溫拌劑對橡膠改性瀝青的影響研究

作者簡介：鄭艷紅（1975—），工程師，主要從事公路設(shè)計工作。

摘要：文章為探究不同溫拌劑對橡膠改性瀝青性能的影響，選用Aspha-min、Sasobit及EWMA-1三種不同類型的溫拌劑摻入到橡膠改性瀝青中，通過布氏黏度試驗、DSR試驗及BBR試驗分析了溫拌劑對橡膠瀝青的黏度、高溫性能及低溫性能的影響。結(jié)果表明：三種溫拌劑均具有一定的降黏能力，且EWMA-1溫拌劑的降黏效果最好，EWMA-1溫拌劑橡膠改性瀝青的拌和溫度為171 ℃～179 ℃，壓實溫度為160.1 ℃～163.4 ℃；Saobit溫拌劑可提高橡膠瀝青的高溫性能而劣化其低溫性能，不適于北方冬寒地區(qū)使用，EWMA-1溫拌劑可提升橡膠瀝青的低溫性能，而Aspha-min溫拌劑對橡膠瀝青的高低溫性能影響均不大。

關(guān)鍵詞：溫拌劑；橡膠瀝青；DSR；BBR

中圖分類號：U416.03A080253

0 引言

自20世紀80年代開始，我國公路行業(yè)得到了迅猛發(fā)展，瀝青路面因其行車舒適、建設(shè)周期短及維修養(yǎng)護簡便等優(yōu)點，已成為我國公路路面的主要結(jié)構(gòu)形式。為了滿足日益增長的重載交通荷載作用和在復(fù)雜自然環(huán)境條件下保持較長路面壽命的需求，公路建設(shè)者對瀝青混合料技術(shù)性能提出了更高的要求。同時，21世紀我國汽車工業(yè)也迎來了迅猛發(fā)展期，并由此產(chǎn)生了大量的廢舊輪胎，而廢舊輪胎回收處理導(dǎo)致了嚴重的橡膠污染（如破碎、焚燒和脫硫再生）。采用廢舊橡膠作為改性劑制備的橡膠瀝青混合料具有優(yōu)良的路用性能，并在一定程度減少橡膠污染問題^［1］，因此近年來橡膠瀝青混合料技術(shù)得到快速推廣。

橡膠瀝青路面具有行車噪音小、高溫性能優(yōu)良、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點。但是橡膠瀝青的黏度較高，導(dǎo)致混合料生產(chǎn)和攤鋪壓實溫度也較高，這不僅增加了施工難度，而且熱拌橡膠瀝青混合料施工過程中會排放有毒有害氣體^［2］，對作業(yè)人員和工地環(huán)境都造成了嚴重的負面影響。因此，溫拌橡膠瀝青混合料技術(shù)應(yīng)運而生。目前，溫拌橡膠瀝青混合料技術(shù)的原理是：通過向橡膠瀝青混合料中外摻溫拌劑，降低瀝青黏度，改善施工和易性，從而降低施工溫度。目前，市場上常見的溫拌劑有有機蠟類、沸石類、表面活性劑類和稀釋劑類四種，本文選用了三種類型溫拌劑，研究其對橡膠改性瀝青的影響，以期為溫拌橡膠混合料技術(shù)的推廣提供理論指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

本文采用70^#基質(zhì)瀝青作為橡膠改性瀝青制備的原樣瀝青，其主要性能指標見表1。

1.1.2 橡膠粉

橡膠粉采用曲阜某化工企業(yè)生產(chǎn)的40目橡膠粉，基本性能指標見表2。

1.1.3 溫拌劑

根據(jù)降黏原理的不同，溫拌劑可以分為發(fā)泡型、有機降黏型及表面活性溫拌劑。本文選用以上三種不同類型的溫拌劑作為研究對象。

1.1.3.1 Aspha-min溫拌劑

Aspha-min溫拌劑屬于發(fā)泡型溫拌劑，是一種內(nèi)部具有多孔連通結(jié)構(gòu)、高比表面積的白色粉末改性劑。將Aspha-min加入高溫液體瀝青中后，其自身水分大量蒸發(fā)，使瀝青體積膨脹，形成泡沫瀝青，黏度下降。Aspha-min溫拌劑的主要性能指標見表3。

1.1.3.2 Sasobit溫拌劑

Sasobit溫拌劑為有機降黏型溫拌劑，是一種人造硬石蠟，屬于長鏈脂肪族烴類化合物。在98 ℃以下時，其黏度較高，但在115 ℃時可溶于瀝青，從而降低瀝青的黏度。其主要技術(shù)指標見表4。

