王海朋， 張 蓉， 張曉華， 蔣昊秋

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司， 四川 成都 611130； 2.公路建設與養(yǎng)護技術材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心， 四川 成都 611130； 3.四川省路面結構材料及養(yǎng)護工程實驗室， 四川 成都 611130)

0 引言

在瀝青路面中應用廢舊橡膠，不但能夠降低筑路成本，減少廢舊“黑色”垃圾污染，而且鋪筑的瀝青路面具有良好的高低溫、抗疲勞和降噪等性能，且行車舒適，因此得到了廣泛應用[1-3]。然而，目前市面上橡膠粉類型各異，制備出的橡膠改性瀝青性能差異很大。最常見的橡膠粉有3大類，第1類是將廢舊輪胎粉碎制備而成，這種將達到一定目數(shù)的橡膠粉加入瀝青后攪拌發(fā)育即可使用的傳統(tǒng)方法稱為麥克唐納濕法，原料主要來源于小汽車輪胎、卡車輪胎、胎面、圈口，其膠粉目數(shù)[4]、制備工藝參數(shù)[5]等已存在大量研究。第2類為表面活化膠粉，是將廢舊輪胎粉碎加工得到的一定目數(shù)膠粉，采用活化劑對膠粉表面處理，增強其活性。目前，Memon、Shatanawi和陳戈等人[6-8]采用不同活化劑對橡膠粉進行表面活化，分析了橡膠瀝青的性能。第3類為再生膠粉，也就是脫硫膠粉，是將廢舊輪胎粉碎的膠粉進行脫硫處理，還原其硫化能力，加入瀝青中后再次硫化形成網(wǎng)狀結構。目前就這3大類膠粉對瀝青性能的影響比較和其發(fā)生熱存儲后的性能變遷尚缺乏分析，因此，本文采用3種膠粉類型制備橡膠瀝青，分析其對瀝青性能的影響，為橡膠粉的選用提供參考。

1 試驗方案

1.1 原材料

1) 瀝青。采用70#瀝青制備橡膠瀝青，技術性質如表1所示。

2) 橡膠粉類型。對以下3種類型橡膠粉進行研究:①采用卡車輪胎常溫粉碎法制備的40目傳統(tǒng)橡膠粉；②活化劑浸泡法制備的40目表面活化膠粉(以下采用HH表示)；③單螺桿擠出法制備的脫硫再生橡膠(以下采用ZS表示)。

表1 70#瀝青的技術性質類別針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm延度(15 ℃,5 cm/min)/cm軟化點TR&B/℃64 ℃原樣車轍因子/kPaRTFOT后延度(10 ℃,5 cm/min)/cm針入度比/%64 ℃車轍因子/kPa實測值63.6>10047.31.2990.963.32.81規(guī)范范圍60～80≥100≥46≥1.0≥15≥61≥2.2

1.2 試樣制備

將70#瀝青加熱到170 ℃，緩慢加入20%(內(nèi)摻)橡膠粉及0.1%(內(nèi)摻)穩(wěn)定劑，開始加入膠粉的同時開啟Fluk剪切機，進行剪切。開始10 min以3 000 r/min速度剪切，后20 min以5 000 r/min速度剪切，剪切共持續(xù)30 min，整個剪切過程保持瀝青溫度為170 ℃。然后將剪切好的橡膠瀝青放入170 ℃的攪拌烘箱中進行發(fā)育，發(fā)育過程中攪拌速度為600 r/min，發(fā)育時間為3 h。

本文在相同橡膠粉摻量(20%)下對橡膠瀝青性能進行比較。在制備過程中發(fā)現(xiàn)，40目橡膠瀝青較為干稠，HH瀝青較為粘稠，ZS瀝青較稀。這表明橡膠瀝青采用ZS橡膠有很大的摻量增加空間，40目和HH橡膠摻量增加空間較小。

1.3 試驗方案

首先，對3種20%橡膠粉摻量的橡膠瀝青軟化點、旋轉薄膜烘箱老化前后5 ℃延度、旋轉薄膜烘箱老化前后針入度、彈性恢復、發(fā)育1.5 h和發(fā)育3 h橡膠瀝青的135 ℃和180 ℃布氏黏度以及SHRP指標[老化前后車轍因子、疲勞因子和彎曲蠕變勁度試驗(BBR)指標]進行測試。

其次，對3種類型橡膠粉制備的橡膠瀝青性能隨熱存儲時間的變化規(guī)律進行研究。將制備好的1000 g橡膠瀝青放入160 ℃的烘箱中控溫，在第1、3、5、7 d分別對瀝青進行軟化點、76 ℃車轍因子、76 ℃多應力重復蠕變恢復試驗(MSCR)、5℃測力延度、135 ℃布氏黏度、180 ℃布氏黏度試驗，分析高低溫指標、彈性和黏度隨熱存儲時間的變化規(guī)律。

