基于配伍性分析的高摻量橡膠瀝青路用性能研究

包啟云 劉國濤

(云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司,云南 昆明 650501)

0 引言

目前橡膠瀝青通常膠粉摻量為15%～18%，而高摻量橡膠瀝青能達(dá)到20%～25%左右。當(dāng)膠粉摻量增加時，增加了廢舊輪胎利用率，同時增大了瀝青黏度，較高的黏度提高了橡膠瀝青高溫性能和抗水損害性能，但黏度過大導(dǎo)致瀝青儲存穩(wěn)定性差，同時降低施工和易性。如何合理提高膠粉摻量，加大廢舊輪胎利用率，同時優(yōu)化高摻量橡膠瀝青制備工藝和配伍性，解決橡膠瀝青存儲穩(wěn)定性差是急需解決的問題。

研究表明[1]，當(dāng)膠粉磨細(xì)均勻分散在基質(zhì)瀝青中，改性瀝青體系更加穩(wěn)定，能夠更好的提高橡膠瀝青高溫存儲穩(wěn)定性。但過細(xì)的膠粉容易導(dǎo)致膠粉過度脫硫降解，影響橡膠瀝青性質(zhì)。針對高摻量橡膠瀝青配伍性和高存儲穩(wěn)定性研究，本文通過改性瀝青離析指標(biāo)以及PG分級試驗(yàn)，研究膠粉用量、化學(xué)添加劑等對橡膠瀝青性能的影響，并通過水穩(wěn)定性試驗(yàn)和高溫車轍試驗(yàn)，評價高摻量橡膠瀝青路用性能。

1 試驗(yàn)方案

為了將膠粉進(jìn)一步磨細(xì)，本文采用高速剪切乳化機(jī)在橡膠瀝青制備過程中對膠粉進(jìn)一步細(xì)化，高速剪切乳化機(jī)的剪切速率為4 000 rpm。由于膠粉細(xì)度發(fā)生較大改變，膠粉的溶脹速率和程度與傳統(tǒng)現(xiàn)場濕法橡膠瀝青將有不同程度的差異，橡膠瀝青的物化性能也將發(fā)生變化。因此，本文在最佳工藝條件下[2]，分析膠粉用量、化學(xué)添加劑等對橡膠瀝青性能的影響。

本文選擇采用基質(zhì)瀝青、膠粉等原材料進(jìn)行性能評價和配伍性及工藝研究。其中基質(zhì)瀝青為SK-70號重交瀝青[3]。膠粉選擇30目貨車輪胎膠粉。交聯(lián)劑選擇升華硫磺。活化劑選擇橡膠活化劑420(烷基苯酚二硫化物等)通過選擇17.5%，20.0%，22.5%，25.0%幾種不同摻量膠粉，研究膠粉摻量對橡膠瀝青性能的影響。高摻量橡膠瀝青制備工藝為：不同摻量膠粉先在160 ℃的基質(zhì)中浸泡45 min，使膠粉充分溶脹。然后采用剪切乳化機(jī)在180 ℃，轉(zhuǎn)速為4 000 rpm條件下，剪切45 min，制備不同膠粉摻量橡膠瀝青進(jìn)行PG分級試驗(yàn)[4]。

2 配伍性分析

2.1 膠粉摻量

通過分析不同摻量膠粉橡膠瀝青三大指標(biāo)及離析值，研究不同摻量膠粉對橡膠瀝青性能影響。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 膠粉摻量對橡膠瀝青性能的影響

由表1試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著膠粉摻量的增加，粘度逐漸增大，限制了瀝青體系流動性。同時隨著針入度減小，延度降低。分析主要是由于隨著橡膠顆粒增加，改性體系彈性逐漸增大。但由于膠粉顆粒在改性體系形成應(yīng)力集中，造成橡膠瀝青延度減小。而離析值隨著膠粉摻量增大而減小，橡膠瀝青穩(wěn)定性變好。隨膠粉摻量增大，體系粘度增加，根據(jù)Stoke沉降公式，體系粘度增大降低沉降速度，提高穩(wěn)定性。但摻量過高時，粘度過大，造成橡膠瀝青不宜施工。當(dāng)膠粉摻量為25%時，各項指標(biāo)綜合性能較好。

2.2 PG等級分析

選擇25%摻量膠粉，硫化劑0.5%(占膠粉含量)，活化劑0.3%，制備高摻量橡膠瀝青。通過PG分級試驗(yàn)關(guān)鍵性能指標(biāo)研究高摻量性能[5]，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 高摻量橡膠瀝青PG等級測試

