覃潤(rùn)浦，胡松山，劉斌清

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；2.廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

傳統(tǒng)橡膠瀝青因施工黏度過大易造成橡膠瀝青混合料難以現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)等質(zhì)量問題，在一定程度上不僅難以充分發(fā)揮橡膠瀝青固有的天然特性，也限制了橡膠瀝青的推廣與應(yīng)用。因此，通過物理作用或化學(xué)改性等方法對(duì)傳統(tǒng)膠粉進(jìn)行復(fù)配改性是新材料研發(fā)的主推方向。雙螺桿擠出機(jī)是利用螺桿擠出機(jī)的剪切擠壓功能，使橡膠粉在剪切、熱壓及脫硫技術(shù)的綜合作用下，短時(shí)間內(nèi)深度降解的一種機(jī)械方法。葉奮針對(duì)傳統(tǒng)橡膠瀝青混溶速度慢、黏度大、加工難度高和摻量低等問題，采用螺桿反應(yīng)擠出機(jī)對(duì)橡膠粉深度降解，結(jié)合常規(guī)測(cè)試和動(dòng)態(tài)流變學(xué)分析出深度降解橡膠粉摻量可達(dá)50%以上。雙螺桿擠出機(jī)在300 ℃高溫條件下對(duì)橡膠粉降解1～2 min后，所得深度降解橡膠粉與瀝青具有良好的相容性。由雙螺桿擠出機(jī)深度降解的橡膠粉能夠使橡膠粉有效脫硫，加工過程中煙氣顯著減少，環(huán)境污染較小。

本文采用雙螺桿擠出機(jī)對(duì)傳統(tǒng)橡膠粉進(jìn)行物理降解處理得到深度降解膠粉，并采用不同類型聚乙烯改性劑對(duì)降解膠粉進(jìn)行復(fù)配改性。經(jīng)過測(cè)試橡膠瀝青常規(guī)指標(biāo)和高溫流變粘彈特性來評(píng)價(jià)聚乙烯改性劑對(duì)深度降解橡膠瀝青復(fù)配改性的影響，從而為工廠化橡膠瀝青的應(yīng)用推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與設(shè)備

1.1 基質(zhì)瀝青

本文試驗(yàn)采用泰普克基質(zhì)瀝青進(jìn)行研究，按《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG E20-2004)的要求對(duì)該瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試得出所選基質(zhì)瀝青符合道路石油瀝青1-4區(qū)70#A級(jí)的技術(shù)要求，如表1所示。

表1 泰普克基質(zhì)瀝青性質(zhì)參數(shù)表

1.2 礦粉

礦粉采用石灰?guī)r磨制，檢測(cè)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，具體如表2所示。

表2 礦粉檢測(cè)指標(biāo)表

1.3 試驗(yàn)儀器

1.3.1 雙螺桿擠出機(jī)

采用南京杰恩特生產(chǎn)，德國(guó)先進(jìn)技術(shù)支持下的SHJ-20雙螺桿擠出機(jī)。SHJ系列同向平行雙螺桿擠出機(jī)技術(shù)數(shù)：螺桿直徑21.7 mm，槽深3.85 mm，螺桿長(zhǎng)徑比32∶40，螺桿轉(zhuǎn)速600 rpm，主機(jī)功率3 kW，生產(chǎn)能力2～12 kg/h，如圖1所示。將傳統(tǒng)橡膠粉勻速投入150 r/min的雙螺桿擠出機(jī)當(dāng)中，在300 ℃高溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)1～2 min后擠出，即可獲得深度降解橡膠粉。

圖1 SHJ-20雙螺桿擠出機(jī)現(xiàn)場(chǎng)圖

1.3.2 動(dòng)態(tài)剪切流變儀

動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)通過振蕩模量將周期應(yīng)力或應(yīng)變施加于橡膠瀝青試樣，并得到不同頻率、溫度、時(shí)間等條件下的材料響應(yīng)。本文擬對(duì)不同類型PE改性劑復(fù)配橡膠瀝青進(jìn)行常規(guī)性能檢測(cè)和常規(guī)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，其中動(dòng)態(tài)剪切流變儀(見圖2)廠家為英國(guó)Malvern公司，型號(hào)為Bolin ADS CVO-100。

