趙昕，謝昆，張浩，范紅英，牛永喆，劉浪濤

(1.陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.中鐵建陜西眉太高速公路有限公司，陜西 寶雞 721000； 3.陜西交通控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000)

廢舊輪胎有毒有害，如果處理不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，即使被當(dāng)垃圾正確處理，廢舊橡膠仍具有很強(qiáng)的抗熱、抗光和抗降解性，幾十年也不會(huì)自然消除[1-4]。如將廢舊橡膠粉加入到瀝青中可顯著改善瀝青混合料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，與普通瀝青相比，橡膠瀝青具有軟化點(diǎn)高、黏度高、溫度敏感性低、彈性恢復(fù)性能好的優(yōu)點(diǎn)[5-6]；橡膠瀝青路面則具有抗車轍性能強(qiáng)、彈性恢復(fù)好、使用壽命長(zhǎng)、噪音低、不易結(jié)冰、層厚較薄、利于攤鋪的優(yōu)點(diǎn)[7-8]。2020年，我國(guó)廢舊橡膠產(chǎn)生量為1 390萬t，而回收量?jī)H為621萬t， 如每年產(chǎn)生的廢舊輪胎能被最大化的利用到瀝青路面，這對(duì)減少環(huán)境污染、提高路面使用性能、實(shí)現(xiàn)國(guó)家“雙碳”目標(biāo)具有非常重要的意義[9-11]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

基質(zhì)瀝青,采用殼牌90#瀝青。其主要性能檢測(cè)結(jié)果為：針入度(25 ℃)為0.85 mm，軟化點(diǎn)45.6 ℃, 延度(15 ℃) 100 cm，布氏旋轉(zhuǎn)粘度(135 ℃) 為0.53 Pa·s，密度(15 ℃)1.021 g/cm3;廢舊橡膠粉,采用西咸新區(qū)灃西新城紅良廢舊輪胎回收廠生產(chǎn)的廢舊橡膠粉，其來源于小汽車輪胎，通過粉碎法加工而成。

SZR-11瀝青針入度儀；SYD-2806瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)儀；NDJ-1C瀝青粘度試驗(yàn)儀；LYY-7A瀝青延伸度試驗(yàn)儀。

1.2 制備溫度影響試驗(yàn)

根據(jù)美國(guó)加利福尼亞州交通局頒布的《橡膠瀝青使用指南》，在制備溫度區(qū)間為 190～218 ℃、攪拌時(shí)間不少于45 min的條件下，可獲得預(yù)期性能的橡膠瀝青?？紤]到道路施工現(xiàn)場(chǎng)瀝青生產(chǎn)設(shè)備條件的限制，200 ℃以上的高溫難以達(dá)到，因此選擇摻量20%的30目廢舊膠粉在165，175，185 ，195 ℃四個(gè)溫度條件下，經(jīng)1 h攪拌制備橡膠瀝青，并在此溫度下繼續(xù)存儲(chǔ)48 h，提取存儲(chǔ)0，2，4，6，9，15，24，36，48 h的橡膠瀝青樣本進(jìn)行試驗(yàn)[12-15]。

1.3 攪拌方式影響試驗(yàn)

考慮簡(jiǎn)單攪拌和高速剪切兩種方式，使用X型葉片攪拌機(jī)和高速剪切機(jī)兩種設(shè)備加工橡膠瀝青，選定攪拌溫度為185 ℃，攪拌時(shí)間控制在1～1.5 h。在膠粉目數(shù)分別為20，30，60目，膠粉摻量分別為18%，20%，22%進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

1.4 存儲(chǔ)方式影響試驗(yàn)

分別對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)溫度均為185 ℃，分析兩種存儲(chǔ)方式對(duì)瀝青粘度的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備溫度的影響

2.1.1 針入度結(jié)果分析 由圖1可知，在165，175，185 ℃條件下，針入度隨時(shí)間先減小，存儲(chǔ)4～6 h 后普遍增大，但前兩者針入度都較低，而在195 ℃ 條件下存儲(chǔ)9 h以后針入度開始增長(zhǎng)，且185,195 ℃條件下，針入度差異不明顯。

