李士才

(中鐵十六局集團第一工程有限公司 北京 101300)

1 引言

甜永高速公路是銀百高速公路(G69)的一部分，其主要采用半剛性基層結構路面，半剛性基層瀝青路面雖具有較高的承載能力和較大剛度，但在其運營期間容易發(fā)生反射裂縫等問題，因此采用加鋪橡膠瀝青應力吸收層來避免出現(xiàn)大面積的反射裂縫，以提升道路行車的穩(wěn)定性。在鋪設過程中發(fā)現(xiàn)，橡膠瀝青的粘度高，膠粉表面活性低，不易與瀝青發(fā)生反應，而且膠粉與瀝青混溶時溫度需達到200℃，極易造成瀝青的老化，同時橡膠瀝青在高溫下難以存儲，易離析，阻礙了橡膠瀝青在路面工程中大范圍的應用。因此，急需一種穩(wěn)定高效的橡膠瀝青制備方法來提高瀝青與膠粉的相容性。

相關研究表明，提高橡膠瀝青性能，改善瀝青與膠粉相容性的關鍵是將膠粉進行活化處理。Shatanawi等經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)熱水處理膠粉后，膠粉與瀝青的相容性有所提高，但對其力學性能基本無影響[1]。尤鳳兵等采用低溫等離子體對膠粉進行活化處理，發(fā)現(xiàn)低溫等離子體可以促進共混，并且活化后高低溫性能均有不同程度的改善[2]。王夏等發(fā)現(xiàn)采用汽油對膠粉進行活化后，能夠顯著提高橡膠瀝青的低溫抗裂性[3]。Cheng等將相容劑與膠粉首先進行預處理，再采用雙螺桿擠出方式進行制備橡膠瀝青，發(fā)現(xiàn)能夠顯著提高其存儲穩(wěn)定性[4]。目前，膠粉活化方式按照其改性機理可以分為物理法、化學法和力學法[5]，所以必須考慮到活化方式的成本問題。在橡膠瀝青的推廣應用中，有必要提出更加高效、廉價的活化改性方式，并改善橡膠瀝青的穩(wěn)定性和路用性能。

本文按照現(xiàn)有的拌和參數(shù)，擬采用3種不同比例的H2O2溶液對膠粉進行活化，研究溶液比例對活化后膠粉改性瀝青的表面形貌、粘度、粘彈性和抗變形能力的影響，確定合理的膠粉活化參數(shù)，以期提高活化橡膠瀝青的路用性能。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

2.1.1 基質瀝青

基質瀝青選用韓國SK＃，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[6]檢測，指標見表1。

表1 SK90＃A級瀝青技術指標

2.1.2 膠粉

采用40目膠粉，其產(chǎn)地為酒泉榮泰橡膠制品有限公司，按照《橡膠瀝青及混合料設計施工技術指南》[7]要求對膠粉技術指標進行測試，技術指標結果見表2。

表2 橡膠粉的物理及化學技術指標

2.2 試驗方法

2.2.1 廢輪胎膠粉的活化

有相關研究表明，采用過氧化氫(H2O2)溶液處理廢輪胎膠粉時，會在膠粉表面生成一些能夠增加膠粉和瀝青界面結合強度的含氧官能團，這些官能團會使得橡膠瀝青的性能發(fā)生變化[8]，本研究所采用的過氧化氫(H2O2)溶液質量分數(shù)為30%，按照不同質量比對廢胎膠粉進行活化。

將干燥潔凈的膠粉與H2O2溶液按照質量比進行混合，在常溫下充分反應24 h，最后將活化后的膠粉置于80℃的烘箱中進行干燥，直至重量不再發(fā)生變化，膠粉與H2O2溶液質量比如表3所示。

表3 H2O2溶液與膠粉質量比

2.2.2 活化廢舊膠粉改性瀝青的制備

加熱基質瀝青，取500 g放入燒杯中備用。整個制備過程中采用DF-101S恒溫油浴鍋進行控溫，首先將裝有瀝青樣品的燒杯放入190℃的油浴鍋進行快速升溫，當溫度達到140℃時，在攪拌的同時加入活化膠粉100 g，而后提高攪拌速率直至達到1 500 r/min，保持此反應條件60 min，即制得活化橡膠瀝青。

