廢胎膠粉和天然膠乳改性瀝青的老化和流變性能研究

收稿日期：2024-03-14

作者簡介：張賀吉（1988—），男，本科，工程師，研究方向：道路橋梁建設(shè)與管理。

（漯河市公路工程建設(shè)總公司，河南 漯河 462300）

摘 要：【目的】研究廢胎膠粉和天然膠乳改性瀝青的耐老化和流變性能。【方法】利用天然橡膠（Natural Rubber，NR）膠乳和廢胎膠粉（Crumb Rubber，CR）制備橡膠瀝青，通過針入度、軟化點(diǎn)、延度和動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)，對(duì)比分析基質(zhì)瀝青和橡膠改性瀝青老化前后常規(guī)性能和流變性能。【結(jié)果】結(jié)果表明，CR和NR膠乳的加入降低了橡膠瀝青的針入度等級(jí)，提高了橡膠瀝青的軟化點(diǎn)和延度。與常規(guī)瀝青相比，CR摻量高達(dá)8%，NR膠乳摻量高達(dá)4%時(shí)，橡膠瀝青的復(fù)數(shù)模量和抗車轍性能均得到了顯著提高。【結(jié)論】CR和NR膠乳的加入可提高改性瀝青的總體性能，改善瀝青路面的耐久性。

關(guān)鍵詞：道路工程；廢胎膠粉；天然膠乳；改性瀝青；老化；流變性能

中圖分類號(hào)：U414" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）09-0088-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.09.018

Aging and Rheological Properties of Crumb Rubber and Natural Rubber Latex Modified Asphalt

ZHANG Heji

（Luohe Highway Engineering Construction Corporation，Luohe 462300，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the aging resistance and rheological properties of crumb rubber and natural rubber latex modified asphalt. [Methods] Natural rubber （NR） latex and crumb rubber （CR） were used to prepare rubber asphalt， and the conventional and rheological properties of matrix asphalt and rubber modified asphalt before and after aging were compared and analyzed by penetration， softening point， ductility， and dynamic shear rheological tests. [Findings] The results show that the addition of CR and NR latex reduces the penetration grade of rubber asphalt， and increases the softening point and ductility of rubber powder asphalt. Compared with conventional asphalt， when the CR content reaches 8% or the NR latex content reaches 4%， the complex modulus and anti-rutting performance of rubber asphalt are significantly improved. [Conclusions] The addition of CR and NR latex can improve the overall performance of modified asphalt and improve the durability of asphalt pavement.

Keywords： road engineering; crumb rubber; natural rubber latex; modified asphalt; aging; rheological properties

0 引言

車轍病害是導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)失效的重要因素，為提高路面抗車轍性能，常使用高性能改性瀝青［1］。目前，瀝青改性劑大多為化工聚合物產(chǎn)品，常規(guī)改性劑價(jià)格較高。廢胎膠粉是由廢舊輪胎加工而成的瀝青改性劑，可改善瀝青高低溫性能、耐疲勞性能等綜合性能，且實(shí)現(xiàn)廢舊輪胎資源化循環(huán)利用，比常規(guī)化工類瀝青改性劑更加綠色環(huán)保。天然膠乳是一種可再生天然瀝青改性劑。近年來，由于天然膠乳長期供大于求，其價(jià)格大幅降低，作為瀝青改性劑成本顯著降低［2］。已有諸多關(guān)于廢胎膠粉和天然膠乳改性瀝青的相關(guān)研究。Al-Mansob等［3］對(duì)環(huán)氧化NR改性瀝青的物理性能和流變性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，隨著NR的加入，基質(zhì)瀝青的感溫性增強(qiáng)。在高溫和中溫條件下，瀝青的抗車轍性能和抗疲勞性能均得到提高，最佳NR用量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的6%；Wen等［4］采用NR粉作為瀝青的改性劑，研究發(fā)現(xiàn)NR提高了改性瀝青的黏度和彈性特性，其具有改善車轍和抗疲勞性能的潛力。NR作為瀝青改性劑的最佳用量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量的7%；Sani等［5］研究了NR改性瀝青的流變性能和微觀結(jié)構(gòu)特性，結(jié)果表明NR改性瀝青的車轍性能較基質(zhì)瀝青改善。譚荷等［6］研究了天然膠乳改性瀝青的制備工藝和基本性能。此外還有關(guān)于天然橡膠改性瀝青黏彈性特征［7］、廢胎膠粉改性瀝青等方面的相關(guān)研究［8-9］。但關(guān)于廢胎膠粉和天然膠乳改性瀝青的相關(guān)研究主要集中于兩者對(duì)瀝青的單獨(dú)改性作用，對(duì)比廢胎膠粉和天然膠乳改性瀝青效果的研究較少。因此，本研究分別制備廢胎膠粉和天然膠乳改性瀝青，通過針入度、軟化點(diǎn)、延度和動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)，對(duì)比分析天然橡膠膠乳和膠粉對(duì)基質(zhì)瀝青和橡膠改性瀝青老化前后常規(guī)性能和流變性能的影響，研究廢胎膠粉和天然膠乳改性瀝青的耐老化和流變性能。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 材料