最后，采用熒光顯微和電鏡掃描對3種剛剪切發(fā)育完的橡膠瀝青進行微觀形貌分析。

1.4 試驗方法

按照文獻[9]中“瀝青針入度試驗(T0464—2011)”、“瀝青延度試驗(T0465—2011)”、“瀝青軟化點試驗(環(huán)球法)(T0606—2011)”、“瀝青彈性恢復試驗(T0662—2000)” 、“瀝青旋轉黏度試驗(T0625—2011)”進行橡膠瀝青基本指標的測試。按照“瀝青流變性質試驗(動態(tài)剪切流變儀法)(T0628—2011)”、“瀝青彎曲蠕變勁度試驗(彎曲梁流變儀法)(T0627—2011)”、“壓力老化容器加速瀝青老化試驗(T0630—2011)”、“瀝青旋轉薄膜加熱試驗 (T0610—2011)”、ASTM D6373“瀝青結合料PG分級的標準規(guī)范”進行旋轉薄膜加熱老化前后橡膠瀝青的車轍因子試驗和壓力老化后橡膠瀝青的疲勞因子及瀝青彎曲蠕變進度試驗。按照文獻[10]進行多應力重復蠕變恢復試驗(MSCR)，按照文獻[11]進行瀝青抗疲勞性能試驗(線性振幅掃描LAS法)。

2 試驗結果及分析

2.1 膠粉類型對瀝青性能指標影響結果及分析

不同類型橡膠粉制備的橡膠瀝青各項技術性能指標對比試驗結果如表2所示。

從表2可以看出，40目橡膠制備的橡膠瀝青軟化點和車轍因子最高，高溫性能最優(yōu)，其次為表面活化膠粉HH制備的橡膠瀝青，脫硫膠粉ZS制備的橡膠瀝青軟化點和車轍因子最低；分析其原因，40目橡膠粉在1 mm夾板間距下發(fā)揮了較強的顆粒效應，而HH表面活化作用降低了顆粒效應，ZS改性瀝青基本消除了顆粒作用的影響。

表2 不同橡膠瀝青的技術性質項目延度(5 ℃,5 cm/min)/cm延度力值(5 ℃,5 cm/min)/N針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm軟化點TR&B/℃170 ℃發(fā)育1.5 h170 ℃發(fā)育3 h135 ℃布氏黏度/(Pa·s)180 ℃布氏黏度/(Pa·s)135 ℃布氏黏度/(Pa·s)180 ℃布氏黏度/(Pa·s)彈性恢復/%車轍因子/kPa40目8.3128.634.271.323.7002.95520.9502.750822.141@88 ℃HH12.278.162.662.49.0751.4208.4001.360831.270@82 ℃ZS8.481.553.959.32.4900.4772.5800.500561.103@76 ℃RTFOT后老化后車轍因子/kPa延度(5 ℃,5 cm/min)/cm延度力值(5 ℃,5 cm/min)/N針入度比/%16 ℃疲勞因子/kPaLAS疲勞Nf (25 ℃,應變10%)BBR(-18 ℃)S/MPamPG分級2.257@88 ℃7.15130.995.74 0005 2591470.309PG88-282.257@88 ℃7.15130.995.74 0005 2591470.309PG88-283.341@70 ℃6.2110.581.65 6103 1221970.289PG70-22

HH瀝青的低溫延度和-18 ℃下BBR試驗得到的m值最高，延度力值和低溫勁度模量S最低，在低溫下表現(xiàn)出很好的低溫柔韌性;其次為40目橡膠瀝青，同摻量下，ZS橡膠瀝青的低溫性能最差。彈性恢復的結果也表現(xiàn)出了相同的規(guī)律。從旋轉薄膜烘箱(RTFOT)老化前后的延度對比和針入度比可以看出，40目橡膠瀝青和HH瀝青的耐老化性能相當，均顯著優(yōu)于ZS瀝青。綜合LAS疲勞試驗結果和16 ℃的疲勞因子，可以看出40目橡膠瀝青疲勞性能優(yōu)于HH瀝青，顯著優(yōu)于ZS瀝青。PG分級結果40目橡膠瀝青最優(yōu)。

在3種橡膠瀝青的發(fā)育過程中，分別取發(fā)育1.5 h和發(fā)育3 h的橡膠瀝青進行布氏黏度試驗，發(fā)現(xiàn)40目橡膠瀝青的布氏黏度隨發(fā)育時間增長顯著降低，HH橡膠瀝青的布氏黏度隨發(fā)育時間增長略微降低，ZS橡膠瀝青的布氏黏度隨發(fā)育時間增長略有提高，這說明，ZS橡膠瀝青的加工性能最優(yōu)，易于穩(wěn)定。

