何 亮，馬 育，馬 濤

（1.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 理學(xué)院，重慶 400074；3.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

廢輪胎橡膠瀝青具有良好的耐溫變、抗疲勞和抗滑性能，能夠降低路面噪音和筑路成本，還可廢物循環(huán)利用，因此受到筑路界的高度關(guān)注.但是橡膠瀝青的黏度高、高溫儲存穩(wěn)定性差等特性仍然對施工造成很大的限制，制約著橡膠瀝青路用技術(shù)的發(fā)展[1－3].為了解決以上難題，人們從改善瀝青與橡膠粉的相容性出發(fā)，嘗試用脫硫膠粉來制備穩(wěn)定型橡膠瀝青[4－6].脫硫膠粉在脫硫時(shí)，常常會斷裂部分交聯(lián)鍵，產(chǎn)生較多的橡膠短鏈和活性基團(tuán)，這有利于膠粉同瀝青的化學(xué)結(jié)合，使膠粉在瀝青中的分散性得到改善[7]，從而改善橡膠瀝青的一些性能.

但是，脫硫膠粉的使用也可能影響橡膠瀝青一些路用性能.在橡膠輪胎粉中，含有大量抗老化劑，包括抗氧化劑、熱穩(wěn)定劑、變價(jià)金屬抑制劑、紫外線吸收劑和對光屏蔽非常有效的碳黑填充劑，這些物質(zhì)在橡膠瀝青的混煉過程中能夠改善瀝青混合料的抗老化性能[8].而在膠粉脫硫處理過程中，大量活性基的產(chǎn)生可能會同時(shí)消耗部分抗老化劑，進(jìn)而影響到橡膠瀝青的抗老化特性.

針對以上問題，本文制作了普通橡膠瀝青和脫硫橡膠瀝青，用測力延度測試了兩種橡膠瀝青在較低溫度下的力學(xué)性能，通過室內(nèi)老化模擬試驗(yàn)評價(jià)了兩種橡膠瀝青的老化規(guī)律，為橡膠瀝青的推廣應(yīng)用提供了理論與試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

基質(zhì)瀝青（BA）：中石化70＃B級道路石油瀝青；脫硫橡膠粒（DCR）：福建省金泉建設(shè)集團(tuán)有限公司提供，約5目（4 000μm），較普通橡膠粉松軟而且富有很好的彈性，顆粒外形見圖1（a）；普通橡膠粉（GCR）：福建省金泉建設(shè)集團(tuán)有限公司常溫研磨法生產(chǎn)的廢胎膠粉，40目（380μm），顆粒外形見圖1（b）.

圖1 橡膠顆粒外形Fig.1 Shapes of rubber particles

1.2 橡膠瀝青制備與主要技術(shù)指標(biāo)

橡膠瀝青制備采用濕法工藝，將同樣兩份基質(zhì)瀝青加熱到180185℃，分別摻入占其質(zhì)量20%的普通橡膠粉和脫硫橡膠粒，兩者均采用高速剪切機(jī)進(jìn)行攪拌，轉(zhuǎn)速為1 000r／min，攪拌時(shí)間為60min.制得脫硫橡膠瀝青（DRA）和普通橡膠瀝青（AR），其主要技術(shù)指標(biāo)見表1.

表1 橡膠瀝青的性能指標(biāo)Table1 Performance indexes of asphalt rubber

普通橡膠瀝青表面較粗糙，有明顯顆粒凸起，其性能指標(biāo)均滿足ASTM D 6114—97《橡膠瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[9]；脫硫橡膠瀝青表面較光滑，未發(fā)現(xiàn)原始橡膠顆粒存在，除黏度很低外，其他指標(biāo)均滿足要求，表明脫硫橡膠瀝青有較好的施工和易性.

1.3 試驗(yàn)方案

橡膠顆粒影響試驗(yàn)：本試驗(yàn)所用膠粉種類、粒徑均不同，為了排除橡膠粒徑對橡膠瀝青性能產(chǎn)生的影響[10－11]，采用高速剪切工藝來制備橡膠瀝青.

