廖 蘇，廖江林，袁祖光，黃 巖

(廣西交通投資集團百色高速公路運營有限公司，廣西 百色 533000)

0 引言

近年來，隨著人均汽車保有量的逐漸增加，大量廢棄輪胎的處理成為一大社會難題。廢舊輪胎的主要原料是橡膠粉，通過將廢舊輪胎破碎后的橡膠粉摻入基質瀝青中，不僅能夠提供一種很好的廢舊輪胎消納方式，還能使基質瀝青性能得到一定程度改善。相關理論研究[1-5]以及許多實體工程的應用已經(jīng)證明，橡膠瀝青是一種環(huán)境友好、高性能的道路工程材料。

目前對橡膠瀝青的大量研究集中在其作用機理以及組成配方等方面，而在橡膠瀝青的實際應用中，橡膠粉摻量不僅直接關系到性能變化，同時也對經(jīng)濟性產(chǎn)生影響。為探究橡膠粉摻量對瀝青高溫性能的變化，本文采用布什黏度計和動態(tài)剪切流變儀對不同摻量橡膠粉制備的橡膠瀝青進行性能試驗，從流變角度分析橡膠粉摻量變化對瀝青高溫性能的影響，為后續(xù)相關橡膠瀝青應用提供經(jīng)驗參考。

1 試驗

1.1 原材料及主要儀器設備

(1)基質瀝青：采用泰普克A-70#道路石油瀝青，其性能指標如下頁表1所示。

表1 70#基質瀝青的性能指標表

(2)橡膠粉：采用廣西交科新材料科技有限責任公司生產(chǎn)的30～80目橡膠粉，其技術指標如表2所示。

表2 橡膠粉技術指標表

(3)主要儀器設備：上海弗魯克科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高速剪切乳化機；美國TA儀器公司生產(chǎn)的動態(tài)剪切流變儀，型號為DHR-1混合型；美國博勒飛生產(chǎn)的布氏黏度計，型號為DV2T。

1.2 制備方法

采用“攪拌+高速剪切”的方法制備橡膠瀝青，先將基質瀝青加熱至流動狀態(tài)，外摻相對劑量的橡膠粉后以500 rad/min的速度攪拌發(fā)育50 min，再以5 000 rad/min的剪切速率高速剪切2 min，最后以500 rad/min的速度攪拌發(fā)育30 min。整個瀝青制備過程的加工溫度維持在180 ℃～190 ℃。

1.3 試驗設計及試驗方法

采用外摻法添加橡膠粉，橡膠粉的摻量分別為瀝青質量的16%、18%、20%、22%和24%，將制備好的橡膠瀝青分別進行以下試驗：

(1)采用布氏黏度計測定橡膠瀝青在180 ℃下的旋轉黏度。

(2)采用動態(tài)剪切流變儀對橡膠瀝青進行溫度掃描，采用應變控制加載模式，加載頻率為10 Hz，掃描溫度為52 ℃～82 ℃。

(3)采用動態(tài)剪切流變儀對橡膠瀝青進行多重應力蠕變恢復試驗，在60 ℃試驗溫度條件下，采用0.1 kPa及3.2 kPa兩個應力水平分別進行“加載-卸載”循環(huán)，每個應力水平下加載1 s，卸載9 s，0.1 kPa下重復20個周期，3.2 kPa下重復10個周期，時間共計300 s。

2 試驗結果分析

2.1 黏度試驗

SHRP計劃中推薦采用布氏黏度計來測定不同溫度條件下瀝青材料的黏度，并以此來評價瀝青混合料的施工性能。但橡膠粉摻入到瀝青后發(fā)生混熔、熔脹、交聯(lián)等反應，不同的反應溫度會導致其性能表現(xiàn)出較大的差異，無法進行穩(wěn)定評價。相關研究表明，在180 ℃的溫度條件下，橡膠瀝青的性能表現(xiàn)較為穩(wěn)定，因此本文以180 ℃作為控制溫度，測定不同橡膠粉摻量的橡膠瀝青的黏度變化，試驗結果見圖1。

