廢棄橡膠粉改性瀝青材料路用性能研究

摘要：由于我國瀝青路面的瀝青材料中含蠟量高，因此路面在高溫季節容易泛油，低溫季節容易開裂，嚴重影響路面質量。文章為實現瀝青材料的工程性能改良同時合理回收廢棄橡膠粉，利用廢棄橡膠粉材料制備了一種新型的改性路用瀝青材料（RPMA材料），并在室內對不同橡膠粉摻量的RPMA材料開展了環球軟化點試驗、低溫延度試驗、針入度試驗以及壓力老化試驗，研究RPMA材料的路用性能。研究發現：（1）橡膠粉能夠有效增強瀝青材料在高、低溫環境下的表現，隨著橡膠粉摻量的增大，RPMA材料的高溫軟化點和低溫延度均呈現出先快速增大后趨于穩定的趨勢；（2）RPMA材料的溫度敏感性顯著高于普通瀝青材料，材料的針入度系數隨橡膠粉摻量增加而呈線性增大的趨勢；（3）RPMA材料抗老化性能隨橡膠粉摻量呈先增強后變弱的趨勢，當RPMA材料橡膠粉摻量為15%時，材料的抗老化性能最優，此時針入度系數損失率僅有3.52%。研究成果可為瀝青材料的改良工作提供參考。

關鍵詞：改性瀝青；廢棄橡膠粉；針入度；低溫延度；軟化點；抗老化性

中圖分類號：U416.218 A 23 085 3

0 引言

由于我國瀝青路面的瀝青材料中含蠟量高，因此路面在高溫季節容易泛油，低溫季節容易開裂，嚴重影響路面質量［1-3］。因此，開展路面瀝青材料的改良工作對我國交通工程建設質量的保障非常重要。

郝運哲等［4］基于室內試驗自主開發出了新型HPD溫拌劑，對其在高黏瀝青性能提升作用效果方面開展了研究，指出當HPD溫拌劑的摻量為2.0%～2.2%時，能夠有效改善瀝青材料的各項性能指標。楊豐華等［5］采用ReaxFF法，深入研究了木質素對瀝青的老化性能的影響，并發現在氧氣較少的條件下，木質素可以有效阻止瀝青的氧化，提升了瀝青材料的抗老化性能。馬嘉森等［6］則基于現有研究成果，總結分析了多種合成材料PE、PP和PVC等廢舊塑料對瀝青性能的影響，并指出舊塑料改性瀝青具有非常好的應用前景。其他學者如王兆力等［7］，則利用SBS和巖瀝青材料對普通瀝青膠開展了改性試驗，并指出在高溫條件下SBS-巖瀝青復合改性瀝青材料的復數模量大約是普通瀝青材料的3倍，車轍因子則能達到4倍左右，材料性能有明顯的提升。

綜上所述，我國學者對改性瀝青已經開展了大范圍的試驗研究，然而，對于廢棄橡膠粉改良瀝青材料的研究卻不多。橡膠粉是回收廢棄車胎材料的常見方式，利用橡膠粉改善瀝青材料具有較好的應用前景［8-10］。而利用廢棄橡膠粉改良瀝青，不僅可以實現橡膠粉材料的合理回收利用，還可以改善瀝青材料的工程性能。本文基于室內試驗，深入分析了不同橡膠粉摻量下RPMA材料的軟化點、低溫延度、針入度系數及抗老化能力。研究成果為我國瀝青材料的改良工作提供參考。

1 材料制備

本次試驗研究室內采用濕法來制備RPMA材料，其中橡膠粉為產自河北省某礦產品加工廠的廢舊輪胎橡膠顆粒，整體呈黑色，粒徑為1～3 mm。RPMA材料的具體制備流程如下：（1）首先將烘箱內的溫度調至180 ℃，放入基質瀝青脫水；同時，將橡膠粉改性劑放入烘箱中2 h，烘箱內溫度為60 ℃；（2）將放置基質瀝青烘箱的溫度提升至200 ℃，加入預設摻量橡膠粉，打開剪切機進行剪切；（3）將剪切完成的RPMA材料放在180 ℃的環境中進行溶脹，處理時間為1 h；（4）用玻璃棒攪拌排出RPMA材料中的氣泡，制備得到試驗試樣材料。本次試驗擬對不同橡膠粉摻量的RPMA材料展開室內高溫軟化點試驗、低溫延度試驗以及針入度試驗。試驗操作參照相關試驗標準規范進行［11-12］。橡膠粉摻量分別為0、5%、10%、15%、20%和25%。

