李曉娟， 徐希娟， 王清清

(1.西安公路研究院， 陜西 西安 710068; 2.陜西交建公路工程試驗檢測有限公司， 陜西 西安 710000)

近年來，橡膠改性瀝青得到較廣泛的研究與應(yīng)用[1-3]，一方面可以回收廢舊輪胎橡膠，減輕對環(huán)境的壓力；另一方面可以顯著改善瀝青路面高溫抗變形能力、低溫抗裂能力以及疲勞性能[4-5]，為廢舊橡膠制品的回收利用開辟了新的途徑，同時橡膠瀝青的性能較基質(zhì)瀝青具有明顯的優(yōu)勢。但橡膠粉需在高溫條件下對瀝青進行改性，導(dǎo)致瀝青在改性過程中發(fā)生不可逆的熱氧老化和微觀結(jié)構(gòu)的重組[6-7]，使瀝青綜合性能下降。同時橡膠瀝青黏度高施工和易性差；其硫化結(jié)構(gòu)阻礙了橡膠在瀝青中的溶脹及其與瀝青的化學(xué)結(jié)合，造成橡膠與瀝青相容性較差、熱穩(wěn)定性不足[8]。相關(guān)研究表明：通過物理脫硫及化學(xué)改性過程，可破壞橡膠的C—S、S—S交聯(lián)結(jié)構(gòu)，緩解橡膠與瀝青的不相容問題[9-13]。其中雙螺桿擠出法通過高溫和機械剪切，使得橡膠交聯(lián)結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂，從而實現(xiàn)橡膠的短時間脫硫降解。張廣泰等[13]研究了擠出溫度對活化脫硫橡膠粉性能的影響，并進一步制備活化改性瀝青，得出活化擠出工藝可降低橡膠瀝青黏度并改善溫度敏感性和流變性能；張爭奇等[14]對比分析了深度脫硫橡膠與普通橡膠改性瀝青的性能差異，得出深度脫硫改性瀝青在制備過程中更加環(huán)保，且其低溫黏結(jié)性能和短期老化后的抗車轍性能均優(yōu)于普通橡膠改性瀝青。

為了進一步驗證脫硫橡膠在不同瀝青改性過程中的適應(yīng)性，該文在試驗室擬采用脫硫工藝自制的脫硫橡膠瀝青改性劑制備不同基質(zhì)瀝青的脫硫橡膠改性瀝青，對比分析不同脫硫橡膠改性瀝青三大指標(biāo)、存儲穩(wěn)定性、彈性恢復(fù)性能和黏度，并在最佳脫硫橡膠摻量下分析不同改性瀝青的流變性能。

1 試驗

1.1 原材料

研究采用3種常用90#瀝青分別記為瀝青A、B和C，各基質(zhì)瀝青技術(shù)性質(zhì)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)性質(zhì)

試驗采用脫硫橡膠瀝青改性劑為試驗室自制，其原材料除瀝青外主要包括60目廢橡膠粉、催化裂解劑與酸化油，催化裂解劑與酸化油的具體技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)如表2、3所示。

表2 催化裂解劑的技術(shù)指標(biāo)

表3 酸化油基本物性指標(biāo)

1.2 制備工藝

自制脫硫橡膠瀝青改性劑，將一定質(zhì)量比的廢輪

胎膠粉、裂解催化劑、酸化油和瀝青A加入橡膠高速塑化機組，80 ℃條件下高速攪拌15 min后，加入雙螺桿擠出機中，擠出機主反應(yīng)區(qū)溫度290 ℃，其他區(qū)溫度180 ℃，150 r/min條件下擠出，冷卻后得到脫硫橡膠瀝青改性劑；將脫硫橡膠加入融化的基質(zhì)瀝青中，在165 ℃條件下低速勻速攪拌20 min后，以7 000 r/min轉(zhuǎn)速高速剪切發(fā)育30 min，即得脫硫橡膠改性瀝青，具體制備流程如圖1所示。