根據(jù)表2評價結(jié)果，高摻量橡膠瀝青的各項指標(biāo)均滿足相關(guān)技術(shù)要求，且滿足PG82-28指標(biāo)要求，具有良好地高低溫性能。綜上，橡膠瀝青的各項性能與加工溫度、加工時間、膠粉類型與摻量、添加劑等因素息息相關(guān)，為獲得儲存性能良好的高摻量橡膠瀝青，可根據(jù)物理細(xì)化膠粉顆粒和化學(xué)改性的原理，通過選擇合理的加工工藝、合適的材料和材料用量等制備性能優(yōu)良的高摻量橡膠瀝青。

3 穩(wěn)定性分析

高摻量橡膠瀝青具有良好的存儲穩(wěn)定性，為進(jìn)一步評價高摻量橡膠瀝青的存儲穩(wěn)定性，本文分別通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)測試一定溫度下不同存儲時間的高摻量橡膠瀝青177 ℃黏度[6]。

室內(nèi)試驗(yàn)是將高摻量橡膠瀝青置于177 ℃烘箱中存放、取樣測試。現(xiàn)場試驗(yàn)是對存儲罐常用存儲溫度165 ℃的高摻量橡膠瀝青分別取樣測試[7]。不同存儲時間的高摻量橡膠瀝青177 ℃運(yùn)動黏度試驗(yàn)結(jié)果見圖1。其中，橡膠瀝青分別在177 ℃烘箱和165 ℃儲存罐中進(jìn)行長期加熱保溫。

由圖1試驗(yàn)結(jié)果可知：存儲溫度越高，177 ℃黏度下降幅度越大。在高溫存儲條件下，高摻量橡膠瀝青在存儲早期(24 h內(nèi))的177 ℃黏度有一定程度的下降，存儲中后期(24 h后)高摻量橡膠瀝青的177 ℃黏度變化較小，可忽略不計。主要是由于早期膠粉與瀝青在高溫環(huán)境下仍持續(xù)發(fā)生溶脹和脫硫降解反應(yīng)，瀝青的性能指標(biāo)發(fā)生一定的變化。反應(yīng)一定時間后，高摻量橡膠瀝青中反應(yīng)趨于平衡，瀝青膠結(jié)料性能趨于穩(wěn)定。

不論高摻量橡膠瀝青的存儲溫度多少，在經(jīng)過存儲早期的黏度衰減之后，高摻量橡膠瀝青的性能趨于穩(wěn)定，且衰減前后的高摻量橡膠瀝青177 ℃黏度均滿足1.0 Pa·s～4.0 Pa·s的技術(shù)要求。說明高摻量橡膠瀝青具有良好的存儲穩(wěn)定性。考慮到高摻量橡膠瀝青的存儲特點(diǎn)，在高摻量橡膠瀝青實(shí)際使用過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注早期(24 h內(nèi))高摻量橡膠瀝青的性能變化。當(dāng)高摻量橡膠瀝青需要存儲時，應(yīng)在保證和易性的同時，降低存儲溫度以減少高摻量橡膠瀝青性能的衰減，同時也可減少一定的能源消耗，節(jié)約成本。

4 路用性能分析

根據(jù)PG分級試驗(yàn)結(jié)果，選擇25%摻量膠粉制備具有高存儲穩(wěn)定性的高摻量橡膠瀝青。根據(jù)AC-20C目標(biāo)配合比的試驗(yàn)結(jié)果[8]，選擇油石比4.5%為最佳油石比，研究高摻量橡膠瀝青混合料路用性能。

4.1 水穩(wěn)定性分析

采用生產(chǎn)配合比成型混合料試件，分析高摻量橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性[9]。混合料的水穩(wěn)定性測試結(jié)果如表3所示。

表3 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果可知，25%摻量橡膠瀝青混合料生產(chǎn)配合比水穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，具有良好的水穩(wěn)定性。

4.2 高溫性能分析

為了研究高摻量橡膠瀝青AC-20混合料高溫性能，本節(jié)通過車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度評價混合料高溫性能[10]。試驗(yàn)條件為(60±1) ℃，(0.7±0.05) MPa。車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

根據(jù)圖2試驗(yàn)結(jié)果可知，高摻量橡膠瀝青AC—車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定度平均值4 500次/mm，遠(yuǎn)大于技術(shù)要求(≥2 800次/mm)，具有優(yōu)異的高溫性能。結(jié)合配合比中混合料的體積性質(zhì)可知，高摻量橡膠瀝青與AC級配具有良好的適用性，可用于中、下面層用混合料，具有良好的路用性能和經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

1)當(dāng)膠粉摻量為25%時，各項指標(biāo)綜合性能較好。高摻量橡膠瀝青的各項指標(biāo)均滿足相關(guān)技術(shù)要求，且滿足PG82-28指標(biāo)要求，具有良好的高、低溫性能。

2)高摻量橡膠瀝青在存儲早期(24 h內(nèi))的177 ℃黏度有一定程度的下降，存儲中后期(24 h后)177 ℃黏度趨于穩(wěn)定，具有良好的儲存穩(wěn)定性。

3)高摻量橡膠瀝青AC-20混合料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。各項指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。