2.2.3 橡膠瀝青老化

根據(jù)規(guī)范要求的方法，對試樣進行短期老化。

2.2.4 橡膠瀝青流變試驗

(1)布氏旋轉粘度

按照規(guī)范要求，使用Brookfield DV-2T旋轉粘度計測試試樣。

(2)動態(tài)剪切流變(DSR)

采用AR1500EX動態(tài)剪切流變儀對不同膠粉含量的改性瀝青進行多重應力蠕變實驗和溫度掃描(MSCR)。

3 試驗結果與分析

3.1 活化對膠粉顆粒的影響

采用H2O2溶液處理廢輪胎膠粉，活化反應完成后，將其烘干，分別隨機取出活化前后的膠粉顆粒樣品，通過SEM進行觀察，膠粉顆粒的表面形貌直接影響膠粉與瀝青的融合效果，表面形貌如圖1、圖2所示。

圖1 活化前膠粉顆粒形貌

圖2 活化后膠粉顆粒形貌

明顯可以看出，活化前膠粉顆粒表面非常平整，顆粒間相互獨立，接觸面相對較少，這種分布方式極大地限制了膠粉在瀝青中的均勻分散。活化后膠粉顆粒表面變得疏松多孔，各膠粉顆粒表面互相交聯(lián)接觸，接觸面積顯著增大，這種結構在剪切攪拌作用下能夠使活化膠粉顆粒很容易在瀝青中均勻分散，從而提高瀝青與膠粉的相容性。

3.2 不同溶液比例對瀝青粘度的影響

將制備的3種活化橡膠瀝青和1種普通橡膠瀝青分別進行短期老化，用以模擬橡膠瀝青在生產(chǎn)、運輸和攤鋪過程中的老化現(xiàn)象。采用布氏粘度儀分別測試普通橡膠瀝青和活化橡膠瀝青的原樣和短期老化的粘度，試驗結果如圖3所示。

圖3 橡膠瀝青老化前后粘度的影響

通過對試驗數(shù)據(jù)進行分析可知，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過活化后，橡膠瀝青的粘度降幅能夠達到60%以上，并且其粘度隨著溶液含量的增加逐漸降低，但在溶液比例為0.5和1時粘度變化較小，當溶液比例達到1.5時，活化橡膠瀝青粘度降低到原來的4.5%，粘度過低，不建議采用。其次兩類瀝青在經(jīng)過短期老化后粘度產(chǎn)生了不同的變化趨勢，普通橡膠瀝青老化后粘度降低，而活化后橡膠瀝青在經(jīng)過短期老化后粘度有不同程度的提高。造成上述現(xiàn)象的原因是，普通的橡膠瀝青在老化過程中同時存在瀝青輕質組分的揮發(fā)和膠粉顆粒的繼續(xù)溶脹兩種現(xiàn)象，老化初期膠粉顆粒的繼續(xù)溶脹反應高于瀝青輕質組分的揮發(fā)，兩種反應對橡膠瀝青粘度的綜合作用使得短期老化后普通橡膠瀝青粘度減小[9]；而H2O2活化膠粉粘度增加是因為活化后膠粉表面呈膨松狀形成細小絮狀結構，接觸面增加，能夠在橡膠瀝青制備階段就充分溶脹降解，幾乎不會發(fā)生繼續(xù)溶脹反應，因此在進行短期老化作用過程中，主要是輕質組分的揮發(fā)，這就造成短期老化后橡膠瀝青的粘度增大。

3.3 不同溶液比例對瀝青抗車轍能力的影響

相位角的大小代表著瀝青中粘彈組分所占的比例，其值越大，瀝青粘性越大，反之彈性越大，粘性越小[10－11]。因此采用相位角來比較不同活化程度的橡膠瀝青的粘彈性變化，試驗數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 不同溶液比例下橡膠瀝青相位角

由圖4可知，老化前和老化后的四種試樣相位角均在45°～90°之間，說明試樣更多地表現(xiàn)為粘性體，隨著溫度的增加瀝青結合料的相位角逐漸增大，彈性減小粘度增大。隨著溶液比例的增加，相位角達到最大值，當溶液比例為1.0時，相位角又減小，溶液比例再次增加時，相位角再次增加，但仍小于溶液比例為0.5時的相位角。

常用車轍因子(G*/sinδ)來評價瀝青膠結料的高溫抗車轍性能[12－13]，其值越大，就認為其高溫抗車轍能力越好，對老化前后8種橡膠瀝青瀝青采用剪切流變試驗測得數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 不同溶液比例下橡膠瀝青車轍因子