圖1 脫硫橡膠改性瀝青的制備流程圖

1.3 試驗方法

分別采用瀝青A、B、C制備脫硫橡膠改性瀝青，分別表示為MA-A、MA-B和MA-C。對不同脫硫橡膠改性瀝青進行5 ℃延度、軟化點、25 ℃針入度、彈性恢復(fù)等常規(guī)指標(biāo)測試；通過180 ℃運動黏度評價改性瀝青的工作性能；測試163 ℃離析軟化點差，評價改性瀝青的存儲穩(wěn)定性；采用DHR-1型動態(tài)剪切流變儀分析、對比不同基質(zhì)瀝青脫硫橡膠改性瀝青流變性能。

2 脫硫橡膠改性瀝青常規(guī)性質(zhì)分析

2.1 延度、軟化點和針入度

脫硫橡膠瀝青改性劑摻量對不同基質(zhì)瀝青改性瀝青三大指標(biāo)的影響結(jié)果如圖2所示。

結(jié)合圖2與表1，較基質(zhì)瀝青的三大指標(biāo)而言，不同脫硫橡膠瀝青改性劑摻量下各改性瀝青延度增大，軟化點升高，針入度降低，表明脫硫橡膠瀝青改性劑提升了瀝青的綜合性能。

圖2 脫硫橡膠瀝青改性劑摻量對不同基質(zhì)瀝青改性瀝青三大指標(biāo)的影響

由圖2(a)可知：隨脫硫橡膠瀝青改性劑摻量的增加改性瀝青的延度先增大后趨于穩(wěn)定，其中MA-A和MA-C的延度在改性劑摻量增加到20%后趨于穩(wěn)定，表明脫硫橡膠瀝青改性劑摻量增大到一定程度時對改性瀝青的低溫延展性影響程度降低。脫硫過程使橡膠顆粒的有效粒徑大幅減小，延度測試過程中應(yīng)力集中現(xiàn)象減少，另外，脫硫橡膠產(chǎn)生的小分子鏈分散到瀝青中，改善了瀝青的柔韌性，表現(xiàn)為延度的增大。MA-B延度增幅較小，且隨脫硫橡膠瀝青改性劑摻量變化延度變化量在1 cm以內(nèi)，變化幅度較小。由圖2(b)可知：MA-A與MA-B的軟化點隨脫硫橡膠瀝青改性劑摻量增加逐漸升高，并分別在改性劑摻量達到25%和20%后趨于穩(wěn)定，MA-C軟化點隨摻量增大先小幅升高后略有降低。相對于基質(zhì)瀝青，改性瀝青軟化點最高提高約10 ℃。高溫條件下，瀝青中的輕質(zhì)組分較易進入脫硫后的脫硫橡膠中發(fā)生溶脹作用[15]，使瀝青的軟化點升高。由圖2(c)可知：脫硫橡膠改性瀝青針入度隨脫硫橡膠瀝青改性劑摻量的增加逐漸降低，瀝青中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)與橡膠粒子結(jié)合形成一定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，黏度增大，所以針入度降低。

2.2 存儲穩(wěn)定性

脫硫橡膠瀝青改性劑摻量對不同基質(zhì)瀝青改性瀝青軟化點差的影響結(jié)果如圖3所示。

圖3 脫硫橡膠瀝青改性劑摻量對不同基質(zhì)瀝青改性瀝青軟化點差的影響

由圖3可知：隨脫硫橡膠瀝青改性劑摻量增加改性瀝青離析軟化點差增大，表明隨脫硫橡膠瀝青改性劑摻量增加存儲穩(wěn)定性降低，且降低效果隨摻量增加趨于顯著。不同改性瀝青軟化點差在脫硫橡膠瀝青改性劑摻量為20%之前軟化點差值保持在3 ℃以內(nèi)，而普通橡膠改性瀝青軟化點差高于10 ℃甚至更高[16]，較普通橡膠，脫硫橡膠的分子量較小，體系更加均勻穩(wěn)定。對比而言，MA-A的軟化點差在摻量為20% 以內(nèi)時約為2.5 ℃，且隨摻量增加基本穩(wěn)定，表現(xiàn)出較好的存儲穩(wěn)定性。