1.1.3.3 EWMA-1溫拌劑

EWMA-1溫拌劑屬于表面活性類溫拌劑，可以降低瀝青在集料表面的接觸角，從而使瀝青易于在集料表面移動，顯著降低瀝青混合料的拌和溫度。其主要技術(shù)指標見表5。

1.2 溫拌橡膠改性瀝青制備

本文以橡膠摻量為20%（質(zhì)量比）的橡膠改性瀝青為研究對象，橡膠改性瀝青制備與溫拌劑外摻方法如下：

（1）橡膠改性瀝青先按比例稱量適量的橡膠粉和70^#基質(zhì)瀝青，將70^#瀝青加熱至180 ℃。

（2）將橡膠粉加入基質(zhì)瀝青中，用高速剪切機以4 500 rpm轉(zhuǎn)速剪切45 min。期間，瀝青溫度保持在170±5 ℃。剪切完成后，在170±2 ℃的烘箱中溶脹發(fā)育60 min。

（3）根據(jù)不同的外摻方法向橡膠改性瀝青中加入溫拌劑。Aspha-min溫拌劑和EWMA-1溫拌劑直接加入170 ℃的橡膠改性瀝青中，人工攪拌30 min；Sasobit溫拌劑加入170 ℃的橡膠改性瀝青中后采用高速剪切機以5 000 rmp轉(zhuǎn)速剪切30 min。Aspha-min溫拌劑摻量為4%，EWMA-1溫拌劑摻量為0.3%，Sasobit溫拌劑摻量為2.5%。

2 溫拌劑對橡膠改性瀝青的影響

2.1 黏度分析

高黏度是橡膠改性瀝青區(qū)別于普通改性瀝青的一大特點，其保證了橡膠改性瀝青混合料具備優(yōu)良的高溫性能和耐老化性能。而橡膠改性瀝青的高黏度特性也導(dǎo)致其混合料的施工溫度較高，施工和易性不良。本文采用布氏黏度儀測定不同溫拌劑對橡膠改性瀝青黏度的影響。

橡膠改性瀝青及分別摻入三種溫拌劑的溫拌橡膠改性瀝青的布氏黏度試驗結(jié)果見表6。

（1）由表6可知，在溫度≤125 ℃時，Aspha-min溫拌橡膠改性瀝青與Sasobit溫拌橡膠改性瀝青的黏度均高于橡膠改性瀝青，說明Aspha-min溫拌劑與Sasobit溫拌劑在相對非高溫條件下會使橡膠改性瀝青黏度出現(xiàn)略微上升，其中Sasobit溫拌劑對橡膠改性瀝青黏度提升效果高于Aspha-min溫拌劑。

（2）根據(jù)表6數(shù)據(jù)繪制的黏溫曲線可知（圖1）：EWMA-1溫拌橡膠改性瀝青的黏溫曲線在全域溫度范圍內(nèi)低于橡膠改性瀝青，而Aspha-min溫拌橡膠改性瀝青和Sasobit溫拌橡膠改性瀝青的黏度分別在溫度高于125 ℃與135 ℃后低于橡膠改性瀝青，說明溫拌劑在一定溫度條件下有利于降低瀝青的黏度，使瀝青更易達到施工要求黏度，從而降低施工溫度。

（3）石油瀝青的拌和黏度與壓實黏度分別為0.17±0.02 Pa·s和0.28±0.03 Pa·s，而從表6可知橡膠改性瀝青溫度達到185 ℃時，其黏度仍為0.27 Pa·s，達不到瀝青混合料壓實時的黏度要求。根據(jù)等黏溫度定理^［3］，推算出三種溫拌橡膠改性瀝青的拌和溫度與壓實溫度見表7。

由表7可知，EWMA-1橡膠改性瀝青的壓實溫度要求最低，同時其拌和溫度要求范圍最大，說明其降黏效果最好，且具備良好的技術(shù)優(yōu)勢，因此可以放寬橡膠改性瀝青混合料生產(chǎn)時的溫度要求。

2.2 高溫性能分析

采用動態(tài)流變剪切儀（DSR）測試不同瀝青在58 ℃～82 ℃的相位角δ和復(fù)數(shù)模量G^*，并計算車轍因子G^*/sin δ以評估不同溫拌劑對橡膠改性瀝青高溫性能的影響。車轍因子越大，瀝青的高溫性能越好。圖2為橡膠改性瀝青及分別摻入三種溫拌劑的溫拌橡膠改性瀝青的DSR試驗結(jié)果。

