王海朋， 張 蓉， 張曉華， 蔣昊秋

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 611130；2.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心， 四川 成都 611130；3.四川省路面結(jié)構(gòu)材料及養(yǎng)護(hù)工程實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 611130)

0 引言

在瀝青路面中應(yīng)用廢舊橡膠，不但能夠降低筑路成本，減少廢舊“黑色”垃圾污染，而且鋪筑的瀝青路面具有良好的高低溫、抗疲勞和降噪等性能，且行車舒適，因此得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。然而，目前市面上橡膠粉類型各異，制備出的橡膠改性瀝青性能差異很大。最常見的橡膠粉有3大類，第1類是將廢舊輪胎粉碎制備而成，這種將達(dá)到一定目數(shù)的橡膠粉加入瀝青后攪拌發(fā)育即可使用的傳統(tǒng)方法稱為麥克唐納濕法，原料主要來源于小汽車輪胎、卡車輪胎、胎面、圈口，其膠粉目數(shù)[4]、制備工藝參數(shù)[5]等已存在大量研究。第2類為表面活化膠粉，是將廢舊輪胎粉碎加工得到的一定目數(shù)膠粉，采用活化劑對膠粉表面處理，增強(qiáng)其活性。目前，Memon、Shatanawi和陳戈等人[6-8]采用不同活化劑對橡膠粉進(jìn)行表面活化，分析了橡膠瀝青的性能。第3類為再生膠粉，也就是脫硫膠粉，是將廢舊輪胎粉碎的膠粉進(jìn)行脫硫處理，還原其硫化能力，加入瀝青中后再次硫化形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。目前就這3大類膠粉對瀝青性能的影響比較和其發(fā)生熱存儲后的性能變遷尚缺乏分析，因此，本文采用3種膠粉類型制備橡膠瀝青，分析其對瀝青性能的影響，為橡膠粉的選用提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1) 瀝青。采用70#瀝青制備橡膠瀝青，技術(shù)性質(zhì)如表1所示。

表1 70#瀝青的技術(shù)性質(zhì)類別針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm延度(15 ℃,5 cm/min)/cm軟化點(diǎn)TR&B/℃64 ℃原樣車轍因子/kPaRTFOT后延度(10 ℃,5 cm/min)/cm針入度比/%64 ℃車轍因子/kPa實(shí)測值63.6>10047.31.2990.963.32.81規(guī)范范圍60～80≥100≥46≥1.0≥15≥61≥2.2

2) 橡膠粉類型。對以下3種類型橡膠粉進(jìn)行研究:①采用卡車輪胎常溫粉碎法制備的40目傳統(tǒng)橡膠粉；②活化劑浸泡法制備的40目表面活化膠粉(以下采用HH表示)；③單螺桿擠出法制備的脫硫再生橡膠(以下采用ZS表示)。

1.2 試樣制備

將70#瀝青加熱到170 ℃，緩慢加入20%(內(nèi)摻)橡膠粉及0.1%(內(nèi)摻)穩(wěn)定劑，開始加入膠粉的同時(shí)開啟Fluk剪切機(jī)，進(jìn)行剪切。開始10 min以3 000 r/min速度剪切，后20 min以5 000 r/min速度剪切，剪切共持續(xù)30 min，整個(gè)剪切過程保持瀝青溫度為170 ℃。然后將剪切好的橡膠瀝青放入170 ℃的攪拌烘箱中進(jìn)行發(fā)育，發(fā)育過程中攪拌速度為600 r/min，發(fā)育時(shí)間為3 h。

本文在相同橡膠粉摻量(20%)下對橡膠瀝青性能進(jìn)行比較。在制備過程中發(fā)現(xiàn)，40目橡膠瀝青較為干稠，HH瀝青較為粘稠，ZS瀝青較稀。這表明橡膠瀝青采用ZS橡膠有很大的摻量增加空間，40目和HH橡膠摻量增加空間較小。

