橡膠粉復(fù)合磷酸改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)流變性能研究

雒國(guó)鋒 王浩錡

（1、新疆北新路橋集團(tuán)股份有限公司，新疆烏魯木齊 8300022、中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南鄭州 453200）

1 概述

隨著我國(guó)汽車(chē)消費(fèi)市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，廢舊輪胎的妥當(dāng)處置也面臨重要的難題，把廢舊輪胎制作成橡膠粉，再作為改性劑加入到基質(zhì)瀝青中，以制作出路用性能更佳的橡膠粉改性瀝青，這是近年來(lái)道路方向研究者的研究熱點(diǎn)之一[1-4]。

使用酸性物質(zhì)作為瀝青的改性劑，也是改性瀝青的研究熱點(diǎn)之一。酸性改性劑中最受關(guān)注的是多聚磷酸，有研究表明，多聚磷酸改性瀝青有較好的高溫儲(chǔ)存穩(wěn)定性、不容易離析等特點(diǎn)。酸改性劑能夠擴(kuò)大瀝青所使用的溫度范圍，改善其感溫性能，也能增加瀝青的勁度，減少瀝青路面產(chǎn)生的車(chē)轍[5-7]。

橡膠粉被用于瀝青性能的改善，能夠減少?gòu)U舊輪胎污染，提高路面的路用性能；而磷酸作為改性劑，價(jià)格低廉，容易獲取，又能對(duì)橡膠粉改性瀝青的性能加以改善，制備出路用性能更佳的復(fù)合改性瀝青，也算是一種“雙贏”。本文嘗試將兩種改性劑相結(jié)合，發(fā)揮兩者的各自的優(yōu)點(diǎn)，制備出橡膠粉與磷酸復(fù)合改性瀝青，對(duì)其性能進(jìn)行研究。

2 原材料性質(zhì)

2.1 基質(zhì)瀝青

本試驗(yàn)所選用的基質(zhì)瀝青是由中國(guó)石化某公司生產(chǎn)的70#A 級(jí)道路石油瀝青，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定基質(zhì)瀝青的基本性能指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

2.2 橡膠粉

本試驗(yàn)所采用的是由陜西宏瑞橡膠制品廠所生產(chǎn)的廢舊輪胎橡膠粉，標(biāo)準(zhǔn)目數(shù)為80 目。

2.3 磷酸

磷酸的化學(xué)式為H3PO4，分子量為97.9724，是一種常見(jiàn)的無(wú)機(jī)酸，是中強(qiáng)酸，在空氣中容易潮解；磷酸是一種重要的化工原料，主要用于制藥、食品、肥料等工業(yè)。本試驗(yàn)所選用的磷酸是由某公司生產(chǎn)的食品添加劑磷酸，該磷酸呈黏稠狀無(wú)色透明液體，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

表2 磷酸的主要指標(biāo)

2.4 橡膠粉與磷酸復(fù)合改性瀝青制備

制備橡膠粉與磷酸復(fù)合改性瀝青時(shí)，參照已有經(jīng)驗(yàn)，固定磷酸的摻量為基質(zhì)瀝青的2%，制備以下配比的復(fù)合改性瀝青：5%橡膠粉+2%磷酸、10%橡膠粉+2%磷酸、15%橡膠粉+2%磷酸和20%橡膠粉+2%磷酸。為了使基質(zhì)瀝青能與改性劑充分拌合，本試驗(yàn)一次取用的基質(zhì)瀝青為500g，配制改性瀝青過(guò)程中要全程控制溫度，防止因溫度過(guò)高而導(dǎo)致瀝青老化，本試驗(yàn)所采用的拌合溫度為130℃，拌合時(shí)間為30 分鐘。

2.5 橡膠粉與磷酸復(fù)合改性瀝青基本性能指標(biāo)

橡膠粉與磷酸復(fù)合改性瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。可以看出，隨著橡膠粉含量增大，添加了橡膠粉和磷酸的復(fù)合改性瀝青的針入度逐漸降低，軟化點(diǎn)逐漸增高，說(shuō)明復(fù)合改性瀝青的耐高溫性能得到了提高，但是延度逐漸降低，說(shuō)明其低溫性能有所降低。

表3 橡膠粉與磷酸復(fù)合改性瀝青基本性能指標(biāo)

3 復(fù)合改性瀝青的流變性能試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與試樣準(zhǔn)備

動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR），是一種用于研究瀝青流變學(xué)特性的分析儀器。DSR 能夠測(cè)定瀝青材料在特定溫度或荷載頻率下，瀝青材料的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角。復(fù)數(shù)剪切模量是指在重復(fù)剪切荷載的作用下，瀝青總的抵抗變形的能力，由與相位角有關(guān)的實(shí)部和虛部組成，是儲(chǔ)能模量，代表著瀝青材料的彈性部分，而是損耗模量，代表著瀝青材料的黏性部分。動(dòng)態(tài)剪切模量是指復(fù)數(shù)剪切模量的模。這些指標(biāo)加以變形分析后，可以用來(lái)對(duì)瀝青材料進(jìn)行性能分級(jí)，或用來(lái)表征瀝青的高溫抗車(chē)轍和中溫抗疲勞性能[8-10]。

