孫 金，馮小青，黃佳梅

(1.海南省公路勘察設(shè)計(jì)院，海南?？?570206;2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南鄭州 450052;3.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司海南分公司，海南海口 570125)

0 引言

近年來隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，中國汽車保有量逐年增多，其產(chǎn)生的大量廢舊輪胎引起了嚴(yán)重的環(huán)境污染及防火安全等問題［1-2］。將輪胎加工為橡膠粉摻入瀝青進(jìn)行改性，是實(shí)現(xiàn)廢舊輪胎再利用的有效措施，研究表明:使用橡膠瀝青鋪筑路面能改善其高低溫性能及抗疲勞性能，且兼有降噪、防濕滑和碎冰雪等功能［3-12］。然而近年來的研究發(fā)現(xiàn)，橡膠顆粒分子量大，與瀝青的相互作用機(jī)理以物理溶脹為主，橡膠顆粒在瀝青中很難分散均勻并形成相互交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［13-14］，這容易導(dǎo)致瀝青在儲(chǔ)存過程中產(chǎn)生離析等問題，從而使其應(yīng)用受限［15-17］。

為解決上述問題，Ng Puga等使用聚辛烯對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)它能與橡膠顆粒中的硫發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)橡膠瀝青高溫及抗離析等性能均得到改善，但該反應(yīng)會(huì)造成橡膠顆粒過分脫硫柔化，使彈性成分減少，瀝青低溫性能降低［18］。另有研究認(rèn)為將硫磺加入橡膠瀝青能控制其脫硫反應(yīng)，因此可嘗試采用聚辛烯與硫磺復(fù)合改性提高橡膠瀝青的技術(shù)性能，故本文制備不同類型復(fù)合改性橡膠瀝青，研究聚辛烯和硫磺摻量對(duì)其高溫性能、存儲(chǔ)穩(wěn)定性和彈性恢復(fù)能力等的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

(1)瀝青。采用殼牌70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 殼牌70#基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

(2)橡膠粉、聚辛烯和硫磺。橡膠粉采用常溫研磨法生產(chǎn)的40目橡膠粉;聚辛烯采用德國產(chǎn)Vestenamer，外觀為半透明白色顆粒;硫磺采用殼牌公司生產(chǎn)的SEAM，外觀為煙灰黑色固體顆粒。三者主要技術(shù)指標(biāo)分別如表2～4所示。

表2 橡膠粉主要技術(shù)指標(biāo)

表3 聚辛烯主要技術(shù)指標(biāo)

表4 硫磺主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)

按表5配方制備不同類型改性瀝青，然后對(duì)其高低溫性能、存儲(chǔ)穩(wěn)定性和彈性恢復(fù)能力進(jìn)行試驗(yàn)研究。橡膠瀝青的制備工藝為，將基質(zhì)瀝青加熱至175℃±5℃，然后加入橡膠粉，使用高速剪切機(jī)以5 000 r·min－1轉(zhuǎn)速剪切60 min。復(fù)合改性橡膠瀝青則是將聚辛烯與硫磺復(fù)合物或單體加入至加熱到175℃±5℃的橡膠瀝青后，使用高速剪切機(jī)以1 000 r·min－1轉(zhuǎn)速剪切 60 min 制得。

表5 試驗(yàn)用改性瀝青配方

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高溫性能

目前，國內(nèi)常采用針入度和軟化點(diǎn)等作為瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但橡膠瀝青為“海島結(jié)構(gòu)”，針入度測(cè)試結(jié)果受瀝青中橡膠顆?？臻g分布位置影響較大［19］，而軟化點(diǎn)本質(zhì)為等黏溫度，不直接反應(yīng)瀝青的流變特性，故本文采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)聚辛烯與硫磺復(fù)合改性橡膠瀝青的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)模式下的高溫性能

根據(jù)Superpave規(guī)范對(duì)A～H共8種瀝青進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)模式下的DSR試驗(yàn)(控制應(yīng)力τ為0.12 kPa，角速度ω為10 rad·s－1)，試驗(yàn)溫度為64℃，測(cè)得的車轍因子(G*/sinδ)如圖1所示。

由圖1可知以下幾點(diǎn)。

(1)硫磺能改善橡膠瀝青的高溫性能，但效果不明顯。對(duì)比A和H兩種瀝青的車轍因子發(fā)現(xiàn)，在橡膠瀝青中添加0.5%硫磺后，其車轍因子增加2.1%。

圖1 8種類型改性瀝青的車轍因子試驗(yàn)結(jié)果

(2)使用聚辛烯與硫磺對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行復(fù)合改性提高其高溫性能，且隨兩者摻量的增大效果逐漸變好，高溫性能對(duì)硫磺摻量有較強(qiáng)的敏感性。硫磺摻量為0.1%(或0.5%)時(shí)，B、C、D(或 E、F、G)三種瀝青的車轍因子均隨聚辛烯摻量的增大逐漸增加，且2種硫磺摻量下3種瀝青車轍因子平均值較橡膠瀝青分別提高了24.6%和87.3%。分析原因在于，聚辛烯環(huán)型分子結(jié)構(gòu)含有雙鍵，能與橡膠顆粒中的硫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而隨著其摻量的增加，分散于瀝青中的橡膠顆粒逐漸由聚辛烯相互搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故高溫抗變形性能增強(qiáng)。同時(shí)，硫磺能抑制橡膠顆粒脫硫柔化，使其充分吸收瀝青中的輕質(zhì)組分發(fā)生溶脹，因而隨著其摻量的增加，瀝青黏稠度提高。