圖1 溫度對(duì)針入度的影響曲線Fig.1 The influence curve of temperature on penetration

2.1.2 延度結(jié)果分析 由圖2可知，橡膠瀝青延度值隨制備溫度的升高而增大，且在185 ℃條件下存儲(chǔ)10 h后，延度值最大。

圖2 溫度對(duì)延度影響曲線Fig.2 The influence curve of temperature on ductility

2.1.3 軟化點(diǎn)結(jié)果分析 由圖3可知，橡膠瀝青的軟化點(diǎn)隨制備溫度升高而下降，軟化點(diǎn)在瀝青存儲(chǔ)6 h后的變化趨勢(shì)基本一致，48 h的軟化點(diǎn)都在60 ℃ 左右；此外，195 ℃的瀝青軟化點(diǎn)在3 h后高于185 ℃條件下。

圖3 溫度對(duì)軟化點(diǎn)的影響曲線Fig.3 The influence curve of temperature on softening point

2.1.4 粘度結(jié)果分析 由圖4可知，瀝青粘度隨制備溫度的升高而降低，在165 ℃存儲(chǔ)條件下瀝青粘度變化不明顯，基本保持在3.2～3.5之間。在175，185 ℃存儲(chǔ)條件下，粘度曲線分別在2，15 h時(shí)突變了兩次，分析其可能原因?yàn)椋洪_始時(shí)橡膠粉脫硫反應(yīng)迅速，膠粉粒徑減小導(dǎo)致粘度值降低；緊接著從橡膠脫離出的小分子物質(zhì)溶于瀝青后，使瀝青稠度增高；后期高溫存儲(chǔ)時(shí)間的增長(zhǎng)加速了瀝青老化，導(dǎo)致粘度值變大。在195 ℃條件下，瀝青中的橡膠粉分解出更細(xì)小的粒子，其對(duì)瀝青粘度的影響不明顯。

圖4 溫度對(duì)粘度的影響曲線Fig.4 The influence curve of temperature on viscosity

分析原因：在165 ℃和175 ℃的溫度條件下，由于溫度相對(duì)較低，膠粉顆粒主要發(fā)生溶脹變化，粘度相對(duì)偏高；在185 ℃的溫度條件下，膠粉顆粒發(fā)生溶脹和部分脫硫反映，而膠粉顆粒脫硫是指C-S斷裂，從而失去了部分彈性，恢復(fù)了部分柔韌性，在該溫度下粘度處于適中的狀態(tài)；在195 ℃的溫度條件下，熱存儲(chǔ)9 h后，膠粉瀝青的粘度下降較快，在此過程中，主要發(fā)生了降解反應(yīng)，降解是指橡膠顆粒的 C-C鍵發(fā)生斷裂，導(dǎo)致橡膠分子鏈斷裂、分子量降低，粘度值減小。

2.2 攪拌方式的影響

2.2.1 攪拌方式對(duì)針入度的影響分析 由圖5可知，當(dāng)膠粉目數(shù)為20目和30目時(shí)，橡膠瀝青針入度均為攪拌法低于剪切法；使用剪切法生產(chǎn)的橡膠瀝青，其針入度相較于基質(zhì)瀝青降低了35%左右；通過攪拌法生產(chǎn)的橡膠瀝青，其平均針入度相較于基質(zhì)瀝青降低了45%左右；當(dāng)膠粉目數(shù)為60目時(shí)，兩種攪拌方式下的針入度差異不明顯。試驗(yàn)表明攪拌法對(duì)針入度的影響比剪切法明顯。

由圖6可知，在膠粉摻量為18%和20%的情況下，膠粉瀝青針入度均為剪切法遠(yuǎn)大于攪拌法；在膠粉摻量為22%的情況下，兩種生產(chǎn)方式的橡膠瀝青針入度差異并不明顯。

圖5 攪拌方式對(duì)針入度的影響(改變膠粉目數(shù))Fig.5 The influence of stirring method on penetration

圖6 攪拌方式對(duì)針入度的影響(改變膠粉摻量)Fig.6 The influence of stirring method on penetration

2.2.2 攪拌方式對(duì)延度的影響分析 由圖7和圖8可知，不同膠粉摻量和不同膠粉目數(shù)情況下，橡膠瀝青的延度均為剪切法大于攪拌法，但橡膠瀝青無論是采用剪切法還是攪拌法制備，其低溫延度都較低，最大11.8 cm左右。