本研究采用市售AH-70基質(zhì)瀝青進(jìn)行制樣。采用NR膠乳和CR作為改性劑制備橡膠瀝青。使用的CR的顆粒尺寸為0～1.0 mm。

以基質(zhì)瀝青為基準(zhǔn)，分別以4%、6%和8%的NR和CR制備橡膠瀝青。為獲得均勻的橡膠瀝青，采用高速剪切混合儀，在160 ℃的混合溫度下，以3000 r/min的剪切速率將CR與基質(zhì)瀝青混合0.5 h。將NR膠乳也逐漸加入基質(zhì)瀝青中，然后在較低的剪切速率800 r/min下混合0.5 h，混合溫度為160 ℃。最后，將樣品小心存放，進(jìn)行RTFOT短期老化和流變性能測試。

1.2 試驗(yàn)方法

旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（RTFOT）試驗(yàn)和常規(guī)性能試驗(yàn)。RTFOT試驗(yàn)參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中的T0610—2011 瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)。常規(guī)性能試驗(yàn)為針入度、軟化點(diǎn)和延度試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）。

流變性能測試。采用動(dòng)態(tài)剪切流變，平行板直徑8 mm，間隙2 mm。試驗(yàn)溫度范圍在20～40 ℃之間。對(duì)所有未老化和RTFOT短期老化后的基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青進(jìn)行控制應(yīng)變模式和標(biāo)準(zhǔn)加載頻率為10 rad/s的溫度掃描試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)性質(zhì)

2.1.1 針入度。基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青在未老化和短期老化條件下的針入度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。與未改性瀝青的基質(zhì)瀝青相比，CR和NR改性的橡膠瀝青均表現(xiàn)出更低的針入度值。然而，與NR相比，CR在未老化和短期老化下更有效地降低了針入度值。8%的CR使基質(zhì)瀝青針入度等級(jí)由80～100提高到50～60，8%的NR使基質(zhì)瀝青針入度等級(jí)由80～100提高到60～70。但短期老化后兩者針入度均為40～50。這表明CR和NR對(duì)橡膠瀝青針入度等級(jí)有顯著影響。這種針入度的降低有利于提高橡膠瀝青在中溫下的性能，并表明瀝青混合料的耐久性和性能會(huì)增加。

2.1.2 軟化點(diǎn)和延度。CR和NR改性瀝青在未老化和短期老化條件下的軟化點(diǎn)和延度測試結(jié)果如圖2所示。所有的橡膠瀝青在未老化和老化條件下都表現(xiàn)出比未改性瀝青更高的軟化點(diǎn)。一方面，這表明CR和NR在瀝青改性中的應(yīng)用可提高瀝青軟化點(diǎn)。隨著CR摻量的繼續(xù)增加，CR改性瀝青的軟化點(diǎn)先增加后降低，CR摻量至4%時(shí)最大。另一方面，隨著NR摻量的增加，NR改性瀝青的軟化點(diǎn)不斷提高。未老化條件下，8%NR的軟化點(diǎn)提高幅度最大，達(dá)54.8 ℃，而8%CR的軟化點(diǎn)為43.7 ℃。8%摻量下，短期老化條件下，CR和NR的軟化點(diǎn)分別為47.6 ℃和55.2 ℃。可以看出，CR和NR老化前后的軟化點(diǎn)相差不大。

當(dāng)CR含量增加到6%時(shí)，延度值降低。相比之下，NR的加入提高了瀝青的延度值，并且隨著NR含量的增加延度值也隨之增加。這表明NR改性瀝青的中溫抗變形能力優(yōu)于CR改性瀝青。因此，與CR改性瀝青相比，NR改性瀝青具有更好的中溫抗裂性能。