圖2 不同橡膠改性瀝青抗車轍因子-溫度曲線圖

（1）由圖2可知，隨溫度升高，瀝青的車轍因子持續(xù)降低，瀝青的高溫性能降低，且車轍因子大小排序為：Saobit橡膠改性瀝青gt;橡膠瀝青gt;EWMA-1橡膠改性瀝青，而Aspha-min橡膠改性瀝青與橡膠改性瀝青的車轍因子相當。這說明Saobit溫拌劑有利于提高橡膠改性瀝青的高溫性能，而EWMA-1溫拌劑降低了瀝青的高溫性能，Aspha-min溫拌劑對其影響不大。這是因為Sasobit是一種人造硬石蠟，在不高于其熔點溫度時，會結(jié)晶形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高瀝青高溫性能；而EWMA-1溫拌劑是一種表面活性劑，屬于小分子化合物，其可提高橡膠改性瀝青中輕質(zhì)組分的含量，使瀝青變軟，從而導(dǎo)致高溫性能降低^［4］。

（2）對圖2結(jié)果取對數(shù)lg（G^*/sin δ）得到圖3，并根據(jù)線性擬合結(jié)果，求得不同橡膠改性瀝青的失效溫度，即車轍因子為0時的溫度，見表8。

失效溫度越高，瀝青的高溫性能越優(yōu)良，因此由表8可知，四種瀝青的高溫性能排序為Sasobit橡膠改性瀝青gt;Aspha-min橡膠改性瀝青gt;橡膠改性瀝青gt;EWMA-1橡膠改性瀝青，分析結(jié)論與前文一致。

2.3 低溫性能分析

采用彎曲流變儀測定四種瀝青在-12 ℃、-18 ℃及-24 ℃條件下的勁度模量S和蠕變速率m以評價其低溫性能。其中，勁度模量S越大，說明瀝青在應(yīng)力作用下的變形越大；蠕變速率越小，表明瀝青的應(yīng)力松弛能力越弱，低溫性能越差。試驗結(jié)果見圖4、圖5。

由圖4～5可知：

（1）Sasobit橡膠改性瀝青的勁度模量高于橡膠改性瀝青，但蠕變速率低于橡膠改性瀝青，說明Sasobit溫拌劑會弱化橡膠改性瀝青的低溫性能，這可能是因為Sasobit低溫析出形成結(jié)晶蠟，蠟含量越高的瀝青越易發(fā)生低溫破壞。因此Sasobit溫拌劑不宜應(yīng)用在北方冬寒地區(qū)。

（2）Aspha-min橡膠改性瀝青的勁度模量及蠕變速率與橡膠改性瀝青相差不大，說明Aspha-min溫拌劑對橡膠改性瀝青的低溫性能影響不顯著。

（3）相較于橡膠改性瀝青，EWMA-1橡膠改性瀝青的勁度模量更低，而蠕變速率更大，說明EWMA-1橡膠改性瀝青具備更優(yōu)良的低溫性能。EWMA-1溫拌劑對橡膠改性瀝青的低溫性能起到了正向增益作用，適用于北方冬寒地區(qū)。

3 結(jié)語

本研究通過布氏黏度試驗、BBR試驗及DSR試驗分析了三種溫拌劑對橡膠改性瀝青的影響，得出以下結(jié)論：

（1）Aspha-min、Sasobit和EWMA-1三種溫拌劑對橡膠瀝青均具有一定的降黏效果，通過黏溫等效原理計算出三種溫拌橡膠改性瀝青的施工溫度，發(fā)現(xiàn)EWMA-1溫拌劑橡膠改性瀝青的拌和溫度為171 ℃～179 ℃，溫度范圍最寬，壓實溫度為160.1 ℃～163.4 ℃，溫度最低，因此EWMA-1的降黏效果最佳。

（2）動態(tài)流變剪切試驗表明，Sasobit溫拌劑在低于其熔點溫度時，會在瀝青中結(jié)晶析出形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而提高橡膠改性瀝青的高溫性能，而EWMA-1溫拌劑輕質(zhì)組分較多，使瀝青“變軟”，導(dǎo)致瀝青高溫性能降低。

（3）Aspha-min溫拌劑對橡膠改性瀝青高低溫性能的影響較小，Sasobit溫拌劑會劣化橡膠改性瀝青的低溫性能，不適用于北方冬寒地區(qū)。相反，EWMA-1溫拌劑對橡膠改性瀝青的低溫性能有正向增益效果，適用于北方冬寒地區(qū)。

參考文獻

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