1.3 試驗(yàn)方案

首先，對3種20%橡膠粉摻量的橡膠瀝青軟化點(diǎn)、旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化前后5 ℃延度、旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化前后針入度、彈性恢復(fù)、發(fā)育1.5 h和發(fā)育3 h橡膠瀝青的135 ℃和180 ℃布氏黏度以及SHRP指標(biāo)[老化前后車轍因子、疲勞因子和彎曲蠕變勁度試驗(yàn)(BBR)指標(biāo)]進(jìn)行測試。

其次，對3種類型橡膠粉制備的橡膠瀝青性能隨熱存儲時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行研究。將制備好的1000 g橡膠瀝青放入160 ℃的烘箱中控溫，在第1、3、5、7 d分別對瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)、76 ℃車轍因子、76 ℃多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)、5℃測力延度、135 ℃布氏黏度、180 ℃布氏黏度試驗(yàn)，分析高低溫指標(biāo)、彈性和黏度隨熱存儲時(shí)間的變化規(guī)律。

最后，采用熒光顯微和電鏡掃描對3種剛剪切發(fā)育完的橡膠瀝青進(jìn)行微觀形貌分析。

1.4 試驗(yàn)方法

按照文獻(xiàn)[9]中“瀝青針入度試驗(yàn)(T0464—2011)”、“瀝青延度試驗(yàn)(T0465—2011)”、“瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)(環(huán)球法)(T0606—2011)”、“瀝青彈性恢復(fù)試驗(yàn)(T0662—2000)” 、“瀝青旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)(T0625—2011)”進(jìn)行橡膠瀝青基本指標(biāo)的測試。按照“瀝青流變性質(zhì)試驗(yàn)(動態(tài)剪切流變儀法)(T0628—2011)”、“瀝青彎曲蠕變勁度試驗(yàn)(彎曲梁流變儀法)(T0627—2011)”、“壓力老化容器加速瀝青老化試驗(yàn)(T0630—2011)”、“瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn) (T0610—2011)”、ASTM D6373“瀝青結(jié)合料PG分級的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜加熱老化前后橡膠瀝青的車轍因子試驗(yàn)和壓力老化后橡膠瀝青的疲勞因子及瀝青彎曲蠕變進(jìn)度試驗(yàn)。按照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)，按照文獻(xiàn)[11]進(jìn)行瀝青抗疲勞性能試驗(yàn)(線性振幅掃描LAS法)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 膠粉類型對瀝青性能指標(biāo)影響結(jié)果及分析

不同類型橡膠粉制備的橡膠瀝青各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)對比試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，40目橡膠制備的橡膠瀝青軟化點(diǎn)和車轍因子最高，高溫性能最優(yōu)，其次為表面活化膠粉HH制備的橡膠瀝青，脫硫膠粉ZS制備的橡膠瀝青軟化點(diǎn)和車轍因子最低；分析其原因，40目橡膠粉在1 mm夾板間距下發(fā)揮了較強(qiáng)的顆粒效應(yīng)，而HH表面活化作用降低了顆粒效應(yīng)，ZS改性瀝青基本消除了顆粒作用的影響。

表2 不同橡膠瀝青的技術(shù)性質(zhì)項(xiàng)目延度(5 ℃,5 cm/min)/cm延度力值(5 ℃,5 cm/min)/N針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm軟化點(diǎn)TR&B/℃170 ℃發(fā)育1.5 h170 ℃發(fā)育3 h135 ℃布氏黏度/(Pa·s)180 ℃布氏黏度/(Pa·s)135 ℃布氏黏度/(Pa·s)180 ℃布氏黏度/(Pa·s)彈性恢復(fù)/%車轍因子/kPa40目8.3128.634.271.323.7002.95520.9502.750822.141@88 ℃HH12.278.162.662.49.0751.4208.4001.360831.270@82 ℃ZS8.481.553.959.32.4900.4772.5800.500561.103@76 ℃RTFOT后老化后車轍因子/kPa延度(5 ℃,5 cm/min)/cm延度力值(5 ℃,5 cm/min)/N針入度比/%16 ℃疲勞因子/kPaLAS疲勞Nf (25 ℃,應(yīng)變10%)BBR(-18 ℃)S/MPamPG分級2.257@88 ℃7.15130.995.74 0005 2591470.309PG88-282.257@88 ℃7.15130.995.74 0005 2591470.309PG88-283.341@70 ℃6.2110.581.65 6103 1221970.289PG70-22

