膠粉摻量對橡膠改性瀝青低溫性能的影響

2021-07-13 08:15:34王衛雷李大為張家偉

城市道橋與防洪 2021年6期

王衛雷，馬柱，李大為，張家偉

（1.浙江省城鄉規劃設計研究院，浙江杭州310030；2.廣州大象超薄路面技術開發有限公司，廣東廣州510000；3.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海市200092）

0 引言

近年來，隨著科學技術的發展，膠粉改性瀝青已成為僅次于SBS改性瀝青的一種主要改性瀝青。采用橡膠粉對基質瀝青進行改性，既可以有效提高瀝青的路用性能，又可以充分利用廢舊橡膠輪胎，多年來一直是國內外研究的熱點[1]。

對于橡膠改性瀝青的研究，目前主要集中于高溫性能和疲勞性能方面，一般認為，橡膠改性瀝青混合料具有優異的高溫與疲勞性能[2]。李波等[3]研究了膠粉對瀝青高溫性能影響機理，發現廢舊橡膠粉加入瀝青后，橡膠改性瀝青混合料的高溫穩定性能顯著提高，因此其抗車轍變性能力通常很高。在疲勞性能方面，膠粉的加入使得瀝青變黏變彈，因此膠粉改性瀝青混合料的疲勞性能非常優異。黃衛東[4]通過四點小梁彎曲疲勞試驗，評價了膠粉改性瀝青混合料的疲勞特性，結果顯示高瀝青用量下橡膠改性瀝青混合料的疲勞性能顯著優于SBS改性瀝青混合料。同時其疲勞自愈合效果也十分良好[5]。

一般認為，膠粉的加入對瀝青的低溫性能也有所改善，陳子建[6]分析了濕拌法橡膠改性瀝青的反應機理,發現橡膠粉與瀝青之間的反應既有物理反應也有化學反應，這種反應過程有利于提高瀝青的低溫性能。孫雪偉等[7]研究了橡膠改性瀝青的低溫延度，發現膠粉摻量、反應時間、基質瀝青以及拉伸速率對橡膠改性瀝青膠結料低溫延度影響較為明顯。目前對于改性瀝青的低溫性能評價，主要有5℃延度、SHRP低溫PG分級、低溫流變性能等指標，其中低溫PG分級采用瀝青的低溫彎曲梁流變(BBR)試驗來完成，是國內外比較主流的評價指標，可以較好地區分瀝青的低溫性能。

本研究通過BBR試驗，研究不同膠粉摻量下橡膠改性瀝青的低溫PG分級結果，同時分析膠粉摻量的影響。實際生產中，為了提升膠粉的用量，一般也會在橡膠改性瀝青中摻加一定量的SBS，因此本研究的另一個方面是分析膠粉摻量對膠粉復合SBS改性瀝青低溫性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

本研究采用ESSO70#瀝青作為基礎瀝青，膠粉選用江陰產0.6 mm膠粉，由廢舊輪胎胎頂加工而成，橡膠粉技術指標見表1。

表1 廢輪胎橡膠粉技術指標

橡膠改性瀝青的制備方法如下：首先將基質瀝青加熱到185℃并不斷攪拌，以內摻方式分別添加5%、10%、15%、17%、18%、19%、20%共7種摻量的橡膠粉，而后攪拌1 h，即可制備完成。

對于膠粉復合SBS改性瀝青，目前工程中[8]比較常用的是復合2%SBS。本研究選用膠粉復合2%SBS改性瀝青。首先將基質瀝青加熱至185℃，以外摻形式加入2%SBS，攪拌0.5 h，而后分別以內摻方式加入5%、10%、15%和18%共4種摻量的膠粉，繼續攪拌1 h，即可制備出膠粉復合SBS改性瀝青。橡膠改性瀝青和膠粉復合SBS改性瀝青的基本指標見表2、表3。

表2 不同摻量橡膠改性瀝青的基本指標

表3 不同摻量膠粉復合S BS改性瀝青的基本指標

1.2 試驗方法

本研究采用低溫彎曲梁流變(BBR)試驗來評價瀝青的低溫性能，所用設備為CANNON產BBR彎曲梁流變儀。試驗按照規范ASTM D6648進行，將經過PAV老化的瀝青樣品澆入內壁涂有潤滑劑的小梁模具中，制備127 mm×12.7 mm×6.35 mm瀝青小梁試件，同種瀝青平行試驗2組。完成后放入已設置好試驗溫度的BBR無水乙醇浴槽內脫模并保溫1 h后進行試驗。采集并記錄小梁試件的跨中撓度隨時間變化數據，并在240 s時停止加載、進行卸載。

根據加載過程中8 s、15 s、30 s、60 s、120 s、240 s的BBR彎曲梁流變儀數據，按式（1）計算瀝青小梁試件的彎曲蠕變勁度模量S（t）：

式中：P為跨中加載力；L為跨徑；b為小梁試件的寬度；h為小梁試件的厚度；δ（t）為t時刻小梁試件的跨中撓度。

同時配套軟件會自動對雙對數坐標下的l g S（t）和l g t根據二次多項式進行擬合：

式中：A、B、C為回歸參數，由擬合得到。

對應地將m值定義為l g S（t）與l g t關系曲線上切線斜率的絕對值，即蠕變速率，以此來表征瀝青的低溫變形和應力消散能力。取用經過PAV老化的瀝青樣品60 s時的S和m值作為評價指標，以彎曲蠕變勁度模量S不超過300 MPa、蠕變速率m不小于0.3為控制指標，通過線性插值法得到早期開裂溫度T，記為低溫PG分級溫度。