2.1.2 高溫性能的溫度敏感性

為評(píng)價(jià)聚辛烯與硫磺復(fù)合改性橡膠瀝青高溫性能的溫度敏感性，分別對(duì)A～H共8種瀝青進(jìn)行58℃、64℃、70℃、76℃和82℃條件下的DSR試驗(yàn)，測(cè)得的車轍因子G*/sinδ如圖2所示。

圖2 不同溫度下8種類型改性瀝青的車轍因子試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知以下幾點(diǎn)。

(1)不同溫度下使用聚辛烯和硫磺復(fù)合改性橡膠瀝青均能使其車轍因子得到提高，且提高程度隨兩者摻量的增加愈發(fā)明顯，這與前文所述64℃條件下的DSR試驗(yàn)結(jié)果一致。

(2)聚辛烯和硫磺復(fù)合改性橡膠瀝青的高溫性能有較強(qiáng)的溫度敏感性，尤其硫磺摻量提高時(shí)表現(xiàn)更加明顯。在橡膠瀝青中添加聚辛烯和硫磺后，溫度增加時(shí)車轍因子的下降速度明顯加快，尤其硫磺摻量為0.5%時(shí)表現(xiàn)更為明顯，溫度為82℃時(shí)幾種瀝青車轍因子的差距已較小。

2.1.3 高溫性能的應(yīng)力敏感性

DSR試驗(yàn)可采用控制應(yīng)力和控制應(yīng)變2種加載方式，其中加載應(yīng)力的大小可簡單模擬車輛荷載的變化。因此，本文采用控制應(yīng)力加載方式，分別對(duì)A～H共8種瀝青進(jìn)行剪應(yīng)力為0.03、0.12、0.48、1.92 kPa條件下的DSR試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為64℃，測(cè)得的車轍因子(G*/sinδ)如圖3所示。

圖3 不同剪切應(yīng)力下8種改性瀝青的車轍因子試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知以下幾點(diǎn)。

(1)隨著剪切應(yīng)力的增加，8種瀝青的車轍因子均呈下降趨勢(shì)，且應(yīng)力增加初期下降速率較快。剪切應(yīng)力由0.03 kPa增加至0.12 kPa時(shí)，8種瀝青車轍因子的平均值下降3.4%，而應(yīng)力由0.48 kPa增加至1.92 kPa時(shí)僅下降1.4%。

(2)橡膠瀝青高溫性能有較強(qiáng)的應(yīng)力敏感性，加入硫磺后有一定程度改善，再加入聚辛烯后改善效果明顯提高。應(yīng)力由0.03 kPa增加至1.92 kPa時(shí)，橡膠瀝青A的車轍因子下降22.2%，硫磺改性橡膠瀝青H的車轍因子下降12.9%;而對(duì)于聚辛烯與硫磺復(fù)合改性橡膠瀝青，硫磺摻量為0.1%和0.5%時(shí)，B、C、D和E、F、G瀝青車轍因子平均值分別僅下降3.7%和4.1%。顯然使用聚辛烯與硫磺復(fù)合改性橡膠瀝青能有效改善其在重載交通條件下的高溫性能。

2.2 低溫性能

為評(píng)價(jià)聚辛烯與硫磺復(fù)合改性橡膠瀝青的低溫性能，本文使用彎曲梁流變儀(BBR)對(duì)A～H共8種瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為－18℃，測(cè)量時(shí)間為60 s時(shí)的蠕變勁度和蠕變速率，如圖4、5所示。

圖4 8種瀝青低溫蠕變勁度試驗(yàn)結(jié)果

圖5 8種瀝青低溫蠕變速率試驗(yàn)結(jié)果

由圖4、5可知以下幾點(diǎn)。

(1)在橡膠瀝青中摻入硫磺對(duì)其低溫性能不利。對(duì)比A和H兩種瀝青發(fā)現(xiàn):其蠕變勁度提高16.3%，表明低溫下瀝青脆性特征增強(qiáng);而蠕變速率降低25.9%，表明瀝青應(yīng)力松弛能力減弱，低溫下容易產(chǎn)生開裂。這是由于硫磺的摻入抑制了橡膠顆粒的脫硫反應(yīng)，這一方面使橡膠中的活性成分難以進(jìn)入瀝青，另一方面橡膠顆粒自身的剛度也增大，試驗(yàn)過程容易引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，因而容易開裂［7］。