圖7 攪拌方式對(duì)延度的影響(改變膠粉目數(shù))Fig.7 The influence of stirring method on ductility

圖8 攪拌方式對(duì)延度的影響(改變膠粉摻量)Fig.8 The influence of stirring method on ductility

2.2.3 攪拌方式對(duì)軟化點(diǎn)的影響分析 由圖9和圖10可知，不同膠粉摻量和不同膠粉目數(shù)情況下生產(chǎn)的橡膠瀝青，其軟化點(diǎn)均為攪拌法大于剪切法，且兩者的軟化點(diǎn)都遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青。這表明，與剪切法相比，攪拌法對(duì)提高瀝青軟化點(diǎn)的作用更大，改善了瀝青的高溫穩(wěn)定性；當(dāng)膠粉摻量為22%時(shí)，改善效果不再明顯。分析其原因?yàn)椋耗z粉溶脹表現(xiàn)為膠粉對(duì)瀝青無選擇的整體吸附，因此分散相中的瀝青成分基本未發(fā)生變化，膠粉降解程度不明顯，導(dǎo)致改善效果不明顯。

圖9 攪拌方式對(duì)軟化點(diǎn)的影響(改變膠粉目數(shù))Fig.9 The influence of stirring method on softening point

圖10 攪拌方式對(duì)軟化點(diǎn)的影響(改變膠粉摻量)Fig.10 The influence of stirring method on softening point

2.2.4 攪拌方式對(duì)粘度的影響分析 由圖11和圖12可知，在不同膠粉摻量和不同膠粉目數(shù)情況下生產(chǎn)的橡膠瀝青，其粘度均為攪拌法明顯大于剪切法，可見，采用攪拌法對(duì)橡膠瀝青粘度指標(biāo)是很有利的。

圖11 攪拌方式對(duì)粘度的影響(改變膠粉目數(shù))Fig.11 The influence of stirring method on viscosity

圖12 攪拌方式對(duì)粘度的影響(改變膠粉摻量)Fig.12 The influence of stirring method on viscosity

2.3 存儲(chǔ)方式的影響

分別對(duì)剛制備完成的廢膠粉瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)存儲(chǔ)，存儲(chǔ)溫度均為185 ℃，分析兩種存儲(chǔ)方式對(duì)瀝青粘度的影響。

圖13 瀝青粘度隨時(shí)間的變化曲線Fig.13 Variation curve of asphalt viscosity with time

由圖13可知，橡膠瀝青的粘度在靜態(tài)存儲(chǔ)情況下，其下降速率遠(yuǎn)大于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)方式。分析其原因?yàn)椋簞?dòng)態(tài)熱存儲(chǔ)既有熱能又有動(dòng)能，二者加速了膠粉的脫硫裂解和溶脹反應(yīng)，膠粉顆粒迅速變小，使瀝青的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)快速瓦解，從而導(dǎo)致粘度下降速率變小。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 不同攪拌方式下橡膠顆粒微觀結(jié)構(gòu) 廢膠粉與瀝青分別高溫靜置1 h、高溫?cái)嚢? h及高溫剪切1 h后，收集三種情況下的樣本進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)掃描，其微觀結(jié)構(gòu)見圖14。

由圖14可知，在膠粉與瀝青靜置1 h的電鏡掃描圖片，膠粉顆粒表面有較多蜂窩狀致密隆起，孔洞較多；經(jīng)高溫?cái)嚢柚?，膠粉顆粒形狀呈菜花狀，其產(chǎn)生了明顯溶脹變化，表面迅速隆起，邊角變得蓬松，呈向外擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致瀝青的分散相體積濃度變大，橡膠瀝青粘度增加；剪切法生產(chǎn)的橡膠瀝青，從顆粒表面看出有明顯的剪切跡象，且棱角分明，因此，在溶脹和剪切同時(shí)發(fā)生的情況下，一旦膠粉顆粒發(fā)生溶脹凸起，會(huì)立即被剪切變成更小的膠粉顆粒，同時(shí)，高速剪切還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的擠壓作用，將顆粒表層的毛刺和蜂窩內(nèi)的瀝青快速擠出，使膠粉顆粒吸附的瀝青量減少，分散質(zhì)瀝青增加，導(dǎo)致粘度處于較低水平。