圖2 動(dòng)態(tài)剪切流變儀現(xiàn)場(chǎng)圖

1.4 膠粉種類

傳統(tǒng)膠粉與利用雙螺桿擠出機(jī)生產(chǎn)出來的深度降解膠粉，指標(biāo)測(cè)試均達(dá)到交通運(yùn)輸部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《路用廢胎硫化橡膠粉》(JT/T 797-2011)中規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)，具體如表3～4及圖3所示。

表3 橡膠粉的物理檢測(cè)指標(biāo)及技術(shù)要求表

表4 橡膠粉的化學(xué)指標(biāo)及技術(shù)要求表(%)

圖3 40-60目膠粉示例圖

1.5 聚乙烯改性劑

室內(nèi)選取MPC型、昆侖型、3B型和4C型四種不同類型聚乙烯改性劑復(fù)配降解膠粉，其物理指標(biāo)略。

2 常規(guī)性能測(cè)試

本文采用雙螺桿擠出機(jī)對(duì)傳統(tǒng)橡膠粉進(jìn)行物理降解形成降解膠粉，室內(nèi)采用傳統(tǒng)剪切加工工藝，以泰普克基質(zhì)瀝青為原材料，分別添加瀝青質(zhì)量的0.5%的MPC型、昆侖型、3B型和4C型等不同型號(hào)聚乙烯改性劑和橡膠顆粒PR產(chǎn)品、路耐特產(chǎn)品等兩種工廠化產(chǎn)品，以外摻法摻加20%降解膠粉并在高溫條件(185 ℃)下制備不同類型的橡膠瀝青。本文擬對(duì)比聚乙烯復(fù)配降解膠粉改性瀝青與工廠化橡膠瀝青的性能差異，對(duì)室內(nèi)制備而得的不同類型橡膠瀝青進(jìn)行常規(guī)性能檢測(cè)，測(cè)試指標(biāo)如表5所示。

表5 不同橡膠瀝青技術(shù)性能指標(biāo)表

由表5可知，傳統(tǒng)橡膠粉制備的橡膠瀝青針入度指標(biāo)與5 ℃延度指標(biāo)均難以滿足規(guī)范要求，添加聚乙烯改性劑后橡膠瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)均有較大改善，而180 ℃高溫條件下的布氏黏度基本保持穩(wěn)定，165 ℃和135 ℃布氏黏度較未添加聚乙烯改性劑的橡膠瀝青黏度小，體現(xiàn)出聚乙烯改性劑在一定程度上能增加橡膠瀝青的和易性。針對(duì)傳統(tǒng)橡膠瀝青低溫抗裂性能較弱的問題，分析對(duì)比各種橡膠瀝青5 ℃延度可知，聚乙烯復(fù)配橡膠瀝青的低溫延度較傳統(tǒng)橡膠瀝青偏高，且四種不同類型的橡膠瀝青5 ℃延度指標(biāo)均不小于5 cm的指標(biāo)要求。對(duì)比彈性恢復(fù)數(shù)據(jù)可知，聚乙烯復(fù)配橡膠瀝青彈性恢復(fù)性能較傳統(tǒng)橡膠瀝青好。工廠化橡膠瀝青PR產(chǎn)品和路耐特橡膠瀝青高溫黏度數(shù)值較小，在很大程度上解決了傳統(tǒng)橡膠瀝青施工黏度大、儲(chǔ)存不穩(wěn)定的施工難題，同時(shí)也表現(xiàn)出其他指標(biāo)難以滿足規(guī)范要求的現(xiàn)象，如PR橡膠瀝青軟化點(diǎn)為54.7 ℃，難以滿足規(guī)范≥65 ℃的要求；路耐特橡膠瀝青彈性恢復(fù)指標(biāo)為56%，不能滿足規(guī)范≥75%的要求。

3 高溫流變特性測(cè)試

為進(jìn)一步區(qū)別不同類型聚乙烯改性劑對(duì)降解膠粉復(fù)配橡膠瀝青粘彈特性的影響，本文采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)各類型橡膠瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)，系統(tǒng)分析復(fù)數(shù)模量、相位角及車轍因子等參數(shù)隨溫度變化的流變性能，從而達(dá)到有效甄別聚乙烯改性劑性能差異的目的。