HH瀝青的低溫延度和-18 ℃下BBR試驗(yàn)得到的m值最高，延度力值和低溫勁度模量S最低，在低溫下表現(xiàn)出很好的低溫柔韌性;其次為40目橡膠瀝青，同摻量下，ZS橡膠瀝青的低溫性能最差。彈性恢復(fù)的結(jié)果也表現(xiàn)出了相同的規(guī)律。從旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)老化前后的延度對比和針入度比可以看出，40目橡膠瀝青和HH瀝青的耐老化性能相當(dāng)，均顯著優(yōu)于ZS瀝青。綜合LAS疲勞試驗(yàn)結(jié)果和16 ℃的疲勞因子，可以看出40目橡膠瀝青疲勞性能優(yōu)于HH瀝青，顯著優(yōu)于ZS瀝青。PG分級結(jié)果40目橡膠瀝青最優(yōu)。

在3種橡膠瀝青的發(fā)育過程中，分別取發(fā)育1.5 h和發(fā)育3 h的橡膠瀝青進(jìn)行布氏黏度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)40目橡膠瀝青的布氏黏度隨發(fā)育時(shí)間增長顯著降低，HH橡膠瀝青的布氏黏度隨發(fā)育時(shí)間增長略微降低，ZS橡膠瀝青的布氏黏度隨發(fā)育時(shí)間增長略有提高，這說明，ZS橡膠瀝青的加工性能最優(yōu)，易于穩(wěn)定。

分析產(chǎn)生以上試驗(yàn)結(jié)果的原因，40目橡膠粉加入瀝青后的剪切過程中只有表面輕微降解，在發(fā)育過程中橡膠粉從表面到內(nèi)部持續(xù)降解，因此布氏黏度降低；當(dāng)制備成橡膠瀝青后，具有顯著的顆粒效應(yīng)，因此其高溫車轍因子較高、彈性高、布氏黏度高；低溫試驗(yàn)時(shí)其又具有較好的柔韌性，顆粒吸收了瀝青的輕質(zhì)組分，加之顆粒沒有較大的被短期老化表面，因此耐老化性能好。HH橡膠瀝青具有比40目橡膠瀝青更顯著的優(yōu)勢，主要原因在于橡膠粉表面進(jìn)行了活化處理，橡膠粉與瀝青有更好的交融作用；在發(fā)育時(shí)，因其表面相當(dāng)于已事先降解，HH橡膠瀝青相對于40目膠粉布氏黏度更容易穩(wěn)定，發(fā)育時(shí)間更短；因?yàn)榻?jīng)過表面活化處理，繼承了40目橡膠粉的顆粒狀彈性，加之與瀝青交融效果好，HH橡膠瀝青同時(shí)具有更好的低溫性能和彈性。ZS橡膠是脫硫橡膠，內(nèi)部的硫鍵已打開，很容易分散到瀝青中，在發(fā)育過程中容易發(fā)育完全，發(fā)育過程中的再次交聯(lián)和老化作用使得后期布氏黏度升高；ZS瀝青在剪切和發(fā)育過程中再次硫化交聯(lián)，相對70#瀝青，顯著改善了瀝青的性能；但是ZS橡膠失去了40目橡膠粉的顆粒特性，在制成橡膠瀝青后，沒有顯著的顆粒彈性作用，因此，同摻量下表現(xiàn)出彈性恢復(fù)、軟化點(diǎn)和黏度等性能指標(biāo)不及40目橡膠瀝青和HH瀝青。

