展宏圖，柳力

(1.廣東交科檢測有限公司，廣東 廣州 510550； 2.廣東華路交通科技有限公司； 3.長沙理工大學 土木工程學院)

1 前言

目前中國公路建設已進入提質改造和養(yǎng)護的新時期，很多早期修建的公路經(jīng)過多年的車輛荷載和雨水作用，已出現(xiàn)不同程度的病害，嚴重影響路面的使用性能。近年來，在原有路面加鋪2～3 cm的SAC-10、SMA-10和OGFC-10等薄層罩面和超薄磨耗層等技術得到了廣泛的應用，由于該層較薄，因而要求其瀝青膠結料擁有良好的高、低溫性能和疲勞性能。

在國內外現(xiàn)有研究中，對薄層罩面的瀝青混合料研究較多，而對其中重要組成部分膠結料研究較少，尤其是玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿鮮有涉及。廢舊輪胎作為一種固體廢棄物，曾是社會的黑色污染，而將其加工成廢舊輪胎橡膠粉(CRM)，不僅可以將廢舊輪胎“一站式”無害化處理，而且可成為一種優(yōu)良的瀝青改性劑。玄武巖纖維(BF)作為一種新材料，較常用的纖維具有比表面積大、表面浸潤性好、力學性能優(yōu)異、水穩(wěn)定性好等特點，可有效提高瀝青路面高溫抗車轍、低溫抗裂、抗疲勞、抗凍融及抗水損害性，對大幅提高路面承載能力和使用壽命可起到顯著的作用。

該文采用不同摻量的CRM和BF進行復合，對橡膠瀝青和玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿的制備過程進行研究，采用美國Superpave評價方法對其流變性能進行全面評價，同時對CRM和BF在瀝青材料中的增強機理和反應機理進行研究分析。

2 玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿制備過程

2.1 原材料

2.1.1 基質瀝青

基質瀝青采用70#道路石油瀝青，其主要性能指標如表1所示。

表1 70#基質瀝青性能指標

2.1.2 膠粉和玄武巖纖維

膠粉采用40目廢舊輪胎橡膠粉，玄武巖纖維采用GBF玄武巖纖維，其性能指標如表2所示。

表2 GBF玄武巖纖維性能指標

2.2 玄武巖纖維橡膠瀝青制備

2.2.1 橡膠瀝青制備過程

(1) 將基質瀝青在烘箱加熱至170～180 ℃，并恒溫1 h左右。

(2) 將稱量好的橡膠粉加入基質瀝青中，采用高速剪切儀剪切30 min，轉速為5 000 r/min，剪切完成后將其放入170～180 ℃烘箱中發(fā)育30 min。

(3) 將發(fā)育后的混合物繼續(xù)高速剪切15～20 min，轉速為5 000 r，剪切完成后放入烘箱溶脹1 h，得到橡膠瀝青。

2.2.2 玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿制備過程

(1) 稱量試驗所需玄武巖纖維，并將其均勻分成3份。

(2) 將制備好的橡膠瀝青加熱至170～180 ℃，分3次加入玄武巖纖維，每次時間間隔15 min左右，并采用玻璃棒勻速攪拌，試驗過程中溫度控制在170～180 ℃。

制備完成的玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿應盡快進行相關性能試驗，以防因離析造成試驗誤差。

3 玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿流變性能研究

由于CRM和BF都具有難溶于基質瀝青的特點，采用中國傳統(tǒng)的瀝青指標難以客觀全面反映玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿的路用性能，由于該文主要研究玄武巖纖維橡膠瀝青性能，在查閱大量文獻的基礎上，選定CRM摻量為20%，BF摻量為0.3%。采用美國Superpave瀝青測試方法對20%CRM和20%CRM+0.3%BF的瀝青材料(復合改性瀝青)進行路用性能評價。

3.1 高溫性能

瀝青材料路用性能與瀝青在溫度和荷載作用下的流變性能直接相關，玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿的高溫性能采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)模擬膠漿材料在溫度和荷載作用下的動態(tài)剪切，以抗車轍因子G*/sinδ值作為評價指標，對于原樣瀝青材料抗車轍因子G*/sinδ應不小于1.0 kPa。為了試驗結果具有對比性，分別對20%CRM瀝青和復合改性瀝青膠漿進行試驗，試驗結果如表3所示。

表3 高溫動態(tài)剪切試驗結果

由表3可知：

(1) 在試驗溫度為70 ℃時，20%CRM 橡膠瀝青的G*/sinδ為基質瀝青的3.7倍、復合改性瀝青膠漿材料的G*/sinδ為基質瀝青的14.7倍，說明CRM和BF加入基質瀝青中能顯著提升瀝青的高溫穩(wěn)定性。

(2) 在試驗溫度為70～82 ℃時，復合改性瀝青膠漿材料的G*/sinδ為20%CRM 橡膠瀝青的3.9倍，因為BF能吸附和穩(wěn)定瀝青，且具有多方向的加筋功能，可有效吸收瀝青材料中多余的油分，降低高溫流動性，提高瀝青材料的稠度，增強黏結力，BF能顯著提升橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性。