2.2 流變特性

2.2.1 等時(shí)線圖。改性瀝青復(fù)數(shù)模量隨試驗(yàn)溫度的變化如圖3所示。可以看出，與未改性瀝青相比，橡膠瀝青的復(fù)數(shù)模量增大。同時(shí)觀察到，與NR相比，CR改性瀝青在未老化和老化條件下的復(fù)數(shù)模量顯著增加，而NR改性瀝青在未老化瀝青中也表現(xiàn)出復(fù)數(shù)模量的增加，但在老化瀝青中降低。這可歸因于橡膠與瀝青之間良好的化學(xué)相互作用。與CR相比，NR改性瀝青老化后的復(fù)數(shù)模量較低，表明NR具有提高瀝青抗老化性能的能力。

橡膠瀝青復(fù)數(shù)模量的增加表明，由于CR和NR膠乳的加入，未改性瀝青的黏彈性能得到了增強(qiáng)。這提高了橡膠瀝青的硬度。這種復(fù)數(shù)模量的增加可以轉(zhuǎn)化為剛度的增加，進(jìn)一步增強(qiáng)了抗車轍性能。同時(shí)觀察到，在高摻量和較高溫度下，橡膠瀝青的復(fù)數(shù)模量有較高的增長，這也表明瀝青中橡膠含量的增加可以提高瀝青的抗永久變形能力。

改性瀝青相位角隨測試設(shè)定的變化如圖4所示。由圖4可知，所有基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青的相位角均隨著試驗(yàn)溫度的升高而增大。與基質(zhì)瀝青相比，橡膠瀝青具有較低的相位角。此外，與CR改性瀝青相比，NR改性瀝青在短期老化前后具有較低的相位角，這可歸因于NR的特殊性質(zhì)。這表明CR或NR橡膠的加入顯著降低了改性瀝青的相位角，使改性瀝青彈性的增強(qiáng)。這種膠化瀝青相位角的降低也表明，中溫下膠化瀝青黏彈性特性的改善可提升其性能。

2.2.2 抗車轍性能。根據(jù)Superpave規(guī)范，采用車轍因子（G*/sinδ）來預(yù)測未改性和橡膠瀝青的抗車轍性能。Superpave規(guī)范對(duì)車轍因子的最低要求為：未老化瀝青G*/sinδ≥1 kPa，短期老化瀝青G*/sinδ≥2.2 kPa。改性瀝青車轍因子隨試驗(yàn)溫度變化如圖5所示。與基質(zhì)瀝青相比，CR改性瀝青和NR改性瀝青均具有較高的車轍因子。這可能是由于它們的高相容性以及橡膠在瀝青基體中的相互作用。與NR改性瀝青的車轍因子相比，CR改性瀝青在未老化和老化條件下的車轍因子顯著增加。這表明用CR改性的橡膠瀝青具有更高的抗永久變形能力。

所有摻加CR和NR的改性瀝青老化前G*/sinδ≥1kPa，老化后G*/sinδ≥2.2 kPa，在未老化和老化條件下均滿足Superpave對(duì)車轍因子的要求。與CR改性瀝青相比，老化后NR改性瀝青的車轍因子更低，表明NR改性瀝青具有更好的抗老化性能。

3 結(jié)論

本研究采用CR和NR膠乳作為瀝青改性劑，評(píng)價(jià)了改性瀝青的常規(guī)性能和流變性能，結(jié)論如下。

①在基質(zhì)瀝青中加入CR和NR會(huì)造成膠化瀝青針入度值的降低和軟化點(diǎn)的升高。此外，瀝青的延度隨著CR的加入而減小，隨著NR的加入而增大。瀝青硬度增強(qiáng)，CR和NR的加入改善了瀝青在不同溫度下的黏彈特性。

②CR改性瀝青和基質(zhì)瀝青相比，NR改性瀝青老化敏感性較低。CR改性瀝青的抗車轍性能隨CR摻量的增加而提高，而NR改性瀝青的抗車轍性能隨NR摻量的增加先提高后降低，在NR摻量為4%時(shí)達(dá)到最大值。

③與常規(guī)瀝青相比，CR和NR膠乳的加入可提高改性瀝青的總體性能，改善瀝青路面的耐久性。

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