2.2 膠粉類型對橡膠瀝青性能穩(wěn)定性的影響結(jié)果及分析

膠粉類型對橡膠瀝青性能穩(wěn)定性的影響結(jié)果如圖1所示。從圖1a和圖1b可以看出，135 ℃下3種橡膠瀝青的布氏黏度隨熱存儲時(shí)間的變化規(guī)律與180 ℃基本一致，存儲1 d后40目橡膠瀝青的布氏黏度急劇降低后逐漸升高；HH瀝青的布氏黏度隨熱存儲時(shí)間略微降低后升高，熱存儲3 d后布氏黏度和40目橡膠瀝青的布氏黏度基本持平；ZS瀝青的布氏黏度隨熱存儲時(shí)間略微提高。這是因?yàn)?0目橡膠粉在熱存儲前期發(fā)生了表面降解，所以黏度急劇降低，當(dāng)降解到與表面活化膠粉一致時(shí)，降解開始變得困難。瀝青的老化伴隨熱存儲的整個(gè)過程，當(dāng)降解困難時(shí)，老化變成主導(dǎo)，所以在后期橡膠瀝青的黏度升高。HH橡膠事先已進(jìn)行表面活化處理，所以在熱存儲初期，發(fā)生小幅度降解后，降解困難，老化變成主導(dǎo)，黏度開始提升。脫硫橡膠ZS的硫鍵已經(jīng)打開，加到瀝青中后發(fā)生的降解反應(yīng)較小，主要以橡膠的再次交聯(lián)為主，在剪切和發(fā)育階段基本可以完成，熱存儲階段黏度略微提高是由老化引起的。

從圖1c和圖1d可以看出3種橡膠瀝青的軟化點(diǎn)和車轍因子變化規(guī)律相近。40目橡膠瀝青、HH瀝青的軟化點(diǎn)和車轍因子隨熱存儲時(shí)間先減小后增大。熱存儲時(shí)間范圍內(nèi)40目橡膠瀝青的軟化點(diǎn)變化幅度為6.5℃，車轍因子變化幅度為2.994kPa；HH瀝青的軟化點(diǎn)變化幅度達(dá)到7.3℃，車轍因子變化幅度為1.736kPa；ZS瀝青的軟化點(diǎn)變化幅度僅為2.5℃，車轍因子變化幅度為0.826kPa，ZS瀝青的軟化點(diǎn)和車轍因子在熱存儲前期變化不明顯，后期顯著增大。

從圖1e和圖1f中76℃多應(yīng)力重復(fù)蠕變(MSCR)試驗(yàn)得到的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr可以看出，3種橡膠瀝青的Jnr0.1和Jnr3.2隨熱存儲時(shí)間變化規(guī)律一致，在76℃下，ZS瀝青的Jnr較高，40目橡膠瀝青和HH瀝青的Jnr保持較低水平，抗高溫變形能力更好。ZS瀝青的Jnr隨熱存儲時(shí)間先保持不變后急劇減小，40目橡膠瀝青和HH瀝青的Jnr先增大后減小，這些規(guī)律和軟化點(diǎn)、車轍因子得出的耐高溫性能變化規(guī)律幾乎一致。

從圖1g和圖1h中恢復(fù)率R可以看出，在熱存儲過程中，ZS瀝青由于老化的影響，恢復(fù)率R持續(xù)增大；40目橡膠瀝青和HH瀝青的恢復(fù)率R先減小后增大。這說明40目橡膠瀝青和HH瀝青在熱存儲過程中，性能變化前期由膠粉降解主導(dǎo)，當(dāng)降解困難時(shí)，后期由老化主導(dǎo)。ZS瀝青在整個(gè)過程中性能變化由老化主導(dǎo)。