(2)硫磺摻量為0.1%時(shí)，其與聚辛烯復(fù)合改性橡膠瀝青的低溫性能得到改善。將B、C、D和A瀝青分別對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3種復(fù)合改性瀝青的蠕變勁度平均值下降9.4%，而蠕變速率平均值升高18.5%。這是因?yàn)?，聚辛烯與硫磺能使瀝青中橡膠顆粒間形成相互交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且橡膠顆粒抗拉伸變形能力較好，因而低溫在瀝青中能起到良好的加筋作用，不易開裂，而硫磺摻量提高到0.5%時(shí)，由于其對(duì)低溫性能影響較大，故聚辛烯復(fù)合改性橡膠瀝青的低溫性能有所下降。

2.3 存儲(chǔ)穩(wěn)定性

為評(píng)價(jià)聚辛烯與硫磺復(fù)合改性橡膠瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性，分別將A～H共8種瀝青加熱澆入鋁制盛樣管并放入(163±5)℃烘箱中存儲(chǔ)48 h，然后移入冷柜存儲(chǔ)4 h使瀝青凝固，取出后用剪刀將其均勻剪斷為3節(jié)，取上下2節(jié)瀝青試樣進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)，計(jì)算兩者軟化點(diǎn)之差，評(píng)價(jià)其存儲(chǔ)穩(wěn)定性，結(jié)果如圖6所示。

圖6 8種瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知以下幾點(diǎn)。

(1)對(duì)比A和H兩種瀝青發(fā)現(xiàn)，在橡膠瀝青中加入0.5%硫磺后其軟化點(diǎn)差值僅為0.1℃，表明硫磺對(duì)其存儲(chǔ)穩(wěn)定性無影響。

(2)使用聚辛烯與硫磺對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行復(fù)合改性能使其存儲(chǔ)穩(wěn)定性得到明顯改善，且改善效果隨硫磺摻量的增加而變好，隨聚辛烯摻量的增加先變好后基本不變。硫磺摻量為0.1%時(shí)，B、C、D三種瀝青的軟化點(diǎn)差較A分別下降23.3%、46.5%和45.3%;而硫磺摻量提高到0.5%時(shí)，E、F、G三種瀝青的軟化點(diǎn)差則較A分別下降34.9%、52.3%和52.3%。

2.4 彈性恢復(fù)

彈性恢復(fù)能力是瀝青的重要指標(biāo)之一，它對(duì)瀝青路面的抗疲勞和抗反射裂縫能力有重要影響。為此本文對(duì)A～H共8種瀝青進(jìn)行25℃彈性恢復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知以下幾點(diǎn)。

(1)對(duì)比A和H兩種瀝青發(fā)現(xiàn)，在橡膠瀝青中加入0.5%硫磺后其彈性恢復(fù)僅相差1%，表明硫磺對(duì)其彈性恢復(fù)基本無影響。

圖7 8種瀝青的彈性恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果

(2)使用聚辛烯與硫磺對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行復(fù)合改性能提高其彈性恢復(fù)能力，且提高程度隨兩者摻量的增加而增加。硫磺摻量為0.1%，B、C、D三種瀝青彈性恢復(fù)分別較A提高4.0%、7.0%和9.0%;而硫磺摻量為0.5%時(shí)，E、F、G三種瀝青則分別較A提高6.0%、10.0%和12.0%。分析其原因:一方面聚辛烯的加入使橡膠顆粒間形成有效網(wǎng)狀黏結(jié)，抗變形能力增強(qiáng);另一方面硫磺的加入在一定程度上抑制了橡膠顆粒的脫硫溶解，保存的橡膠顆粒增強(qiáng)了瀝青的彈性性能。

3 結(jié)語

(1)硫磺能略微提高橡膠瀝青的高溫性能，而與聚辛烯復(fù)合改性時(shí)則使高溫性能明顯改善，且改善效果隨兩者摻量的提高而變好，對(duì)硫磺摻量的變化也較敏感;使用聚辛烯與硫磺復(fù)合改性時(shí)橡膠瀝青高溫性能的應(yīng)力敏感性降低，但溫度敏感性增強(qiáng)。

(2)硫磺對(duì)橡膠瀝青的低溫性能不利，但其摻量為0.1%，且與聚辛烯復(fù)合改性時(shí)能使其低溫性能得到改善;硫磺對(duì)橡膠瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性和彈性恢復(fù)能力無影響，而與聚辛烯復(fù)合改性時(shí)能使上述兩項(xiàng)性能明顯改善，其中存儲(chǔ)穩(wěn)定性隨硫磺摻量的增加而變好，隨聚辛烯摻量的增加先變好后基本不變，彈性恢復(fù)能力則隨兩者摻量的增加而增加。

(3)建議使用1.5%的聚辛烯和0.1%硫磺制備復(fù)合改性橡膠瀝青，此時(shí)其高溫性能、低溫性能、存儲(chǔ)穩(wěn)定性和彈性恢復(fù)能力均能得到不同程度改善。

(4)本文僅對(duì)聚辛烯與硫磺復(fù)合改性橡膠瀝青的性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，對(duì)混合料使用效果的研究尚未涉及，未來應(yīng)結(jié)合混合料試驗(yàn)對(duì)本文研究成果進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。

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