2.3 彈性恢復(fù)

脫硫橡膠瀝青改性劑摻量對不同基質(zhì)瀝青改性瀝青彈性恢復(fù)的影響結(jié)果如圖4所示。

圖4 脫硫橡膠瀝青改性劑摻量對不同基質(zhì)瀝青改性瀝青彈性恢復(fù)的影響

由圖4可知：脫硫橡膠瀝青改性劑摻量對改性瀝青彈性恢復(fù)影響顯著，隨改性劑摻量增大改性瀝青彈性恢復(fù)率增加，彈性性能趨優(yōu)，表明脫硫橡膠改性瀝青具有較好的抗疲勞和抗永久變形能力。橡膠與瀝青間的溶脹作用增強了改性瀝青的彈性性能，同時脫硫橡膠中橡膠粉大量降解，使改性瀝青在拉伸過程中的應(yīng)力集中減輕，進一步改善了彈性恢復(fù)性能。同一脫硫橡膠瀝青改性劑摻量下，3種改性瀝青彈性恢復(fù)性能差異明顯，說明基質(zhì)瀝青種類對改性瀝青的彈性恢復(fù)性能效果有一定影響；相對而言，MA-A彈性恢復(fù)顯著高于其他兩種改性瀝青。

2.4 180 ℃運動黏度

脫硫橡膠瀝青改性劑摻量對不同基質(zhì)瀝青改性瀝青黏度的影響結(jié)果如圖5所示。

圖5 脫硫橡膠瀝青改性劑摻量對不同基質(zhì)瀝青改性瀝青黏度的影響

由圖5可知：隨脫硫橡膠瀝青改性劑摻量的增加改性瀝青的黏度增大，但當(dāng)MA-A的脫硫橡膠瀝青改性劑摻量不大于20%、MA-B和MA-C的脫硫橡膠瀝青改性劑摻量不大于15%時，各改性瀝青的黏度均小于2 Pa·s，處于較低水平。橡膠瀝青體系黏度由分散相(脫硫橡膠)和分散介質(zhì)(瀝青)共同決定，在不同改性瀝青中分散相的特性基本一致，因此黏度差異可能主要來源于分散介質(zhì)的差異，即不同瀝青間的差異，以及由此產(chǎn)生的橡膠與瀝青之間相互作用的差異；另一方面，由于脫硫橡膠制備過程中所采用的瀝青為瀝青A，所以改性劑與瀝青A的相容性更加良好，導(dǎo)致了基于黏度的摻量差異。但整體而言脫硫橡膠改性瀝青黏度較小，工作性能良好，而普通橡膠改性瀝青黏度較高，對生產(chǎn)、施工過程提出較高要求，同時路面施工質(zhì)量無法得到良好保證[17-18]，因此脫硫橡膠改性瀝青降低了橡膠改性瀝青應(yīng)用的限制。

綜合上述各脫硫橡膠改性瀝青性能，脫硫橡膠瀝青改性劑的摻入改善了瀝青的各項性能指標(biāo)，但摻量過大時，改善效果降低。針對瀝青A、B、C，脫硫橡膠瀝青改性劑摻量分別為20%、15%、15%時各項性能均能達到較優(yōu)。后續(xù)對最優(yōu)摻量下各脫硫橡膠改性瀝青高溫流變特性進行對比、分析。

傳統(tǒng)光配線網(wǎng)絡(luò)（Optical Distribution Network，ODN）網(wǎng)絡(luò)通常由光纜、光連接器、光分路器、光纖配線架以及安裝連接這些器件的配套設(shè)備組成[1]。隨著光纖的海量增長，對于這些沒有ID的海量“啞資源”建設(shè)管理問題越來越突出：網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和業(yè)務(wù)開通時間長、施工結(jié)果無校驗、資源管理效率低、光纖網(wǎng)絡(luò)維護無保障等[1]。