2 試驗結果分析

2.1 高溫軟化點

基于室內RPMA材料的環球軟化點試驗，得到不同橡膠粉摻量條件下RPMA材料的高溫軟化點變化曲線如下頁圖1所示。由圖1可知，橡膠粉能夠有效增強高溫條件下RPMA材料的性能，其高溫軟化點隨著橡膠粉摻量的增加呈現出先快速增大后趨于穩定的趨勢。此外，橡膠粉改性瀝青最高軟化點為57.72 ℃，此時橡膠粉摻量為25%。而當橡膠粉摻量達到15%后，RPMA材料的高溫軟化點便已達到56.62 ℃，此后高溫軟化點趨于穩定。由此可見，15%的橡膠粉摻量是一個明顯的閾值點。當橡膠粉摻量＜15%時，RPMA材料的高溫軟化點快速增大；當橡膠粉摻量＞15%后，RPMA材料的高溫軟化點幾乎不增長。

2.2 低溫延度

基于室內RPMA材料的低溫延度試驗，得到不同橡膠粉摻量條件下RPMA材料的低溫延度試驗結果如圖2所示。由圖2可知，橡膠粉能夠有效增強低溫條件下RPMA材料的工程性能，其低溫延度隨著橡膠粉摻量的增加呈現出先快速增大后趨于穩定的趨勢。此外，從圖2中可知，橡膠粉改性瀝青最大低溫延度為10.86 cm，此時橡膠粉摻量為25%。而當橡膠粉摻量達到15%后，RPMA材料的低溫延度便已達到9.95 cm，此后RPMA材料的低溫延度趨于穩定。由此可見，15%的橡膠粉摻量是一個明顯的閾值點。當橡膠粉摻量＜15%時，RPMA材料的低溫延度快速增大；當橡膠粉摻量＞15%后，RPMA材料的低溫延度增長較為緩慢。

2.3 針入度系數

不同橡膠粉摻量條件下RPMA材料的針入度系數（PI）變化情況如圖3所示。由圖3可知，橡膠粉能夠有效增強高溫條件下RPMA材料的性能，其針入度系數隨著橡膠粉摻量的增加也逐漸增大。當橡膠粉摻量為0時，RPMA材料的針入度系數＜0；而隨著橡膠粉摻量的逐漸增大，RPMA材料的PI值逐漸增大。當橡膠粉摻量達到25%時，RPMS材料的針入度系數達到1.57。進一步對二者之間的函數關系進行擬合，由圖3可知，二者之間符合線性正相關關系，線性相關系數達到0.9948，函數擬合效果良好。

2.4 抗老化性能

基于瀝青材料的針入度試驗，得到老化前后不同橡膠粉摻量條件下RPMA材料的針入度試驗結果分析如表1所示。由表1可知，在壓力老化前，隨著橡膠粉摻量的逐漸增大，RPMA材料的針入度呈逐漸減小的變化趨勢，不同橡膠粉摻量下RPMA材料的針入度分別為88.32 mm、65.31 mm、48.33 mm、45.15 mm、44.32 mm以及42.15 mm，這表明橡膠粉摻量越大，則RPMA材料的稠度越大。此外，還可以觀察到，在進行壓力老化操作流程后，瀝青材料的針入度均產生了明顯的下降現象。以普通瀝青材料為例，壓力老化前其針入度為88.21 mm，而壓力老化后其針入度僅有37.56 mm，較老化前降低了57.47%。進一步分析壓力老化前后針入度損失率與橡膠粉摻量之間的關系，由表1可知，隨著橡膠粉摻量的增大，RPMA材料的針入度損失率隨其增大而呈現出先減小后增大的趨勢。這表明摻入橡膠粉后，RPMA材料的抗老化能力與耐久能力得到了一定程度的優化。而當橡膠粉摻量為15%時，材料的針入度損失率最低，此時材料的耐久性最好。

3 結語

（1）橡膠粉能夠有效增強高溫條件下RPMA材料的性能，其高溫軟化點和低溫延度隨著橡膠粉摻量的增加呈現出先快速增大后趨于穩定的趨勢。橡膠粉摻量為25%時，橡膠粉改性瀝青最高軟化點為57.72 ℃、低溫延度為10.86 cm。

（2）15%的橡膠摻量是一個明顯的閾值點。當橡膠粉摻量＜15%時，RPMA材料的高溫軟化點和低溫延度快速增大；當橡膠粉摻量＞15%后，RPMA材料的高溫軟化點和低溫延度幾乎不增長。

（3）橡膠粉能夠有效增強高溫條件下RPMA材料的性能，其針入度系數隨著橡膠粉摻量的增加也逐漸增大。當橡膠粉摻量為0時，RPMA材料的針入度系數＜0；而隨著橡膠粉摻量的逐漸增大，RPMA材料的PI值逐漸增大。當橡膠粉摻量達到25%時，RPMA材料的針入度系數達到1.57。

（4）隨著橡膠粉摻量的增大，RPMA材料的針入度損失率隨其增大而呈現出先減小后增大的趨勢。這表明摻入橡膠粉后，RPMA材料的抗老化能力與耐久能力得到了一定程度的優化。當橡膠粉摻量為15%時，材料的針入度損失率最低，此時材料的耐久性最好。

參考文獻

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收稿日期：2022-11-10