張澤宇++李傳強(qiáng)++肖婷婷++陸亞??

摘 要：為研究以廢棄橡膠和廢棄塑料為原料制備的RPR型溫拌劑對(duì)瀝青性能的影響，通過(guò)針入度、軟化點(diǎn)、延度、布氏粘度、低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)以及旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)，分別研究了70#基質(zhì)瀝青以及RPR溫拌改性瀝青的感溫性能、高溫性能、低溫性能、耐老化性及儲(chǔ)存穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)了RPR溫拌改性瀝青的溫拌及粘溫特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，RPR溫拌劑可降低瀝青的拌和溫度，RPR溫拌瀝青低溫性能及溫拌特性?xún)?yōu)越。

關(guān)鍵詞：瀝青；廢橡膠；廢塑料；溫拌劑

中圖分類(lèi)號(hào)：U414.03 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Study on Influence of RPR Additives on Asphalt Performance

ZHANG Ze- yu1，2， LI Chuan- qiang1， XIAO Ting- ting2， LU Ya2

（1. National and Local Joint Engineering Laboratory of Traffic Civil Engineering Material，

Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China； 2. School of Civil Engineering

and Architecture， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China）

Abstract： In order to study the influence of RPR additives made from waste rubber and plastic on asphalt performance， the temperature susceptibility， high temperature performance， low temperature performance， anti- aging performance and stabilization of the 70# matrix asphalt and RPR modified asphalt were tested by the penetration， softening， ductility， Brookfield viscosity， BBR and RTFOT aging tests. It also evaluated the warm mix and viscosity characteristics. In conclusion， RPR additives lower the mixing temperature of asphalt， and the low temperature performance and warm mix characteristics of RPR modified asphalt are excellent.

Key words： asphalt； waste rubber； waste plastic； warm mix agent

0 引 言

與傳統(tǒng)瀝青混合料熱拌技術(shù)相比，溫拌技術(shù)具有降低能耗、減少污染物排放量、改善瀝青混合料性能等諸多優(yōu)點(diǎn)[1- 6]，但目前國(guó)內(nèi)大量使用的瀝青溫拌改性劑關(guān)鍵技術(shù)被國(guó)外壟斷，導(dǎo)致成本較高，阻礙了溫拌技術(shù)的推廣[7]。

對(duì)廢舊橡膠、塑料等采用化學(xué)方法進(jìn)行裂解處理，可提取出石蠟、環(huán)烷烴、烯烴、苯、甲苯等化學(xué)物質(zhì)，從這些物質(zhì)可得到如汽油、柴油和重油等。由于廢舊橡膠、塑料的裂解產(chǎn)物對(duì)瀝青具有降粘作用，因此有研究開(kāi)始著眼于從廢塑料、廢橡膠中提取瀝青改性劑，在消除白色、黑色垃圾的同時(shí)降低瀝青改性劑的成本。

借鑒上述思路，將廢橡膠、廢塑料、有機(jī)助劑按照一定比例摻配，通過(guò)一定的化學(xué)方法合成制得RPR（Rubber Plastic Recycle）新型瀝青溫拌改性劑。其中助劑的主要成分為表面活性劑、催化劑以及一些高分子樹(shù)脂材料。

RPR溫拌劑在常溫下呈粘稠液態(tài)，在本質(zhì)上是一種同時(shí)含有油溶性表面活性劑及高分子蠟的降粘劑，因此同時(shí)表現(xiàn)出有機(jī)降粘和表面活性2類(lèi)溫拌劑的特性。RPR溫拌瀝青在拌和時(shí)，表面活性劑與高分子蠟同時(shí)作用，在一定程度上既降低了動(dòng)力粘度，又降低了拌和粘度[8]，從而實(shí)現(xiàn)混合料溫拌。

RPR溫拌劑有2個(gè)顯著特點(diǎn)：一是主材選用了廢舊橡膠和廢舊塑料，實(shí)現(xiàn)了廢棄物的資源化利用；二是瀝青混合料的拌和溫度及攤鋪溫度降低，減少能耗和排放，社會(huì)效益顯著。

初期的探索性試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，RPR溫拌劑的最佳摻量為內(nèi)摻13%，在此條件下對(duì)RPR溫拌劑的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)針入度、軟化點(diǎn)、延度、RTFOT（瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)）、BBR（彎曲梁流變?cè)囼?yàn)）分別對(duì)溫拌瀝青的性能進(jìn)行檢測(cè)，并繪制了粘溫曲線(xiàn)。試驗(yàn)采用的基質(zhì)瀝青為中海70#瀝青，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足要求[9- 10]。

1 針入度

在研究初期發(fā)現(xiàn)，RPR溫拌改性瀝青在25 ℃下的針入度一般大于220（0.1 mm），標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度并不適合該型溫拌瀝青[11]。為進(jìn)一步考察RPR型溫拌改性瀝青的溫拌特性，表征其在相對(duì)較低溫度時(shí)的性狀，選擇該型溫拌改性瀝青的針入度試驗(yàn)溫度為5 ℃～15 ℃。