3.1 復(fù)數(shù)彈性模量變化規(guī)律

復(fù)數(shù)彈性模量(G*)是反映材料彈性性能的參數(shù)，該值越大表明材料的彈性越好。對(duì)于橡膠瀝青路面，在高溫條件下，橡膠瀝青需具有足夠的彈性，以利于形變恢復(fù)。根據(jù)瀝青厚度對(duì)其性能的影響，選取瀝青厚度2.0 mm，各個(gè)試樣的G*隨溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 G*隨溫度變化曲線圖

由圖4可以看出，隨著溫度的增加，各類型橡膠瀝青復(fù)數(shù)模量呈弧形趨勢(shì)而減小。在同一溫度條件下，添加3B型聚乙烯改性劑復(fù)配雙螺桿擠出機(jī)制備出來的橡膠顆粒的復(fù)數(shù)彈性模量最好，說明該型號(hào)聚乙烯改性劑復(fù)配降解膠粉而得的橡膠瀝青彈性變形能力最強(qiáng)，故推薦選取3B型聚乙烯改性劑進(jìn)行膠粉復(fù)合改性。

3.2 相位角變化規(guī)律

圖5 δ隨溫度變化曲線圖

在高溫條件下，δ越小，表明該材料彈性成分所占比例越大，即有較好的抵抗高溫變形的能力。由圖5可以看出，在同一基質(zhì)瀝青制備條件下，添加3B型聚乙烯復(fù)配改性降解膠粉制備橡膠瀝青的δ最小，說明其材料彈性成分比例相對(duì)較大，具有較好的抵抗高溫變形能力。進(jìn)一步說明選取3B型聚乙烯改性劑有助于提高橡膠瀝青高溫粘彈特性。

3.3 車轍因子的變化規(guī)律

車轍因子G*/sinδ能夠直接反映出瀝青高溫抗變形性能。本文對(duì)表5所列不同類型橡膠瀝青進(jìn)行溫度掃描，并對(duì)比聚乙烯改性橡膠瀝青與工廠化橡膠瀝青的高溫抗變形性能，結(jié)果如圖6所示。

從圖6(a)可以看出，聚乙烯橡膠瀝青車轍因子G*/sinδ均隨著試驗(yàn)溫度的升高而下降，即抗車轍能力降低；相同溫度條件下可以看出添加3B型聚乙烯改性劑制備的橡膠瀝青車轍因子最大，進(jìn)一步說明可選用3B型聚乙烯改性劑進(jìn)行膠粉改性。從圖6(b)可知，與工廠化橡膠瀝青高溫抗車轍性能對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在同等溫度試驗(yàn)條件下，路耐特橡膠瀝青表現(xiàn)出較好的抗車轍性能，而目前僅選用聚乙烯改性劑單純與降解膠粉復(fù)配改性所得橡膠瀝青的高溫抗車轍性能尚不理想，有必要進(jìn)一步添加其他添加劑對(duì)降解膠粉進(jìn)行復(fù)合改性，從而達(dá)到工廠化生產(chǎn)高性能橡膠瀝青的效果。

(a)聚乙烯改性橡膠瀝青

(b)聚乙烯橡膠瀝青與工廠化橡膠瀝青

4 結(jié)語

(1)通過雙螺桿擠出機(jī)對(duì)傳統(tǒng)膠粉進(jìn)行物理降解，可有效解決橡膠瀝青施工黏度問題，提高橡膠瀝青施工和易性。

(2)聚乙烯改性劑可提高橡膠瀝青低溫抗裂性能和彈性恢復(fù)性能。由高溫動(dòng)態(tài)流變?cè)囼?yàn)結(jié)果推薦采用3B型聚乙烯改性劑進(jìn)行復(fù)配橡膠瀝青。

(3)與工廠化橡膠瀝青粘彈特性對(duì)比得出：?jiǎn)渭儾捎镁垡蚁?fù)配改性降解膠粉的路用性能難以滿足工程應(yīng)用需求，該結(jié)論為橡膠瀝青復(fù)合改性及工廠化生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。