(3) 基質瀝青的失效溫度為66.5 ℃，20%CRM橡膠瀝青的失效溫度為78.4 ℃，復合改性瀝青膠漿的失效溫度為90.4 ℃。增加20%的CRM，基質瀝青失效溫度提高了17.9%；在20%的橡膠瀝青中增加0.3%的BF，瀝青膠漿失效溫度提高了15.3%，表明在橡膠瀝青中增加少量的BF，對其高溫性能有較大的改善。

3.2 低溫性能

低溫彎曲梁流變儀(BBR)測定瀝青的彎曲蠕變勁度S和m值，美國Superpave規(guī)范中要求經(jīng)過RTFOT和PAV老化后瀝青試樣的S≤300 MPa，m≥0.3，試件尺寸為長(127±2) mm，厚(6.35±0.05) mm，高(12.70±0.05) mm。由于該文主要研究兩種瀝青材料性能的對比，為簡化試驗過程，所以采用原樣瀝青材料。

根據(jù)SHRP規(guī)范，瀝青膠結料彎曲蠕變勁度模量S值越小，則表明彈性成分小，黏性成分大，低溫的抗變形能力好；m值越大，則黏性大，瀝青膠結料應力積累變形能力越好。低溫彎曲梁流變試驗結果如表4所示。

表4 低溫彎曲梁流變試驗結果

由表4可知：

(1) 在試驗溫度為-6、-12和-18 ℃時，20%CRM橡膠瀝青S值為基質瀝青的96.2%、72.8%和73.1%；m值為基質瀝青的1.21、1.16和1.05倍，表明增加20%的CRM可對瀝青的低溫性能提升5%～20%，改善效果顯著。

(2) 在試驗溫度為-6、-12和-18 ℃時，20%CRM+0.3%BF瀝青膠漿S值為20%CRM橡膠瀝青的70.0%、81.2%和84.0%；m值為1.28、1.31和1.32倍，表明增加0.3%的BF可對橡膠瀝青的低溫性能提升20%～30%，改善效果顯著。

(3) 按SHRP瀝青膠結料分級規(guī)范，20%CRM橡膠瀝青的低溫等級為-12 ℃，20%CRM+0.3%BF瀝青膠漿材料的低溫等級為-18 ℃，低溫性能提升了1個等級，也表明在橡膠瀝青中適當增加BF，可使瀝青膠結料低溫性能得到改善，文獻[14]提出瀝青膠結料的低溫性能對瀝青混合料低溫開裂貢獻達90%，研究說明瀝青膠漿材料可有效提高瀝青混合料的低溫性能，減少路面因溫度降低產(chǎn)生的裂縫，延長路面的使用壽命。

3.3 黏度

瀝青膠結料的黏度指瀝青材料在外力作用下抵抗剪切變形的能力，同時其是與瀝青路面力學行為聯(lián)系最緊密的一個指標，已有研究表明：瀝青材料的黏度與瀝青混合料高、低溫性能均存在較好的相關關系，目前對改善瀝青材料性能主要有兩種方式，即添加改性劑和纖維。

3.3.1 CRM黏度增強

CRM作為一種改性劑，可顯著改善瀝青材料的路用性能，添加CRM后，瀝青材料的黏度計算如式(1)所示。

η=ηm[1+C0K(T)Mα(T)]

(1)

式中：ηm為基質瀝青黏度(Pa·s)；C0為改性劑的質量百分數(shù)(%)；M為改性劑的黏均相對分子量；K(T)、α(T)均為常數(shù)，其中C0K(T)Mα(T)被稱為改性劑的增黏因子。

3.3.2 BF黏度增強

BF是一種新型瀝青無機改性材料，其對瀝青材料黏度增強計算如式(2)所示。

η=ηm(1+KEVf)

(2)

式中:ηm為基質瀝青黏度(Pa·s)；Vf為纖維體積分數(shù)(%)；KE為Einstein系數(shù);KEVf為纖維增強瀝青的增黏因子。

3.3.3 CRM和BF復合黏度增強效果分析

通過DSR對基質瀝青、0.3%BF 、20%CRM橡膠瀝青和20%CRM+0.3%BF瀝青膠漿進行60、135、170 ℃的動態(tài)黏度掃描，分析不同溫度下溫度與黏度的關系，試驗結果如表5所示。

表5 不同改性方式在不同溫度下黏度試驗結果

由表5試驗結果可知：

(1) 20%CRM瀝青膠漿與基質瀝青相比，其60～170 ℃黏度提高近3倍，由式(1)可知添加CRM后，瀝青材料的黏度變化只與增黏因子C0K(T)Mα(T)有關，隨著溫度的升高，瀝青材料的黏度降低。

(2) 0.3%BF瀝青膠漿與基質瀝青相比，其黏度并未有明顯增加，由式(2)可知瀝青材料的增黏因子KEVf是與溫度無關的一個常量，表明BF性能不隨溫度升高而改變，具有一定的熱穩(wěn)定性。

