熱后的SK90#基質(zhì)瀝青倒入容器中，稱取基質(zhì)瀝青的質(zhì)量，并控溫加熱至流體狀態(tài)，溫度控制在180±5 ℃，向加熱的基質(zhì)瀝青中均勻倒入稱量后的50目橡膠粉(外摻比例為20%)，在摻加橡膠粉的同時，利用攪拌器以500 r/min的速度攪拌至橡膠粉摻加結(jié)束。然后，在控制180 ℃的溫度下，利用高速剪切機(jī)以5 000 r/min的速度剪切45 min，將高速剪切后的橡膠瀝青控制溫度為180 ℃，利用攪拌器以500 r/min的速度攪拌，發(fā)育60 min，即制備了橡膠瀝青。

2.3 橡膠瀝青的紫外老化

本文利用耐黃變試驗(yàn)機(jī)通過控制老化溫度和老化時間對制備的橡膠瀝青進(jìn)行紫外老化，為了保證老化的均勻性，把180 ℃的橡膠瀝青倒入老化盤中，并開啟耐黃變試驗(yàn)機(jī)中的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)速設(shè)定為5 r/min。鑒于我國道路所經(jīng)受的高溫范圍基本在40～60 ℃，與橡膠瀝青路面所處的高溫范圍一致，并且高溫引起橡膠瀝青的老化，因此選擇高溫范圍兩端的溫度作為老化溫度，即40 ℃和60 ℃。此外，環(huán)境中的紫外線照射引起橡膠瀝青的老化，特別是對于新疆、青海等紫外線強(qiáng)度較高的地區(qū)，紫外老化作用更為突出。老化溫度和老化時間的組合分別為老化溫度40℃的老化時間為6 h, 老化溫度60℃的老化時間為6 h。多組合紫外老化的橡膠瀝青制樣，以便利用動態(tài)剪切流變儀進(jìn)行多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)。

3 紫外老化橡膠瀝青的高溫蠕變特性

為了比較分析不同紫外老化組合條件下橡膠瀝青蠕變性能的變化，本文利用動態(tài)剪切流變儀進(jìn)行多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，測試溫度為60 ℃，施加的應(yīng)力水平分別為0.1 kPa和3.2 kPa，每個應(yīng)力水平進(jìn)行10個周期，每個周期10 s，分為1 s的蠕變階段和9 s的卸載恢復(fù)階段，最終的評價指標(biāo)為變形恢復(fù)率R和不可恢復(fù)柔量Jnr。0.1 kPa和3.2 kPa的剪切應(yīng)變測試結(jié)果見圖1和圖2。

圖1 0.1 kPa的蠕變恢復(fù)

圖2 3.2 kPa的蠕變恢復(fù)

由圖1和圖2可以看出，0.1 kPa和3.2 kPa兩種應(yīng)力水平下，紫外老化溫度60℃的老化時間為6 h橡膠瀝青其剪切應(yīng)變大于紫外老化溫度40℃的老化時間為6 h橡膠瀝青的剪切應(yīng)變，并且剪切應(yīng)變均隨加載時間的延長而增大。此外，0.1 kPa時兩種紫外老化對應(yīng)的剪切應(yīng)變相差不大，而3.2 kPa時兩種紫外老化對應(yīng)的剪切應(yīng)變差異增大，特別是在加載后期?；謴?fù)率R和不可恢復(fù)柔量Jnr的計算結(jié)果見表2。

表2 恢復(fù)率和不可恢復(fù)柔量計算結(jié)果

表2中的結(jié)果顯示，兩種應(yīng)力水平下，紫外老化溫度40℃的老化時間為6 h橡膠瀝青的恢復(fù)率均大于紫外老化溫度60℃的老化時間為6 h，但0.1 kPa應(yīng)力水平的恢復(fù)率相差不大，而不可恢復(fù)柔量的變化規(guī)律則相反，說明紫外老化溫度60℃的老化時間為6 h橡膠瀝青的彈性減小，變形恢復(fù)減弱，降低了高溫路用性能。此外，3.2 kPa的恢復(fù)率明顯小于0.1 kPa的恢復(fù)率，而3.2 kPa的不可恢復(fù)柔量均大于0.1 kPa的不可恢復(fù)柔量，說明高應(yīng)力水平更容易引起永久變形，降低路用性能。

4 結(jié) 論

(1)橡膠瀝青紫外老化60 ℃的剪切應(yīng)變均大于40 ℃的剪切應(yīng)變。

(2)0.1 kPa時兩組紫外老化引起的剪切應(yīng)變差異不大，而3.2 kPa時兩組剪切應(yīng)變差異隨著加載時間的延長逐漸顯著。

(3)紫外老化40 ℃的恢復(fù)率稍大于60 ℃的恢復(fù)率，不可恢復(fù)柔量的變化規(guī)律則相反。