周 勇，戴偉軍，羅曉楓，沈 賢，沈菊男

(1.常州市新北區(qū)市政綠化管理所，江蘇 常州 213100；2.蘇州科技大學(xué)，江蘇省生態(tài)道路產(chǎn)業(yè)化研究中心，江蘇 蘇州 215009)

1 概述

隨著公路交通的飛速發(fā)展，各式車輛更新?lián)Q代迅速，因而產(chǎn)生大量廢舊輪胎，伴隨而來(lái)的廢舊輪胎處理問(wèn)題亦日益嚴(yán)峻。廢舊輪胎的主要成分為橡膠，橡膠是一種高分子材料，很難在環(huán)境中自然分解。如果不采用合理方式對(duì)其進(jìn)行處理，不僅會(huì)帶來(lái)資源浪費(fèi)的問(wèn)題，還會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。石油瀝青和橡膠在性質(zhì)上同屬高分子有機(jī)材料，具備一定程度的天然親和性。已有研究表明，將廢舊輪胎制成橡膠粉摻加到瀝青中，不僅能有效利用廢舊輪胎資源，減少對(duì)環(huán)境的污染，還能明顯提高瀝青的性能[1]。目前，橡膠粉用于瀝青混合料的改性工藝有兩種，即干拌法和濕拌法[2]。濕拌法是將橡膠粉直接投入瀝青中高速剪切，生產(chǎn)得到橡膠粉改性瀝青，再與集料攪拌生產(chǎn)得到濕拌法橡膠粉改性瀝青混合料。干拌法是直接將橡膠粉、集料及改性瀝青投入混合料攪拌鍋內(nèi)攪拌，生產(chǎn)得到干拌法橡膠粉改性瀝青混合料。兩種拌和工藝各有優(yōu)劣[3]。濕拌法技術(shù)及工藝相當(dāng)成熟，且生產(chǎn)出的混合料路用性能穩(wěn)定，但生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生大量煙氣，污染環(huán)境。而干拌法生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，施工方便，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣較少，但生產(chǎn)出的混合料性質(zhì)不穩(wěn)定[4]。但出于環(huán)保需求，實(shí)際工程中需要選用干拌法橡膠粉改性瀝青混合料生產(chǎn)工藝。但兩者工藝生產(chǎn)出的橡膠粉改性瀝青混合料路用性能具體差異之處研究較少，且差異內(nèi)因尚不明確。

目前，大孔隙瀝青混合料因其良好的排水，降噪和抗滑表面性能，越來(lái)越受到人們的重視。改性高黏瀝青是保證大孔隙瀝青混合料性能特別是抗老化耐久性的重要保證。SBS和橡膠粉是常用的瀝青改性劑。為了既能利用廢舊料節(jié)省改性成本，又能提高改性效果，利用SBS和橡膠粉雙改性來(lái)制備大孔隙瀝青混合料。

本項(xiàng)目提出了一種使用SBS和橡膠粉制備大孔隙瀝青混合料新工藝，即用SBS改性瀝青(濕拌)和橡膠粉干拌生產(chǎn)大孔隙瀝青混合料雙改性技術(shù)，然后對(duì)用該新技術(shù)制備的大孔隙 OGFC-13瀝青混合料的主要宏觀性能(包括凍融劈裂強(qiáng)度、高溫動(dòng)穩(wěn)定度及飛散損失率)進(jìn)行評(píng)價(jià)并與比較試樣比較，進(jìn)一步探索兩種不同橡膠粉改性方式對(duì)混合料性能的影響。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

本試驗(yàn)選用市場(chǎng)常用的70號(hào)道路石油瀝青，其基本性能如表1～表4所示。

表2 橡膠粉性能

表3 SBS改性劑性能

表4 集料體積指標(biāo)

2.2 混合料拌和制備工藝

本研究選定OGFC-13級(jí)配，最佳油石比確定為6%[5]。采用相同的油石比和級(jí)配，分別制備瀝青混合料。新SBS和橡膠粉雙改性工藝見(jiàn)圖1。