(3) 20%CRM+0.3%BF瀝青膠漿與20%CRM橡膠瀝青相比，60 ℃黏度高出近1倍，表明0.3%BF在瀝青中可起到加筋作用，可吸收瀝青材料中多余油分，降低流動性，提高瀝青材料的稠度，提升路面的使用性能。

(4) 20%CRM+0.3%BF瀝青膠漿材料的135 ℃黏度較大，因此在施工過程中應適當提高拌和和攤鋪溫度，減少因黏度過大造成路面病害。

(5) 20%CRM+0.3%BF玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿的60 ℃黏度明顯大于0.3%BF和20%CRM改性瀝青，且達到了“1+1>2”的效果，說明玄武巖橡膠瀝青膠漿具有高黏的特點。

4 玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿反應機理研究

CRM與BF在瀝青中的反應及分布狀態(tài)是一個復雜的過程，該文通過電子顯微和電鏡掃描分析方法對兩種改性劑對瀝青的改性機理進行研究。

4.1 CRM反應機理

瀝青材料中除了瀝青質，還有部分輕質組分，在高溫條件下，CRM與瀝青反應主要以物理反應為主，在一般條件下，CRM顆粒不會完全溶解在瀝青中，橡膠瀝青的三維結構如圖1所示。CRM顆粒與瀝青拌和前后顆粒變化的電子顯微圖像如圖2所示，橡膠瀝青電鏡掃描圖如圖3所示。

圖1 橡膠瀝青三維結構圖

圖2 CRM顆粒與瀝青拌和前后顆粒變化的電子顯微圖

圖3 橡膠瀝青電鏡掃描圖

由圖2、3可知：

(1) 在高溫條件下，CRM顆粒吸收了瀝青材料中的輕質組分，發(fā)生溶脹反應，體積膨脹，體積一般可增大30%～40%，同時瀝青材料中的輕組分減小，重組分增加，導致橡膠瀝青的黏度明顯增強。

(2) CRM顆粒溶脹體積增大，增加了CRM顆粒之間的接觸機會，CRM顆粒之間通過凝膠層互相連接，形成黏度相對較大的半固態(tài)連續(xù)相體系。

4.2 BF在橡膠瀝青中的反應機理

BF作為一種礦物纖維，其在宏觀條件下呈現(xiàn)“條片狀”，取一根BF進行電鏡掃描，其在微觀條件下是由無數(shù)根“條柱狀”細絲組成，并在細絲表面有部分“凸起”，BF宏觀與微觀圖像如圖4所示。

由于BF與橡膠瀝青在物理吸附作用、浸潤作用和化學鍵作用下緊密黏結，并在BF表面形成具有一定厚度的薄層瀝青，該區(qū)域稱為界面區(qū)，如圖5所示。BF相互之間通過橡膠瀝青的凝膠層互相連接，形成連續(xù)相體系。

圖4 BF宏觀和微觀圖

圖5 BF與瀝青接觸示意圖

在玄武巖纖維橡膠瀝青膠漿制備過程中，“條片狀”玄武巖纖維在溫度和外力作用下，分散成大量的“條柱狀”細絲，三維亂向地分布在橡膠瀝青中，增大了BF與瀝青材料的接觸面積，同時由于BF表面存在部分“凸起”，根據(jù)界面理論，“凸起”增大了纖維與瀝青之間的吸附力，加上BF與瀝青材料之間的互相纏繞，可有效提高橡膠瀝青的黏度。

5 結論

(1) BF加入基質瀝青中，BF性能不隨溫度升高而改變，具有一定的熱穩(wěn)定性。BF加入20% CRM瀝青中，BF能吸附和穩(wěn)定瀝青，可有效吸收瀝青材料中多余的油分，且具有多方向的加筋功能。

(2) 在相同試驗溫度下，復合改性瀝青的車轍因子G*/sinδ均高于基質瀝青和橡膠改性瀝青，復合改性瀝青的失效溫度比基質瀝青高約23 ℃，比橡膠改性瀝青高12 ℃，說明玄武巖/橡膠復合改性瀝青具有優(yōu)良的高溫性能。

(3) 復合改性瀝青彎曲蠕變勁度S較小，m值較大，低溫性能高于基質瀝青和20%CRM改性瀝青1個等級；同時，復合改性瀝青膠漿的動態(tài)黏度是其他3種瀝青的數(shù)倍。

(4) 高溫動態(tài)剪切試驗、低溫彎曲梁流變試驗和黏度掃描試驗表明：復合改性瀝青膠漿材料具有優(yōu)良的高、低溫性能，可顯著提高瀝青材料的稠度，提升路面的使用性能。

(5) 掃描電鏡微觀分析表明：CRM和BF可在瀝青中形成穩(wěn)定的連續(xù)相體系，CRM和BF復合改性可對瀝青材料的黏度達到“1+1>2”的增強效果。