3.2 試驗(yàn)方案

頻率掃描試驗(yàn)的原理是在某一個(gè)恒定的溫度條件下，對(duì)DSR 試樣施加頻率不相同的小剪切應(yīng)變，進(jìn)而可以得到瀝青膠漿線性黏彈性范圍內(nèi)的力學(xué)響應(yīng)。本試驗(yàn)使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）在各個(gè)恒定的溫度條件下對(duì)基質(zhì)瀝青和不同摻量的橡膠粉與磷酸復(fù)合改性瀝青施加1% 應(yīng)變的荷載進(jìn)行頻率掃描試驗(yàn)，荷載的形式是交變正弦荷載，進(jìn)行頻率掃描所采用的不同溫度分別為30℃、40℃、50℃和60℃，施加0.1rad/s-150rad/s 的頻率。本試驗(yàn)在30℃和40℃的低溫條件下采用直徑為8mm 的平行板，間隙為2mm；在50℃和60℃的高溫條件下采用直徑為25mm 的平行板，間隙為1mm。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行分析，通過(guò)相位角指標(biāo)對(duì)瀝青膠漿的流變性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

相位角是用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青膠漿高溫穩(wěn)定性和黏彈性常用的性能指標(biāo)，相位角的值可以用黏性成分與彈性成分之間的比值來(lái)表示。瀝青膠漿相位角的值越大，說(shuō)明該瀝青的彈性和高溫穩(wěn)定性越差；相反，相位角的值越小，瀝青的彈性和高溫穩(wěn)定性則越好。

如圖1 所示為基質(zhì)瀝青和不同摻量復(fù)合改性瀝青在150rad/s 頻率下其相位角隨溫度的變化曲線圖。經(jīng)分析可得：（1）基質(zhì)瀝青與各摻量復(fù)合改性瀝青的相位角均隨著溫度的升高而不斷地增大。這種逐漸上升的趨勢(shì)說(shuō)明溫度越高，瀝青膠漿內(nèi)部的黏性會(huì)越來(lái)越大，瀝青的彈性會(huì)持續(xù)降低。（2）與基質(zhì)瀝青的相位角相比，在相同的溫度條件下，各個(gè)配比橡膠粉與磷酸復(fù)合改性瀝青的相位角都比較小，這說(shuō)明復(fù)合改性瀝青的高溫穩(wěn)定性比基質(zhì)瀝青更加出色。（3）對(duì)比分析各摻量膠粉與磷酸復(fù)合改性瀝青可以發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下，隨著橡膠粉改性劑摻量的增加，其瀝青膠漿的相位角越來(lái)越小，這種減小的趨勢(shì)說(shuō)明較多的改性劑可以使得瀝青的高溫穩(wěn)定性在一定范圍內(nèi)逐漸增強(qiáng)。

圖1150rad/s 頻率下相位角變化曲線

頻率掃描試驗(yàn)?zāi)軌蚰M現(xiàn)實(shí)中車(chē)輛在不同的行駛速度下瀝青材料所得到的力學(xué)響應(yīng)。如圖2～5 所示為基質(zhì)瀝青和不同摻量瀝青膠漿相位角隨著頻率的變化曲線圖。可以得知：（1）基質(zhì)瀝青和不同摻量復(fù)合改性瀝青的相位角都有著相同的變化趨勢(shì)，均隨著頻率的持續(xù)升高而不斷減小。（2）與基質(zhì)瀝青相比，各種配比橡膠粉與磷酸復(fù)合改性瀝青的相位角在各個(gè)頻率下都比較小，這說(shuō)明改性瀝青的彈性性能更強(qiáng)。（3）橡膠粉與磷酸復(fù)合改性瀝青隨著橡膠粉改性劑摻量的增加，其相位角在同一頻率下不斷減小，這種趨勢(shì)說(shuō)明橡膠粉使瀝青的彈性性能得到了增強(qiáng)。

圖230℃下相位角變化曲線

圖340℃下相位角變化曲線

圖450℃下相位角變化曲線

圖560℃下相位角變化曲線

4 結(jié)論

4.1 隨著橡膠粉含量增大，添加了橡膠粉和磷酸的復(fù)合改性瀝青的針入度逐漸降低，軟化點(diǎn)逐漸增高，說(shuō)明復(fù)合改性瀝青的耐高溫性能得到了提高，但是延度逐漸降低，說(shuō)明其低溫性能有所降低。

4.2 各種瀝青膠漿的相位角均會(huì)隨著溫度的增高而變大，說(shuō)明瀝青的黏性性能增強(qiáng)，彈性性能降低；相同溫度條件，橡膠粉與磷酸復(fù)合改性瀝青比基質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性更好；同一溫度條件下，本試驗(yàn)范圍內(nèi)復(fù)合改性瀝青中橡膠粉摻量越大，高溫穩(wěn)定性越強(qiáng)。

4.3 各種瀝青的相位角均會(huì)隨著荷載頻率的升高而減小；橡膠粉和磷酸改性劑的加入會(huì)使基質(zhì)瀝青的彈性性能增強(qiáng)，且在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，橡膠粉摻量越大，彈性性能會(huì)越強(qiáng)。