測力延度試驗(yàn)：采用河南省高遠(yuǎn)路業(yè)生產(chǎn)的水平瀝青測力延度儀進(jìn)行測力延度試驗(yàn)，測試5，10℃時(shí)用本法制備的普通橡膠瀝青、脫硫橡膠瀝青的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系.同時(shí)引入10℃時(shí)基質(zhì)瀝青測力延度結(jié)果作對比，以評價(jià)較低溫度下不同橡膠瀝青的力學(xué)特性.

橡膠瀝青老化性能試驗(yàn)：采用薄膜加熱試驗(yàn)（TFOT）室內(nèi)模擬瀝青短期老化.將制備的兩種橡膠瀝青進(jìn)行163℃，5h的TFOT短期老化試驗(yàn)，之后進(jìn)行100℃，10，20，30h的壓力長期老化（PAV）試驗(yàn)，測試?yán)匣髽悠返某Ｒ?guī)性能指標(biāo)與美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃（SHRP）性能指標(biāo)，以分析橡膠瀝青的老化特性.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 橡膠瀝青中橡膠顆粒的變化

圖2為脫硫橡膠瀝青、普通橡膠瀝青經(jīng)溶劑洗脫得到的橡膠顆粒照片.由圖2可以看出，盡管脫硫橡膠粉的原始顆粒粒徑較大，但經(jīng)高速剪切后，脫硫橡膠瀝青中的膠粉粒徑卻明顯較普通橡膠瀝青中膠粉的粒徑小.這是因?yàn)槊摿蛳鹉z較軟，容易剪碎，而普通橡膠粉較硬，剪切后粒度變化較小.因此，脫硫膠粉的較大粒徑不會在兩種橡膠瀝青性能的比較中產(chǎn)生不利影響.

圖2 從橡膠瀝青中洗脫出來的橡膠顆粒Fig.2 Rubber particles recovered from crumb rubber modified asphalt

由圖2還可看出，脫硫橡膠粒在瀝青里大多分散成無定形的細(xì)小顆粒，而普通橡膠粉溶脹后基本保持原有的顆粒核心.

2.2 橡膠瀝青測力延度分析

將脫硫橡膠瀝青和普通橡膠瀝青樣品進(jìn)行5，10℃測力延度試驗(yàn)，為了與基質(zhì)瀝青作對比，還對基質(zhì)瀝青進(jìn)行了10℃測力延度試驗(yàn)，測試結(jié)果如圖3所示.

由圖3可見，普通橡膠瀝青在5，10℃拉力達(dá)到最大后的下降過程中均有很長一段的穩(wěn)定過程，10℃時(shí)在位移后階段拉力反而有所升高，而脫硫橡膠瀝青和基質(zhì)瀝青均無此現(xiàn)象.這可能是因?yàn)槠胀ㄏ鹉z瀝青中存在的橡膠顆粒核心獨(dú)立發(fā)揮了加筋作用，在經(jīng)歷低溫瀝青初期的彈性變形階段后，發(fā)揮了自身良好的韌性抗變形作用；脫硫橡膠瀝青和基質(zhì)瀝青由于沒有明顯的橡膠顆粒核心，只能整體發(fā)揮抗變形能力.

圖3 測力延度圖譜Fig.3 Map of force ductility

由圖3還可以看出，普通橡膠瀝青的最大拉力（表征瀝青的拉伸屈服力）和最大拉伸延度（表征瀝青的拉伸延展度）均明顯高于脫硫橡膠瀝青和基質(zhì)瀝青；脫硫橡膠瀝青的最大拉力在10℃時(shí)稍高于基質(zhì)瀝青，最大拉伸延度卻比基質(zhì)瀝青稍低.將圖3中的曲線用Origin軟件積分，得到曲線包圍的面積，即拉伸功W，如圖4所示.由圖4可知，普通橡膠瀝青總拉伸功遠(yuǎn)高于脫硫橡膠瀝青和基質(zhì)瀝青，同時(shí)脫硫橡膠瀝青對基質(zhì)瀝青拉伸功也有一定改善.對比5，10℃測試結(jié)果，普通橡膠瀝青的總拉伸功幾乎未隨溫度而改變，脫硫橡膠瀝青則有稍許變化，這說明普通橡膠瀝青較脫硫橡膠瀝青具有更好的低溫力學(xué)性能.