由圖5得到，未老化的橡膠瀝青隨著溶液比例的增加，橡膠瀝青的車轍因子逐漸降低，且隨著比例的增加，降低幅度相差不大，活化后橡膠瀝青的高溫抗車轍能力逐漸降低，老化后車轍因子變化規(guī)律也類似。此外，老化前后的橡膠瀝青車轍因子在同一溫度下的差值隨著溫度的增加而降低，說明溫度越高，由短期老化引起的橡膠瀝青高溫抗車轍能力的變化越小。

3.4 不同溶液比例對瀝青抗變形能力的影響

為了模擬行車荷載作用下橡膠瀝青路用性能的變化規(guī)律，本研究采用多重應力蠕變試驗，分別對4種不同比例溶液的橡膠瀝青施加3.2 kPa和0.1 kPa的應力，得到了不同比例溶液活化橡膠瀝青的平均應變恢復率和不可恢復蠕變柔量，如圖6、圖7所示。

圖6 不同溶液比例的橡膠瀝青平均應變恢復率

圖7 不同溶液比例的橡膠瀝青不可恢復蠕變柔量

當應力水平為3.2 kPa時，隨著H2O2溶液比例的增加，橡膠瀝青的平均應變恢復率逐漸減小，在應力水平為0.1 kPa時，平均應變恢復率有著相似的規(guī)律。其中在應力水平為3.2 kPa下，H2O2溶液比例從0.5增加到1.0時，橡膠瀝青的平均應變恢復率變化不大。此外，在不同的行車應力作用下，平均應變恢復率減小幅度隨H2O2溶液的比例的增加而增大，抗變性能力越小，恢復的彈性變形占總變形的比例越小。綜合來看，當活化橡膠瀝青時溶液比例為0.5時，活化后橡膠瀝青具有較好的恢復率，其高溫彈性相對較高，彈性恢復變形占比較大。

由圖7可知，不可恢復柔量與恢復率所表示的高溫彈性和抗變形能力基本一致。經(jīng)活化后，不可恢復柔量均表現(xiàn)為增加。在不同應力水平下，隨著溶液比例的增加，其不可恢復蠕變柔量也隨之增加，說明活化橡膠瀝青恢復程度隨之減小，瀝青永久變形累積增加。此外，在不同應力水平下，H2O2溶液比例越大，活化后橡膠瀝青的不可恢復蠕變柔量增幅越顯著。綜合來看，當活化橡膠瀝青時溶液比例為0.5時，具有較高的抗永久變形能力。

4 效益分析

通過全文的比較分析，發(fā)現(xiàn)溶液比例最佳為0.5，將活化后的橡膠瀝青應用在甜永高速公路上后，對其成本、粘度、相容性、路用性能和施工難度進行比較評價，其結果如圖8所示。

圖8 活化前后橡膠瀝青對比

相比傳統(tǒng)橡膠瀝青，活化提升了膠粉與瀝青的相容性，活化后橡膠瀝青能夠極大程度地降低瀝青粘度，減小施工難度與能源的消耗。此外在成本上只增加了改性劑的費用，大約增加150～200元/t，從長遠的經(jīng)濟效益來看，活化后橡膠瀝青提高了其路用性能，與普通橡膠瀝青相比，具有較好的彈性恢復能力，使得活化后橡膠瀝青具有良好的抗反射裂縫的性能。同時，活化后的橡膠瀝青可以降低施工拌和溫度，能夠減少由于生產(chǎn)和施工引起的周邊環(huán)境破壞，同時促進了橡膠瀝青的推廣應用。

5 結論

(1)H2O2活化方式能夠解決現(xiàn)有工程中采用橡膠瀝青施工時粘度高、相容性差的問題，同時活化后能夠在一定程度上提高橡膠瀝青的路用性能。

(2)綜合考慮H2O2溶液對橡膠瀝青各性能的影響，確定最佳活化比例為0.5。活化后橡膠瀝青粘度較低，能夠降低施工難度，且具有良好的抗反射裂縫能力。

(3)未活化膠粉顆粒表面比較平整，活化后膠粉顆粒表面變得蓬松，更易與瀝青發(fā)生反應，同時相容性也隨之提高。

(4)相比普通的橡膠瀝青，活化后成本雖有所增加，但是其減少了施工難度和成本，同時也促進了橡膠瀝青在工程建設中的推廣與應用。