2 試驗結果與分析

2.1 不同摻量橡膠改性瀝青BBR試驗結果

對不同摻量橡膠改性瀝青進行BBR測試。分別對-12℃、-18℃和-24℃條件下的瀝青小梁試件進行測試，并根據測試結果計算出對應的彎曲蠕變勁度模量S與蠕變速率m，結果如表4所示。

表4 不同摻量橡膠改性瀝青BBR試驗結果

由表4可知，對于同種橡膠改性瀝青，溫度越低，其彎曲蠕變勁度模量S值越大，表明瀝青逐漸變硬，而蠕變速率m值逐漸降低，說明瀝青的低溫變形以及應力消散能力逐漸降低。隨著膠粉摻量的增加，相同溫度橡膠改性瀝青的低溫彎曲蠕變勁度模量S值逐漸降低，表明瀝青逐漸變軟，而對應的蠕變速率m值逐漸增加，說明橡膠改性瀝青的低溫變形能力逐漸增強。

為了更好地展現隨著膠粉摻量變化，橡膠改性瀝青的低溫彎曲蠕變勁度模量S以及蠕變速率m的變化規律，將-18℃條件下的彎曲蠕變勁度模量S以及蠕變速率m繪制成柱狀圖，如圖1所示。

圖1 不同摻量橡膠改性瀝青的BBR試驗結果（-18℃）

由圖1可知，隨著膠粉摻量的增加，橡膠改性瀝青的彎曲蠕變勁度模量S值逐漸下降，并且膠粉摻量越高，下降效果越明顯。當膠粉摻量達17%時，其彎曲蠕變勁度模量S值約為基質瀝青的47%，而當膠粉摻量增加至20%時，其彎曲蠕變勁度模量S值僅為基質瀝青的31%。蠕變速率m值也呈現出逐漸上升的趨勢，說明膠粉摻量的增加，有助于提升橡膠瀝青的低溫變形以及應力消散能力。

2.2 不同摻量橡膠改性瀝青低溫P G分級

不同摻量橡膠改性瀝青的低溫PG分級結果如圖2所示。結果表明，隨著膠粉摻量的增加，橡膠改性瀝青的低溫PG分級逐漸降低，說明瀝青的低溫性能增強。當膠粉摻量達到18%時，橡膠改性瀝青的低溫PG分級溫度達到-30.7℃，較基質瀝青提高1個PG等級（6℃），說明膠粉對橡膠改性瀝青的低溫性能貢獻很大。

圖2 不同摻量橡膠改性瀝青的低溫P G分級結果

結合針入度數據，發現盡管橡膠改性瀝青隨著膠粉摻量的增大越來越稠，趨于硬化，但其低溫性能卻表現得更為優異。從而說明針入度指標反映出的瀝青軟硬，并不能評價橡膠改性瀝青的低溫性能。

2.3 不同摻量膠粉復合S BS改性瀝青BBR試驗結果

不同摻量膠粉復合SBS改性瀝青BBR試驗結果如表5所示。

由表5可知：在-12℃、-18℃和-24℃溫度條件下，瀝青的彎曲蠕變勁度模量S值均隨著膠粉摻量的增加而降低，說明瀝青逐漸變軟，這點與純橡膠改性瀝青的變化規律一致。比較相同膠粉摻量下的純橡膠改性瀝青與膠粉復合SBS改性瀝青的BBR試驗結果可以發現，加入SBS后，瀝青的低溫彎曲蠕變勁度模量S值略有增加，表明瀝青變硬，然而其蠕變速率m值也增加，說明橡膠改性瀝青的低溫變形以及應力消散能力也得以增強。這是由于SBS是一種熱塑性彈性體，在低溫環境下呈現出脆性，同時SBS的加入還會在瀝青當中形成一種網格化結構，用于增強瀝青的抗變形能力，因而瀝青的蠕變速率m值增加。

表5 不同摻量膠粉復合S BS改性瀝青BBR試驗結果

為了更好地分析膠粉摻量變化對膠粉復合SBS改性瀝青低溫性能的影響，選取-18℃條件下膠粉復合SBS改性瀝青的低溫彎曲蠕變勁度模量S與蠕變速率m進行分析，如圖3所示。由圖3可以看出，對于膠粉復合SBS改性瀝青，隨著膠粉摻量的增加，其低溫彎曲蠕變勁度模量S值逐漸減小，蠕變速率m值增加，說明瀝青逐漸變軟，其低溫變形與應力消散能力提升。當膠粉摻量從5%增加至18%時，其低溫彎曲蠕變勁度模量S值的降低幅度約50%，下降幅度顯著，說明SBS的加入使得膠粉對瀝青低溫性能的改善更為顯著。