從圖1i和圖1j可以看出，40目橡膠粉的5 ℃延度在前3 d逐漸增大，隨后逐漸變小，曲線過渡較為圓滑，主要是由于40目橡膠粉的降解期較長導(dǎo)致，40目橡膠瀝青的延度力值與熱存儲時(shí)間的變化規(guī)律和延度相反，表現(xiàn)了相同的低溫性能變化規(guī)律。HH膠粉的延度在增大1 d后開始降低， HH瀝青的延度力值隨熱存儲時(shí)間的變化與延度相反，也表現(xiàn)出了相同的低溫性能變化規(guī)律。ZS膠粉的降解較小，以老化為主導(dǎo)，延度對ZS瀝青的老化比較敏感，因此延度持續(xù)降低。延度力值變化幅度較小，隨熱存儲時(shí)間的變化呈現(xiàn)微小波動性，性能相對比較穩(wěn)定。

圖1 橡膠瀝青指標(biāo)隨存儲時(shí)間的變化曲線

續(xù)圖1 橡膠瀝青指標(biāo)隨存儲時(shí)間的變化曲線

2.3 膠粉類型對橡膠瀝青微觀形貌影響

采用熒光顯微鏡(20倍目鏡)對制備的3種剪切、發(fā)育3 h制備完成的橡膠瀝青進(jìn)行觀察，微觀形貌如圖2所示?？梢钥吹?，40目橡膠瀝青中顆粒狀較為明顯，顆粒遮擋了瀝青，40目橡膠粉沒有很好地與瀝青交溶；HH瀝青中有大塊熒光斑點(diǎn)，HH橡膠粉沒有溶解分散到瀝青中，而是以顆粒本身形態(tài)分散于瀝青中，但是膠粉與瀝青之間的交溶明顯好于40目橡膠瀝青；ZS橡膠瀝青中的橡膠微粒均勻地分散到瀝青中，發(fā)出均勻細(xì)小的熒光，相對來說橡膠的顆粒性分布已消失。

a) 40目

b) HHc) ZS

圖2 橡膠瀝青熒光顯微微觀形貌

同時(shí)，采用200倍掃描電鏡(SEM)對3種剪切、發(fā)育3 h制備完成的橡膠瀝青進(jìn)行觀察，微觀形貌如圖3所示?？梢钥闯觯?00倍放大倍數(shù)下，40目橡膠瀝青中有大量的橡膠顆粒，橡膠粉與瀝青相對獨(dú)立，裸露出相對粗糙的表面。而HH橡膠瀝青中，雖然同樣具備大顆粒的構(gòu)造，但是瀝青表面相對光滑，說明橡膠粉與瀝青的交溶好，表面被光滑的瀝青覆蓋；ZS橡膠瀝青的微觀形貌未見較大顆粒，橡膠粉在瀝青中均勻分布共同組成兩相體，并從形貌上可以看出，橡膠形成了一定結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)體系。

a) 40目

b) HHc) ZS

圖3 橡膠瀝青電鏡掃描微觀形貌

3 結(jié)語

1)在20%橡膠粉摻量下，40目橡膠瀝青的高溫性能和疲勞性能最優(yōu)，HH瀝青的低溫性能和彈性最優(yōu)，ZS瀝青的性能最弱，但ZS瀝青加工過程中性能易于穩(wěn)定，加工性能好。

2) 40目橡膠瀝青的布氏黏度隨熱存儲時(shí)間變化先急劇降低后逐漸升高。HH瀝青的布氏黏度隨熱存儲時(shí)間略微降低后升高，與40目橡膠瀝青的布氏黏度基本持平。ZS瀝青的布氏黏度隨熱存儲時(shí)間稍微提高。

3)ZS瀝青的熱存儲穩(wěn)定性最優(yōu)，其次為HH瀝青，40目橡膠瀝青在熱存儲初期性能衰減很大。3種橡膠瀝青的熱存儲性能變化規(guī)律是橡膠在瀝青中降解和橡膠瀝青老化綜合作用的結(jié)果。

4)微觀形貌圖像表明，40目橡膠粉制備成橡膠瀝青后，具有顯著的顆粒效應(yīng)，橡膠與瀝青交溶效果不佳，橡膠瀝青表面粗糙。表面活化膠粉與瀝青有更好的交溶作用，雖具有顆粒性，但橡膠瀝青表面較為光滑。脫硫橡膠在瀝青中分散均勻，顆粒性消失。