3 脫硫橡膠改性瀝青高溫流變性能分析

基于瀝青路面工作溫度及荷載頻率的不恒定，美國SHRP提出采用動態(tài)剪切流變儀評價瀝青結(jié)合料在不同溫度及荷載條件下黏彈性力學(xué)性質(zhì)。對最佳改性劑摻量下不同基質(zhì)瀝青脫硫橡膠改性瀝青進行DSR測試，試驗溫度分別為46 ℃、52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃。

3.1 復(fù)數(shù)模量G*

不同基質(zhì)及脫硫橡膠改性瀝青G*隨溫度的變化結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：不同基質(zhì)及改性瀝青復(fù)數(shù)模量隨溫度升高逐漸降低，最終趨于同一水平范圍。在相同溫度下，不同類型脫硫橡膠改性瀝青G*均顯著高于基質(zhì)瀝青，表明脫硫橡膠瀝青改性劑摻入并均勻分散于瀝青相中，改善了改性瀝青的勁度模量，增加了抗變形能力。對比不同脫硫橡膠改性瀝青G*，MA-A較其他兩種，表現(xiàn)出較好的抗變形能力，較大的脫硫橡膠瀝青改性劑摻量可能是其原因。

圖6 不同基質(zhì)及脫硫橡膠改性瀝青G*隨溫度的變化曲線

3.2 相位角δ

不同基質(zhì)及脫硫橡膠改性瀝青δ隨溫度的變化試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同基質(zhì)及脫硫橡膠改性瀝青δ隨溫度的變化曲線

由圖7可知：基質(zhì)瀝青及改性瀝青δ值隨溫度的升高而升高，脫硫橡膠改性瀝青的δ值顯著低于基質(zhì)瀝青，表現(xiàn)出較強的彈性能力，這是因為脫硫橡膠分子與瀝青中分子相互嵌擠、交叉形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)使改性瀝青體系的剛性提高，流動變形受阻，黏性成分減少。改性瀝青δ值隨溫度升高增幅略大于基質(zhì)瀝青，表明改性瀝青黏彈性轉(zhuǎn)化成分較多，性能不穩(wěn)定，這與脫硫橡膠具有的離析特性相一致。3種改性瀝青相比，MA-A的δ值較小，彈性性能較好，但溫度大于70 ℃時三者趨于一致。

3.3 車轍因子G*/sinδ

不同基質(zhì)及脫硫橡膠改性瀝青G*/sinδ隨溫度的變化測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同基質(zhì)及脫硫橡膠改性瀝青G*/sinδ隨溫度的變化曲線

由圖8可知：脫硫橡膠改性瀝青車轍因子顯著高于基質(zhì)瀝青，表明脫硫橡膠瀝青改性劑可提高瀝青的抗車轍性能。對比各改性瀝青車轍因子，MA-A較高，抗車轍性能較好，3種改性瀝青抗車轍因子大小排序為：MA-A>MA-C>MA-B，結(jié)合不同基質(zhì)瀝青抗車轍性能大小關(guān)系，雖不同基質(zhì)瀝青車轍因子差異較小，但不難發(fā)現(xiàn)改性瀝青車轍因子大小順序與其基質(zhì)瀝青一致，脫硫橡膠改性瀝青的抗車轍性能與其基質(zhì)瀝青性能相關(guān)。

4 結(jié)論

(2) 脫硫橡膠改性瀝青較普通橡膠改性瀝青存儲穩(wěn)定性改善、黏度降低，工作性能良好，可降低橡膠瀝青對施工條件的要求。

(3) 不同基質(zhì)瀝青中，脫硫橡膠瀝青改性劑對瀝青A改性效果較好，且脫硫橡膠瀝青改性劑的最佳摻量為20%，較其他基質(zhì)瀝青的脫硫橡膠瀝青改性劑最佳摻量(15%)大，可增加橡膠的再利用量。

(4) 相對于基質(zhì)瀝青，脫硫橡膠改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*和車轍因子G*/sinδ增大，相位角δ減小，表明脫硫橡膠的摻入提高了瀝青的高溫抗變形能力。

(5) 雖然脫硫橡膠瀝青改性劑對不同基質(zhì)瀝青改性效果有所差異，但對不同瀝青均具有較好的適應(yīng)性。