圖4 測力延度拉伸功Fig.4 Tensile energy of force ductility

2.3 橡膠瀝青老化特性分析

為直觀有效地評價(jià)普通橡膠瀝青、脫硫橡膠瀝青老化后的性能變化規(guī)律，用制作橡膠瀝青的基質(zhì)瀝青作對比研究.上述3種瀝青均進(jìn)行TFOT短期老化和PAV壓力長期老化試驗(yàn)，并對老化前后的瀝青試樣進(jìn)行性能測定.

2.3.1 老化橡膠瀝青常規(guī)指標(biāo)分析

對瀝青試樣在不同老化階段的常規(guī)性能指標(biāo)進(jìn)行了測試，結(jié)果見圖5.由圖5可見，3種瀝青具有相似的老化規(guī)律：隨著老化的進(jìn)行，針入度減小，軟化點(diǎn)增大，其中兩種橡膠瀝青的彈性恢復(fù)均減小.這表明橡膠瀝青中基質(zhì)瀝青的老化是導(dǎo)致橡膠瀝青老化的主導(dǎo)因素.

在整個(gè)老化過程中，普通橡膠瀝青的指標(biāo)不僅最優(yōu)，而且衰減速率最為緩慢，其次才是脫硫橡膠瀝青.說明橡膠瀝青不僅具有優(yōu)于基質(zhì)瀝青的使用性能，同時(shí)具有更好的抗老化性；脫硫橡膠瀝青可能是由于膠粉脫硫后橡膠的相對分子質(zhì)量降低，活性基增多，抗老化劑相對不足而導(dǎo)致其抗老化性有所降低.

2.3.2 老化橡膠瀝青SHRP指標(biāo)分析

脫硫橡膠瀝青在175℃時(shí)的黏度在老化過程中不斷增加，而普通橡膠瀝青卻逐漸減小，這可能是因?yàn)槠胀ㄏ鹉z瀝青中存在的橡膠顆粒核心在老化過程中不斷與瀝青發(fā)生較強(qiáng)溶脹反應(yīng)所致.但這個(gè)結(jié)果并不能代表普通橡膠瀝青沒有老化，而是反映了普通橡膠瀝青中橡膠顆粒的繼續(xù)溶脹反應(yīng)與不斷老化共同對其175℃流變性的綜合作用.

綜合老化橡膠瀝青常規(guī)指標(biāo)與SHRP指標(biāo)后發(fā)現(xiàn)，普通橡膠瀝青不僅路用性能指標(biāo)和抗老化性能更優(yōu)，而且老化過程中的流變特性也十分優(yōu)異；脫硫橡膠瀝青盡管具有較低的施工黏度，但由于缺少橡膠顆粒核心，且抗老化劑相對不足，導(dǎo)致其路用性能與抗老化性都較普通橡膠瀝青差，所以推薦使用普通橡膠瀝青.

3 結(jié)論

（1）經(jīng)高速剪切工藝制備的普通橡膠瀝青中，廢輪胎橡膠粉粒度變化較小，仍然保持原有的顆粒核心；較軟的脫硫橡膠經(jīng)高速剪切工藝后，大多已被剪碎成無定形細(xì)小微粒，橡膠顆粒核心極少；脫硫橡膠粒的原始大小對脫硫橡膠瀝青的性能基本不產(chǎn)生影響.

（2）普通橡膠瀝青中的顆粒核心在老化過程中有著較強(qiáng)的繼續(xù)溶脹反應(yīng)，從而導(dǎo)致一些流變性指標(biāo)與瀝青老化趨勢相反.此變化在TFOT短期老化下尤為明顯.

（3）脫硫橡膠瀝青的路用性能和抗老化性能雖然優(yōu)于基質(zhì)瀝青，但均不如普通橡膠瀝青.

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