分析產(chǎn)生以上試驗結果的原因，40目橡膠粉加入瀝青后的剪切過程中只有表面輕微降解，在發(fā)育過程中橡膠粉從表面到內(nèi)部持續(xù)降解，因此布氏黏度降低；當制備成橡膠瀝青后，具有顯著的顆粒效應，因此其高溫車轍因子較高、彈性高、布氏黏度高；低溫試驗時其又具有較好的柔韌性，顆粒吸收了瀝青的輕質組分，加之顆粒沒有較大的被短期老化表面，因此耐老化性能好。HH橡膠瀝青具有比40目橡膠瀝青更顯著的優(yōu)勢，主要原因在于橡膠粉表面進行了活化處理，橡膠粉與瀝青有更好的交融作用；在發(fā)育時，因其表面相當于已事先降解，HH橡膠瀝青相對于40目膠粉布氏黏度更容易穩(wěn)定，發(fā)育時間更短；因為經(jīng)過表面活化處理，繼承了40目橡膠粉的顆粒狀彈性，加之與瀝青交融效果好，HH橡膠瀝青同時具有更好的低溫性能和彈性。ZS橡膠是脫硫橡膠，內(nèi)部的硫鍵已打開，很容易分散到瀝青中，在發(fā)育過程中容易發(fā)育完全，發(fā)育過程中的再次交聯(lián)和老化作用使得后期布氏黏度升高；ZS瀝青在剪切和發(fā)育過程中再次硫化交聯(lián)，相對70#瀝青，顯著改善了瀝青的性能；但是ZS橡膠失去了40目橡膠粉的顆粒特性，在制成橡膠瀝青后，沒有顯著的顆粒彈性作用，因此，同摻量下表現(xiàn)出彈性恢復、軟化點和黏度等性能指標不及40目橡膠瀝青和HH瀝青。

2.2 膠粉類型對橡膠瀝青性能穩(wěn)定性的影響結果及分析

膠粉類型對橡膠瀝青性能穩(wěn)定性的影響結果如圖1所示。從圖1a和圖1b可以看出，135 ℃下3種橡膠瀝青的布氏黏度隨熱存儲時間的變化規(guī)律與180 ℃基本一致，存儲1 d后40目橡膠瀝青的布氏黏度急劇降低后逐漸升高；HH瀝青的布氏黏度隨熱存儲時間略微降低后升高，熱存儲3 d后布氏黏度和40目橡膠瀝青的布氏黏度基本持平；ZS瀝青的布氏黏度隨熱存儲時間略微提高。這是因為40目橡膠粉在熱存儲前期發(fā)生了表面降解，所以黏度急劇降低，當降解到與表面活化膠粉一致時，降解開始變得困難。瀝青的老化伴隨熱存儲的整個過程，當降解困難時，老化變成主導，所以在后期橡膠瀝青的黏度升高。HH橡膠事先已進行表面活化處理，所以在熱存儲初期，發(fā)生小幅度降解后，降解困難，老化變成主導，黏度開始提升。脫硫橡膠ZS的硫鍵已經(jīng)打開，加到瀝青中后發(fā)生的降解反應較小，主要以橡膠的再次交聯(lián)為主，在剪切和發(fā)育階段基本可以完成，熱存儲階段黏度略微提高是由老化引起的。

從圖1c和圖1d可以看出3種橡膠瀝青的軟化點和車轍因子變化規(guī)律相近。40目橡膠瀝青、HH瀝青的軟化點和車轍因子隨熱存儲時間先減小后增大。熱存儲時間范圍內(nèi)40目橡膠瀝青的軟化點變化幅度為6.5℃，車轍因子變化幅度為2.994kPa；HH瀝青的軟化點變化幅度達到7.3℃，車轍因子變化幅度為1.736kPa；ZS瀝青的軟化點變化幅度僅為2.5℃，車轍因子變化幅度為0.826kPa，ZS瀝青的軟化點和車轍因子在熱存儲前期變化不明顯，后期顯著增大。

從圖1e和圖1f中76℃多應力重復蠕變(MSCR)試驗得到的不可恢復蠕變?nèi)崃縅nr可以看出，3種橡膠瀝青的Jnr0.1和Jnr3.2隨熱存儲時間變化規(guī)律一致，在76℃下，ZS瀝青的Jnr較高，40目橡膠瀝青和HH瀝青的Jnr保持較低水平，抗高溫變形能力更好。ZS瀝青的Jnr隨熱存儲時間先保持不變后急劇減小，40目橡膠瀝青和HH瀝青的Jnr先增大后減小，這些規(guī)律和軟化點、車轍因子得出的耐高溫性能變化規(guī)律幾乎一致。