新雙改性工藝其實(shí)是SBS濕拌和橡膠粉干拌雙改性工藝(簡(jiǎn)稱橡膠粉干拌法)：首先將基質(zhì)瀝青加熱到175 ℃，隨后加入摻量為4.5%的SBS高速剪切45 min，最后在175 ℃烘箱中發(fā)育2 h制得，即為濕法SBS改性瀝青。然后，將濕法SBS改性瀝青與175 ℃烘熱6 h的集料和橡膠粉一起投入瀝青攪拌鍋中進(jìn)行攪拌，即為新工藝制備的大孔隙瀝青混合料。

除此，比較試樣一是SBS和橡膠粉濕拌法制備的瀝青混合料(簡(jiǎn)稱橡膠粉干法)：首先將基質(zhì)瀝青加熱到175 ℃，隨后加入摻量為4.5%的SBS高速剪切 45 min，最后在175 ℃烘箱中發(fā)育2 h，再加入摻量為10%的橡膠粉低速剪切30 min，最后在175 ℃烘箱中發(fā)育2 h制得雙改性瀝青[6]，然后再與加熱的集料進(jìn)行制備瀝青混合料。

比較試樣二是SBS改性瀝青混合料。首先將基質(zhì)瀝青加熱到175 ℃，隨后加入摻量為4.5%的SBS高速剪切45 min，最后在175 ℃烘箱中發(fā)育2 h制得，即為濕法SBS改性瀝青，然后再與加熱的集料進(jìn)行制備瀝青混合料。

2.3 性能測(cè)試方法

本試驗(yàn)選擇車轍動(dòng)穩(wěn)定度作為瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的指標(biāo)，其值可通過(guò)瀝青混合料車轍試驗(yàn)(T 0709—2011)測(cè)得；選擇凍融劈裂試驗(yàn)(JTG E20—2011)來(lái)反映瀝青混合料耐水損壞的能力，利用凍融劈裂強(qiáng)度比 TSR(%)測(cè)試瀝青混合料水穩(wěn)定性，TSR的比值越大代表混合料的水穩(wěn)性能越好，越小則表明水穩(wěn)性能越差；選擇浸水飛散試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)由于瀝青混合料在交通荷載作用下，路面表面集料脫落而散失的程度。按照 (JTG E20—2011)測(cè)試每個(gè)試樣的高溫動(dòng)穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比和肯塔堡飛散損失率，來(lái)對(duì)比兩種拌和工藝生產(chǎn)出的瀝青混合料的性能差異。

3 結(jié)果與討論

3.1 高溫性能

根據(jù)JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定：重載交通量路段OGFC混合料的動(dòng)穩(wěn)定度要求為大于3 000次/mm。試驗(yàn)瀝青混合料高溫動(dòng)穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，圖2。

表5 不同拌和工藝下混合料高溫動(dòng)穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果 次/mm

由表5及圖2可見(jiàn)，干法橡膠粉OGFC的動(dòng)穩(wěn)定度是3 605，比濕法橡膠粉混合料的4 552低30%，同時(shí)還比SBS單改性的3 139增加了15%。這一結(jié)果說(shuō)明了，添加10%橡膠粉干拌后，其混合料的高溫穩(wěn)定性相比于SBS單改性有所提高，應(yīng)該是橡膠粉的增加提高了混合料中瀝青的性能。但是橡膠粉干法對(duì)瀝青抗高溫效果顯然沒(méi)有橡膠粉濕拌的效果好，但是還是比規(guī)范要求的3 000高20%。

3.2 水穩(wěn)性能

OGFC瀝青混合料的大孔隙對(duì)它的耐久性的影響是人們關(guān)心的主要問(wèn)題。凍融劈裂強(qiáng)度是用來(lái)評(píng)價(jià)它的抗凍和抗?jié)裥阅?，即抗溫度和水影響的性能，也是耐久性性能之一。?guī)范要求凍融強(qiáng)度比(TSR%)，即未凍試樣的劈裂強(qiáng)度與動(dòng)融后的試樣的劈裂強(qiáng)度比必需不小于80%。不同拌和工藝OGFC-3瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，圖3。