圖1 不同膠粉摻量條件下橡膠瀝青180 ℃布氏黏度柱狀圖

從圖1可以看出，在180 ℃溫度條件下，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的黏度不斷增加。從數(shù)值上看，橡膠粉摻量在16%與18%時黏度值較為接近，均接近1 Pa·s；當橡膠粉增加至20%時，黏度值增加近1倍，達到2 Pa·s左右；橡膠粉摻量增加至22%時，黏度值相比20%摻量橡膠瀝青增加了40%；而當膠粉摻量達到24%時，橡膠瀝青的黏度值急劇增長到近5 Pa·s，已是16%膠粉摻量黏度值的5倍。由此得知，純膠粉改性瀝青主要是通過膠粉在熱瀝青中的混熔、熔脹、交聯(lián)等反應促進瀝青性能的體系變化，最終導致其黏度增加。結合相關規(guī)范要求及施工經(jīng)驗來看，橡膠瀝青的180 ℃布氏黏度值在2.5～3.0 Pa·s的范圍內，其施工性能最佳。膠粉摻量<18%時，橡膠瀝青的黏度值過低，雖然能保證其施工性能，但其經(jīng)濟性較差，膠粉摻量存在進一步提升的空間。膠粉摻量在22%時的黏度值達到一個拐點，能夠在保證施工性能的前提下達到膠粉最大摻量。而膠粉摻量達到24%時，橡膠瀝青的黏度值已超出正常施工范圍，這是因為膠粉摻量過多，基質瀝青中的輕質組分不足以被膠粉完全吸收，從而導致部分膠粉不能被瀝青所溶解，未溶解的膠粉則以游離顆粒形式存在于瀝青之中，導致瀝青體系黏度的增加。綜合考慮，橡膠粉改性瀝青的橡膠粉摻量建議≤22%。

2.2 溫度掃描試驗

車轍因子G*/sinδ是SHRP計劃中表征抗車轍性能的重要指標，通過對橡膠瀝青進行溫度掃描可以獲取連續(xù)溫度變化條件下的車轍因子變化，以評價其抗車轍能力，這也是目前研究瀝青流變性能的常用方法。本文對不同橡膠粉摻量的橡膠瀝青進行溫度掃描，以評價其抗車轍能力，具體結果如圖2所示。

圖2 不同膠粉摻量條件下橡膠瀝青溫度掃描圖

從圖2可以看出，隨著溫度逐漸升高，各橡膠粉摻量下的橡膠瀝青車轍因子G*/sinδ會持續(xù)下降，表明其抗高溫性能會隨著溫度升高逐步下降。瀝青再摻入橡膠粉后，其性質本質仍是一種粘彈性材料。隨著溫度不斷升高，其變形會由彈性變形趨向塑性變形，抗高溫性能會逐漸喪失。在同一溫度條件下，不同橡膠粉摻量下的車轍因子G*/sinδ呈現(xiàn)出明顯差異，表明橡膠粉摻量的不同會導致抗高溫性能出現(xiàn)變化。以60 ℃為例，車轍因子G*/sinδ由大到小依次分別是橡膠粉摻量為20%、22%、24%、18%以及16%時。當橡膠粉摻量從16%增加至20%時，其車轍因子G*/sinδ持續(xù)增加，表明其抗高溫性能得到有效提升，而當橡膠粉摻量從20%增加至24%時，其車轍因子G*/sinδ出現(xiàn)顯著衰減，表明摻加過多橡膠粉并不能有效提升橡膠瀝青的抗高溫性能，反而會起到負面抵消作用。這主要是因為過量的橡膠粉未能在瀝青當中吸收足夠多的輕質組分，甚至以顆粒形式存在于瀝青中，未形成良好的整體結構性能，導致其抗高溫性能反而因橡膠粉摻量的增加而出現(xiàn)下降。