從圖1g和圖1h中恢復率R可以看出，在熱存儲過程中，ZS瀝青由于老化的影響，恢復率R持續(xù)增大；40目橡膠瀝青和HH瀝青的恢復率R先減小后增大。這說明40目橡膠瀝青和HH瀝青在熱存儲過程中，性能變化前期由膠粉降解主導，當降解困難時，后期由老化主導。ZS瀝青在整個過程中性能變化由老化主導。

從圖1i和圖1j可以看出，40目橡膠粉的5 ℃延度在前3 d逐漸增大，隨后逐漸變小，曲線過渡較為圓滑，主要是由于40目橡膠粉的降解期較長導致，40目橡膠瀝青的延度力值與熱存儲時間的變化規(guī)律和延度相反，表現(xiàn)了相同的低溫性能變化規(guī)律。HH膠粉的延度在增大1 d后開始降低， HH瀝青的延度力值隨熱存儲時間的變化與延度相反，也表現(xiàn)出了相同的低溫性能變化規(guī)律。ZS膠粉的降解較小，以老化為主導，延度對ZS瀝青的老化比較敏感，因此延度持續(xù)降低。延度力值變化幅度較小，隨熱存儲時間的變化呈現(xiàn)微小波動性，性能相對比較穩(wěn)定。

圖1 橡膠瀝青指標隨存儲時間的變化曲線

續(xù)圖1 橡膠瀝青指標隨存儲時間的變化曲線

2.3 膠粉類型對橡膠瀝青微觀形貌影響

采用熒光顯微鏡(20倍目鏡)對制備的3種剪切、發(fā)育3 h制備完成的橡膠瀝青進行觀察，微觀形貌如圖2所示?？梢钥吹?，40目橡膠瀝青中顆粒狀較為明顯，顆粒遮擋了瀝青，40目橡膠粉沒有很好地與瀝青交溶；HH瀝青中有大塊熒光斑點，HH橡膠粉沒有溶解分散到瀝青中，而是以顆粒本身形態(tài)分散于瀝青中，但是膠粉與瀝青之間的交溶明顯好于40目橡膠瀝青；ZS橡膠瀝青中的橡膠微粒均勻地分散到瀝青中，發(fā)出均勻細小的熒光，相對來說橡膠的顆粒性分布已消失。

同時，采用200倍掃描電鏡(SEM)對3種剪切、發(fā)育3 h制備完成的橡膠瀝青進行觀察，微觀形貌如圖3所示。可以看出，在200倍放大倍數(shù)下，40目橡膠瀝青中有大量的橡膠顆粒，橡膠粉與瀝青相對獨立，裸露出相對粗糙的表面。而HH橡膠瀝青中，雖然同樣具備大顆粒的構造，但是瀝青表面相對光滑，說明橡膠粉與瀝青的交溶好，表面被光滑的瀝青覆蓋；ZS橡膠瀝青的微觀形貌未見較大顆粒，橡膠粉在瀝青中均勻分布共同組成兩相體，并從形貌上可以看出，橡膠形成了一定結構的網(wǎng)絡體系。

a) 40目

b) HH

c) ZS

a) 40目

b) HH

c) ZS

3 結語

1)在20%橡膠粉摻量下，40目橡膠瀝青的高溫性能和疲勞性能最優(yōu)，HH瀝青的低溫性能和彈性最優(yōu)，ZS瀝青的性能最弱，但ZS瀝青加工過程中性能易于穩(wěn)定，加工性能好。

2) 40目橡膠瀝青的布氏黏度隨熱存儲時間變化先急劇降低后逐漸升高。HH瀝青的布氏黏度隨熱存儲時間略微降低后升高，與40目橡膠瀝青的布氏黏度基本持平。ZS瀝青的布氏黏度隨熱存儲時間稍微提高。

3)ZS瀝青的熱存儲穩(wěn)定性最優(yōu)，其次為HH瀝青，40目橡膠瀝青在熱存儲初期性能衰減很大。3種橡膠瀝青的熱存儲性能變化規(guī)律是橡膠在瀝青中降解和橡膠瀝青老化綜合作用的結果。

4)微觀形貌圖像表明，40目橡膠粉制備成橡膠瀝青后，具有顯著的顆粒效應，橡膠與瀝青交溶效果不佳，橡膠瀝青表面粗糙。表面活化膠粉與瀝青有更好的交溶作用，雖具有顆粒性，但橡膠瀝青表面較為光滑。脫硫橡膠在瀝青中分散均勻，顆粒性消失。