圖14 橡膠瀝青中膠粉與瀝青高溫作用1 h后膠粉顆粒微觀掃描圖Fig.14 Microscopic scan of rubber powder in rubber asphalt after high temperature exposure to asphalt for 1 h

2.4.2 不同存儲(chǔ)時(shí)間下橡膠顆粒微觀結(jié)構(gòu) 在185 ℃制備溫度條件下，采用攪拌工藝制備橡膠瀝青，分別對(duì)經(jīng)加工1 h、放置2 h和4 h的橡膠瀝青樣品進(jìn)行電鏡掃描，掃描圖像見圖15。

圖15 橡膠瀝青中橡膠顆粒微觀掃描圖Fig.15 Microscopic scan of rubber particles in rubberized asphalt

由圖15可知，放置2 h和4 h的橡膠瀝青，其膠粉顆粒與剛加工完成時(shí)的橡膠瀝青相比，其表面變得更加蓬松，說明高溫放置的過程中，膠粉與瀝青還在不斷發(fā)生作用。放置2 h后，膠粉顆粒周邊產(chǎn)生絮狀，說明溶脹產(chǎn)生的作用較大。放置4 h后，膠粉顆粒變得更加蓬松，絮狀物繁榮，且隆起部分有變酥焦化的現(xiàn)象。因此，橡膠瀝青放置時(shí)間越長(zhǎng)，那么膠粉顆粒發(fā)育時(shí)間越長(zhǎng)，其溶脹體積越大，溶脹反應(yīng)越深入，對(duì)于橡膠瀝青形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也越有利，但高溫情況下放置過長(zhǎng)，會(huì)加速橡膠瀝青的老化。

2.4.3 不同加熱次數(shù)下橡膠顆粒微觀結(jié)構(gòu) 在185 ℃制備溫度條件下，采用攪拌工藝制備橡膠瀝青，并經(jīng)二次、三次加熱，其中，二次加熱和三次加熱條件是待制備好的橡膠瀝青冷卻至25 ℃后，使用電爐再次加熱至185 ℃的狀態(tài)，對(duì)剛制備完成和二次、三次加熱的橡膠瀝青樣品進(jìn)行電鏡掃描，其結(jié)果見圖16。

圖16 橡膠瀝青不同加熱次數(shù)下膠粉顆粒微觀掃描圖Fig.16 Microscopic scanning of rubber powder particles under different heating times of asphalt rubber

由圖16可知，與一次加熱相比，二次加熱生產(chǎn)的膠粉，其顆粒隆起邊緣呈透明狀，凸起的周圈亮度增大。三次加熱后，膠粉顆粒表面凸起更為明顯，凸起部分顏色更加白亮，表明經(jīng)三次加熱后，瀝青與膠粉雖然發(fā)生強(qiáng)烈作用，但其結(jié)果導(dǎo)致膠粉劇烈焦化，與一次加熱相比，失去橡膠瀝青原本的彈性，性能下降較為明顯。通過檢測(cè)各加熱次數(shù)情況下橡膠瀝青的粘度指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)兩次加熱后的瀝青粘度衰減并不明顯，但經(jīng)過三次加熱后，瀝青粘度衰減較為明顯，可以得出，制備好的橡膠瀝青最多可被加熱一次，才不會(huì)影響其使用性能。

3 結(jié)論

(1)制備溫度對(duì)橡膠瀝青的影響較為復(fù)雜；當(dāng)膠粉目數(shù)小于30目和膠粉摻量小于20%時(shí)，剪切法生產(chǎn)方式的瀝青針入度大于攪拌法。

(2)在不同膠粉目數(shù)和不同膠粉摻量情況下，采用攪拌法生產(chǎn)的瀝青軟化點(diǎn)大于剪切法，采用攪拌法生產(chǎn)的瀝青粘度大于剪切法；橡膠瀝青的粘度在靜態(tài)存儲(chǔ)情況下，其下降速率遠(yuǎn)大于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)方式。

(3)在185 ℃的制備溫度下攪拌加工1 h進(jìn)行生產(chǎn)，在靜態(tài)熱存儲(chǔ)條件下存儲(chǔ)時(shí)間不超過2 h，制備好的瀝青最多可再重復(fù)加熱1次，生產(chǎn)的橡膠粉瀝青的延度、粘度、針入度、軟化點(diǎn)等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)性能最優(yōu)。