70#瀝青針入度及RPR溫拌改性瀝青針入度如表1、2所示。

從表1、2的數(shù)據(jù)可以看出，與參考瀝青（70#基質(zhì)瀝青）相比，RPR溫拌改性瀝青在較低溫度下仍具有較大的針入度，反映了該材料在較低溫時(shí)的軟質(zhì)性狀。

對(duì)不同溫度條件下的針入度值取對(duì)數(shù)并進(jìn)行線(xiàn)性回歸，確定瀝青的針入度指數(shù)（PI），如表3、圖1所示。

由表1～3及圖1可得：RPR瀝青與70#基質(zhì)瀝青均為溶- 凝膠型結(jié)構(gòu)，具有一定的彈性效應(yīng)；RPR瀝青與基質(zhì)瀝青的溫度敏感性在同一數(shù)量級(jí)，但RPR瀝青的溫度敏感性更強(qiáng)；在較低溫度下RPR瀝青的粘度遠(yuǎn)低于70#基質(zhì)瀝青，證明其有較好的溫拌特性。

2 軟化點(diǎn)

RPR瀝青及基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)見(jiàn)表4。

由表4可以看出，RPR溫拌瀝青的軟化點(diǎn)遠(yuǎn)低于70#瀝青，在一定程度上反映了其具有較好的溫拌特性。理論上，軟化點(diǎn)越低溫拌特性越好，但瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性會(huì)受到一定的負(fù)面影響。

3 延 度

在前期的探索性試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試驗(yàn)溫度為15 ℃、拉伸速度為5 cm·min-1時(shí)，RPR溫拌改性瀝青在拉伸長(zhǎng)度為50 cm左右就會(huì)出現(xiàn)沉底現(xiàn)象，即使加入大量的食鹽也沒(méi)有明顯改善，因此只能在拉伸速度不變的條件下將試驗(yàn)溫度降低，最終將溫度確定為5 ℃。RPR溫拌改性瀝青及基質(zhì)瀝青的延度見(jiàn)表5。

表5 瀝青的延度

瀝青種類(lèi)70#（15 ℃，5 cm·min-1）RPR（5 ℃，5 cm·min-1）

延度/cm實(shí)測(cè)值>100>100>100均值>100實(shí)測(cè)值>150>150>150均值

>150

由表5可得，上述2種瀝青的延度均能滿(mǎn)足規(guī)范要求，考慮到RPR瀝青的試驗(yàn)溫度為5 ℃，可以說(shuō)明其在低溫時(shí)具有良好的延展性，即低溫抗裂性能良好，也從側(cè)面反映了RPR瀝青的溫拌性能較好。

4 旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)（RTFOT）

RPR溫拌改性瀝青及基質(zhì)瀝青的RTFOT試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 瀝青RTFOT試驗(yàn)結(jié)果

瀝青種類(lèi)質(zhì)量損失/%殘留針入度/%殘留延度/%軟化點(diǎn)增值/℃老化指數(shù)

70#0.13366.4816.945.20.025 1

RPR5.39730.493.7513.20.035 7

從表6可以看出，總體上RPR溫拌改性瀝青的耐老化性能較差。原因是：RPR瀝青含有揮發(fā)性表面活性劑，造成質(zhì)量損失比較大；此外，由于RPR改性劑的原料大多是廢舊材料，廢舊材料的殘留物（如炭黑、滑石粉）會(huì)對(duì)瀝青的其他指標(biāo)帶來(lái)不利影響。

5 離析穩(wěn)定性

物理法聚合物改性瀝青在存儲(chǔ)條件下通常易發(fā)生凝聚和離析。目前，國(guó)內(nèi)用來(lái)評(píng)價(jià)聚合物改性瀝青離析性的推薦方法是聚合物改性瀝青離析試驗(yàn)（T 0661—2000），以此評(píng)價(jià)改性劑和基質(zhì)瀝青的相容性，即改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

針對(duì)所選的RPR溫拌瀝青及70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行平行試驗(yàn)，分析比較RPR溫拌改性瀝青的抗離析效果。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

中國(guó)現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范[12]規(guī)定：聚合物改性瀝青的離析穩(wěn)定性（48 h軟化點(diǎn)差）不大于2.5 ℃。由表7可以看出：70#瀝青的軟化點(diǎn)差接近于0 ℃，考慮到取樣時(shí)瀝青本身的不均勻性、樣本偏少和數(shù)顯精度等可能產(chǎn)生的誤差，可以認(rèn)為基質(zhì)瀝青不會(huì)產(chǎn)生離析；RPR溫拌改性瀝青的軟化點(diǎn)差約為7.3 ℃，大于規(guī)范要求，離析現(xiàn)象明顯。