由表6及圖3可見(jiàn)，干法橡膠粉OGFC的凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)為82.5%，比濕法橡膠粉混合料的84.4%低1.9%，同時(shí)還比SBS單改性的80.3%增加了2.2%。同樣，這一結(jié)果說(shuō)明添加10%橡膠粉干拌后，其混合料的抗水穩(wěn)定性比SBS單改性有所提高，應(yīng)該是橡膠粉的增加提高了混合料中瀝青的性能。但是橡膠粉干法對(duì)瀝青抗水穩(wěn)定性能效果顯然沒(méi)有橡膠粉濕拌的效果好，但是還是比規(guī)范要求的80%高2.5%?？傊煌陌韬凸に噷?duì)抗水穩(wěn)定的影響較小。

3.3 飛散損失率

由于本試驗(yàn)選用的OGFC-13級(jí)配為大孔隙瀝青混合料，為避免瀝青混合料的脫落、掉粒等問(wèn)題，需要對(duì)瀝青混合料進(jìn)行飛散試驗(yàn)，以確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。肯塔堡飛散實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7，圖4所示。

表7 不同拌和工藝瀝青混合料的浸水飛散損失試驗(yàn)結(jié)果

由表7及圖4可見(jiàn)，三種混合料的飛散損失率均滿足規(guī)范要求。其中，橡膠粉的兩種不同改性工藝均較SBS單獨(dú)改性混合料抗飛散性能有所提升，說(shuō)明橡膠粉對(duì)瀝青的改性可以較為明顯的提升混合料的抗飛散性能。濕拌法瀝青混合抗飛散損失(5.1%)效果尤為突出，效果較單摻SBS(11.8%)單獨(dú)改性降低1倍多。干拌法較濕拌法OGFC瀝青混合料的抗飛散性(8.0%)比濕法橡膠粉瀝青混合料(5.1%)約能提高32%。

3.4 原子力顯微鏡分析

借由原子力顯微鏡(AFM)來(lái)分析兩種拌和工藝對(duì)瀝青混合料性能影響的內(nèi)在原因。檢測(cè)的瀝青樣品經(jīng)過(guò)阿布森方法從上述三種瀝青混合料中提取，通過(guò)AFM掃描SBS改性瀝青、干拌法橡膠粉SBS雙改性瀝青及濕拌法橡膠粉SBS雙改性瀝青。掃描結(jié)果見(jiàn)圖5,圖6。

圖5和圖6分別是3D和2D形貌圖。由圖5可見(jiàn)，三種瀝青都出現(xiàn)了紅白顏色橢圓形的“蜂狀結(jié)構(gòu)”[7]。其中圖5(a)的“蜂狀結(jié)構(gòu)”呈現(xiàn)大而少的現(xiàn)象，圖5(b),圖5(c)的“蜂狀結(jié)構(gòu)”呈現(xiàn)小而密的現(xiàn)象。結(jié)合圖5，圖6發(fā)現(xiàn)，“蜂狀結(jié)構(gòu)”中的白色部分是由白色的“柱狀結(jié)構(gòu)”垂直向上組合而成，“蜂狀結(jié)構(gòu)”中的紅色部分是由紅色的“柱狀結(jié)構(gòu)”垂直向下組合而成?！胺錉罱Y(jié)構(gòu)”越大，對(duì)應(yīng)的“柱狀結(jié)構(gòu)”就越大越高[8]。說(shuō)明在干拌法和濕拌法橡膠改性瀝青的生產(chǎn)過(guò)程中，橡膠粉會(huì)吸收瀝青中的輕組分，從而使得橡膠粉自身體積發(fā)生膨脹，這個(gè)行為可以恢復(fù)部分橡膠粉的可塑性，而能夠明顯改善其力學(xué)及高溫性能[9]。與此同時(shí)，由于瀝青中的輕組分減少，變相提高了瀝青中的瀝青質(zhì)含量，瀝青質(zhì)含量的相應(yīng)提高可以降低瀝青的溫度敏感性，提高瀝青黏度和韌性，這些都解釋了橡膠粉添加瀝青混合料各項(xiàng)性能提高的原因[10]。