為進一步探究橡膠粉摻量對瀝青感溫性能的影響，對車轍因子G*/sinδ和溫度T坐標同時取對數(shù)坐標進行線性擬合，擬合公式為：

lg(G*/sinδ)=KlgT+C

(1)

式中，K和C值均為擬合方程的回歸系數(shù)，其中K值的絕對值可以用來表征瀝青的感溫性，具體擬合結果如表3所示。

表3 雙對數(shù)坐標下車轍因子與溫度的線性擬合關系表

從表3可以看出，各橡膠粉摻量條件下的擬合公式均具有很好的線性相關性，其相關系數(shù)均達到0.9以上。隨著橡膠粉摻量的增加，|K|值先增加后減小，并在橡膠粉摻量達到20%時|K|值達到最大。這表明橡膠瀝青的感溫性能隨著橡膠粉摻量的增加先增大后減小，并在橡膠粉摻量為20%時能夠最大程度改善瀝青的感溫性能。這說明過量的橡膠粉不僅對橡膠瀝青的高溫性能會產(chǎn)生負面作用，其感溫性能也會遭到破壞。

2.3 多重應力蠕變試驗

相關研究認為單純依靠車轍因子進行抗車轍能力評價存在相關性較差的問題，于是SHRP計劃在后期完善多重應力蠕變試驗(MSCR)作為另一項高溫性能評價試驗。該方法通過模擬不同荷載情況下的多個“加載與卸載”，以變形恢復率R和不可恢復蠕變柔量Jnr等指標來進行高溫性能評價。本文在60 ℃的試驗溫度條件下對不同摻量橡膠瀝青進行多重應力蠕變試驗，其具體結果如下。

圖4 不同膠粉摻量條件下蠕變柔量Jnr變化柱狀圖

恢復率R值表示可恢復應變在總應變中所占的比例，其值越大表示其抗高溫性能越好，而不可恢復蠕變柔量Jnr表示瀝青在應力作用下的應變水平，其值越小表示其抵抗變形能力越好。從圖3～4可以看出，在0.1 kPa的應力水平下，橡膠粉摻量從16%逐漸增加至20%時，R值持續(xù)增加，而當橡膠粉摻量從20%逐漸增加至24%時，R值出現(xiàn)顯著下降。而當應力水平從0.1 kPa增大至3.2 kPa，各橡膠粉摻量下的恢復率R值出現(xiàn)顯著下降，不同橡膠粉摻量的恢復率R值變化規(guī)律與0.1 kPa應力水平下相同。不可恢復蠕變柔量Jnr的變化規(guī)律在兩個應力水平條件下也是先減小后增加，在橡膠粉摻量為20%時呈現(xiàn)出明顯拐點。由此得出，隨著應力水平的增加，橡膠瀝青的抗高溫性能會變差，而橡膠粉的摻量也不是越多越好，超過最佳摻量后，其抗高溫性能會出現(xiàn)衰減。

圖3 不同膠粉摻量條件下恢復率R變化柱狀圖

從圖5可以看出，橡膠粉摻量在20%時，恢復率差值Rdiff最小。恢復率差值Rdiff可以用來表征瀝青的應力敏感性，這說明在該橡膠粉摻量下能夠很好地抵抗由于應力增大而出現(xiàn)快速永久變形的趨勢，這與恢復率R值和不可恢復蠕變柔量Jnr變化所得出的結論是一致的。

圖5 不同膠粉摻量條件下恢復率差值Rdiff變化柱狀圖

3 結語

(1)橡膠粉摻量的增加會使得橡膠瀝青的180 ℃旋轉黏度增加，結合相關施工經(jīng)驗及相關規(guī)范要求綜合分析，橡膠粉摻量≤22%時能夠保證其具有較好的施工性能。

(2)溫度掃描試驗和多重應力蠕變試驗的指標呈現(xiàn)出較為一致的變化規(guī)律，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的抗高溫性能先增加后減小，在橡膠粉摻量為20%時具備最佳的抗高溫性能和感溫性能。

(3)綜合黏度指標及相關流變指標，橡膠瀝青的最佳膠粉摻量建議為20%。