若在工程實(shí)踐中采用將RPR溫拌劑與基質(zhì)瀝青現(xiàn)場(chǎng)拌和加工瀝青混合料的工藝，則可避免RPR溫拌瀝青在運(yùn)輸及存儲(chǔ)過(guò)程中出現(xiàn)的離析問(wèn)題。

6 粘溫特性

采用SHRP計(jì)劃推薦的布洛克費(fèi)爾德旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)（Brookfield）[13]對(duì)RPR溫拌瀝青的粘溫特性進(jìn)行研究，在不同溫度下測(cè)試了70#瀝青及RPR溫拌瀝青的動(dòng)力粘度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8、圖2。

分析表8及圖2可知，RPR對(duì)瀝青有較好的降粘作用，在同一溫度下可降低瀝青粘度約50%。

將不同溫度條件下測(cè)定的粘度繪制于圖2所示的粘溫曲線(xiàn)中，可以確定瀝青混合料的施工控制溫度。按照中國(guó)現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范，當(dāng)使用石油瀝青時(shí)，宜以（170±20）cp對(duì)應(yīng)的溫度作為拌和溫度范圍，以（280±30）cp對(duì)應(yīng)的溫度作為壓實(shí)成型溫度范圍。

通過(guò)作圖法或者回歸線(xiàn)計(jì)算法，可以初步得到RPR溫拌瀝青的拌和溫度范圍和壓實(shí)控制溫度范圍，如表9所示。

由表9可知，按照瀝青粘溫曲線(xiàn)確定的RPR溫拌瀝青的施工溫度較70#瀝青低10 ℃左右，但由于RPR溫拌改性劑中存在的表面活性劑只能降低拌和過(guò)程中的拌和粘度，并未降低瀝青的表觀粘度，此外RPR溫拌瀝青中含有的部分高分子蠟先于瀝青熔化，所以對(duì)RPR溫拌改性瀝青依據(jù)傳統(tǒng)的粘溫曲線(xiàn)確定其施工控制溫度是不合適的 [14]。

7 低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)（BBR）

瀝青路面開(kāi)裂表現(xiàn)為寒冷季節(jié)瀝青混合料中集料之間的瀝青膜受到拉伸破壞，進(jìn)而導(dǎo)致集料顆粒分離甚至破裂，因此瀝青路面的低溫抗裂性能主要取決于瀝青膠結(jié)料的低溫拉伸變形性能。瀝青在低溫時(shí)的勁度模量是評(píng)價(jià)其低溫抗裂性能的重要指標(biāo)。采用SHRP計(jì)劃推薦的彎曲梁流變儀（BBR）小梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)評(píng)價(jià)瀝青的低溫抗裂性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10和圖3。

注：在-12 ℃時(shí)，RPR溫拌瀝青試樣撓度大于5 mm，超出儀器測(cè)量范圍。

圖3 瀝青蠕變勁度與溫度的關(guān)系

RPR在-12 ℃條件下的撓度大于5 mm，證明其在低溫狀態(tài)下有良好的韌性，低溫抗裂性較好。分析表10、圖3可知：在相同溫度下，RPR溫拌瀝青的蠕變勁度遠(yuǎn)小于70#瀝青及SBS改性瀝青；同時(shí)RPR溫拌瀝青的曲線(xiàn)斜率大于70#瀝青及SBS改性瀝青，表明RPR溫拌瀝青具有十分優(yōu)異的低溫抗裂性能。分析原因是：RPR中不可避免地會(huì)混有一部分未完全裂解的橡膠粉及塑料粉，摻入瀝青后，橡膠粉、塑料粉與油溶性表面活性劑及瀝青中輕質(zhì)組分發(fā)生溶脹，瀝青的膠質(zhì)和油分析出并吸附于膠粉的表面，形成另一種膠體結(jié)構(gòu)，使組分比例發(fā)生變化，瀝青的性能從而得到改善。

8 結(jié) 語(yǔ)

RPR瀝青改性劑可以充分利用廢舊橡膠和廢舊塑料，實(shí)現(xiàn)混合料溫拌，是一項(xiàng)環(huán)境友好、節(jié)能減排的技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn)：RPR溫拌劑既可以降低瀝青的動(dòng)力粘度，又能降低其拌和粘度，溫拌特性顯著；同時(shí)RPR溫拌瀝青在低溫下仍表現(xiàn)出軟質(zhì)性狀，低溫抗裂性十分優(yōu)越，可應(yīng)用于長(zhǎng)期嚴(yán)寒地區(qū)；但RPR溫拌瀝青軟化點(diǎn)很低，對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性存在一定的負(fù)面影響，還需要進(jìn)一步研究；同時(shí)，在溫拌劑的生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些高分子蠟，從而影響瀝青的性能，因此在大規(guī)模應(yīng)用前還需對(duì)其生產(chǎn)工藝進(jìn)行改良。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]