由二維圖像可以看出干拌法與濕拌法形貌規(guī)律基本一致，但是對(duì)比它們的三維掃描高度可以看出，濕拌法瀝青“柱狀結(jié)構(gòu)”較干拌法數(shù)量多而更高大一點(diǎn)，同時(shí)濕拌法瀝青“蜂狀結(jié)構(gòu)”較干拌法更密集一點(diǎn)。因此，濕拌法橡膠粉SBS雙改性瀝青混合料較干拌法各項(xiàng)性能更好一點(diǎn)，但性能差異不大，干拌法可以達(dá)到接近濕拌法的效果，同時(shí)考慮到環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，在一定條件下干拌法可以替代濕拌法。

3.5 紅外光譜分析

借助紅外光譜分析不同瀝青微觀性能，得到如圖7所示結(jié)果。

由圖7可知圖中峰形成的原因是改性瀝青基團(tuán)振動(dòng)頻率被吸收減弱而形成的?；|(zhì)瀝青的波峰有：2 923.46 cm-1和2 852.36 cm-1，這兩個(gè)峰是基質(zhì)瀝青的C—H鍵伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的；1 455.25 cm-1是C—H面內(nèi)彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的，1 376.69 cm-1是-CH3鍵剪式振動(dòng)產(chǎn)生的。有橡膠粉改性的瀝青的紅外特征峰與單SBS改性瀝青的紅外特征峰類型一致，說(shuō)明橡膠粉改性瀝青并沒(méi)有產(chǎn)生新的基團(tuán)。橡膠粉對(duì)瀝青性能改性是通過(guò)吸收飽和分和芳香分溶脹，是一種物理變化，且干拌法與濕拌法性能差異不大。

4 小結(jié)和結(jié)論

用于制備大孔隙瀝青混合料的高黏瀝青的要求不斷提高。本研究提出了SBS濕拌和橡膠粉干拌雙改性的新工藝制備OGFC-13瀝青混合料，并對(duì)混合料的宏觀和微觀性能進(jìn)行了全面評(píng)價(jià)，并與SBS和橡膠粉濕拌瀝青混合料進(jìn)行比較。三個(gè)瀝青混合料的宏觀性能都能滿足規(guī)范要求，不論干拌法還是濕拌法都能提高瀝青混合料的性能。新工藝方便，施工容易，節(jié)省成本。主要結(jié)論如下：

1)添加10%橡膠粉干拌雙改性O(shè)GFC-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，抗水穩(wěn)性能和抗飛散性能都比SBS單改性的性能要提高，說(shuō)明橡膠粉的添加并干拌提高了瀝青的性能，從而提高了混合料的性能。

2)干拌法橡膠粉雙改性瀝青混合料宏觀性能總體稍微差一點(diǎn)，但差距不大，特別是飛散試驗(yàn)和抗水穩(wěn)定性能，干拌法可以達(dá)到接近濕拌法的效果。

3)濕拌法較干拌法瀝青“蜂狀結(jié)構(gòu)”分布略微密集，“柱狀結(jié)構(gòu)”略微高大一點(diǎn)，說(shuō)明濕拌法橡膠粉SBS雙改性瀝青混合料性能要略微優(yōu)于干拌法。紅外光譜分析可知，無(wú)論是干拌還是濕拌，橡膠粉對(duì)瀝青性能改性是一種物理變化，其改性效果相差不多。

4)干拌法橡膠粉OGFC瀝青混合料工法，施工簡(jiǎn)單方便，可以節(jié)省成本，且更加環(huán)保，在符合道路設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)可以替代濕拌法。