姜明映, 陳娥梅, 劉永成, 朱亞東, 趙艷峰

(云南省曲靖市交通建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，云南 曲靖 655000)

0 引言

橡膠改性瀝青因其綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、降噪和保黑等特點(diǎn)，已成為一種熱門的瀝青路面功能性材料[1-2]。利用廢舊輪胎生產(chǎn)出的橡膠改性瀝青，不僅可以提高道路石油瀝青的路用性能，還能作為增值型固廢材料發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)和環(huán)保優(yōu)勢(shì)[3]。因橡膠改性瀝青的黏度明顯高于道路石油瀝青，在瀝青路面施工過程中拌和與壓實(shí)溫度較高，會(huì)產(chǎn)生額外的燃料消耗和排放更多的溫室氣體，且毒煙霧與刺鼻性氣體也會(huì)增加。瀝青溫拌技術(shù)是減少其對(duì)環(huán)境負(fù)面影響的有效手段之一，即通過降低瀝青的黏度來提高瀝青混合料的施工和易性，以此減少瀝青路面施工過程中的能源消耗和溫室氣體排放[4-5]。

目前已針對(duì)橡膠改性瀝青溫拌技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，如季節(jié)等[5]研究了有機(jī)蠟類溫拌劑對(duì)橡膠改性瀝青黏度的影響，發(fā)現(xiàn)蠟類溫拌劑可通過潤滑效應(yīng)減少瀝青的黏度。張智等[6]通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)比了不同溫拌劑對(duì)橡膠改性瀝青高溫性能的影響，結(jié)果表明聚丙烯蠟?zāi)芨纳茷r青的高溫性能，而石蠟作用相反。Yang等[7]基于氣相色譜法和紅外光譜試驗(yàn)研究了橡膠改性瀝青混合料對(duì)環(huán)境的影響，結(jié)果表明橡膠瀝青路面的施工溫度對(duì)有毒氣體排放量有顯著影響。總體而言，盡管溫拌橡膠改性瀝青技術(shù)已得到廣泛研究，但因蠟基溫拌劑種類繁多，溫拌橡膠改性瀝青的性能表征均有所差異，且瀝青在黏度降低的同時(shí)可能存在高溫穩(wěn)定性下降等問題。所以，需要進(jìn)一步研究蠟基添加劑對(duì)橡膠改性瀝青的性能影響。

與廢棄橡膠相似，廢棄塑料的處理問題同樣可采用瀝青改性技術(shù)加以緩解[8-13]。氧化聚乙烯蠟(OPW)是一種通過裂解廢塑料得到的副產(chǎn)品，無毒無腐蝕性，已被廣泛用作橡膠和塑料產(chǎn)品的分散劑、添加劑等[14]。因此，可將OPW與橡膠粉作為瀝青改性劑，使改性劑能充分溶解在瀝青中，并以此降低橡膠改性瀝青的黏度，從而降低其混合料的拌和與壓實(shí)溫度。基于此，采用不同摻量(12%、15%、18%)的橡膠粉和不同摻量(0、2%、4%、6%)的OPW對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，通過黏度試驗(yàn)、多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn)、彎曲梁流變儀(BBR)和儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)，研究了OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的流變性能，驗(yàn)證了這種綠色材料作為瀝青路面材料的可行性。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 原材料

采用東海牌70#A級(jí)道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)性能指標(biāo)25 ℃針入度/(0.1 mm)軟化點(diǎn)/℃15 ℃延度/(cm)15 ℃密度/(g·cm-3)閃點(diǎn)/℃60 ℃動(dòng)力黏度/(Pa·s)含蠟量/%溶解度/%旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(短期老化)質(zhì)量損失/%25 ℃殘留針入度比/%10 ℃殘留延度/cm測試值6448.0>1001.0352991951.9999.8+0.055677規(guī)范值60～80≥46≥100實(shí)測≥260≥180≤2.2≥99.5±0.8≥61≥6

選擇橡膠粉和OPW作為瀝青改性劑。橡膠粉的目數(shù)為40，其性能指標(biāo)如表2所示。OPW是一種淡黃色粉末顆粒，由相對(duì)分子量為1 000～4 000的聚乙烯降解而成，其性能指標(biāo)如表3所示。

1.2 制備方法

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的制備過程如下：首先，將基質(zhì)瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)，分批并緩慢添加OPW至基質(zhì)瀝青當(dāng)中，在100 ℃(OPW的熔點(diǎn))的溫度下用玻璃棒攪拌15min，待OPW完全溶解在瀝青中后，將溫度提升至180 ℃，緩慢分批加入橡膠粉并手動(dòng)攪拌15min；隨后，采用高速剪切儀對(duì)復(fù)合改性瀝青進(jìn)行攪拌，保持180 ℃的溫度，剪切時(shí)間和剪切速率分別設(shè)置為1 h和3 500 r/min；最后加入穩(wěn)定劑，保持同樣條件繼續(xù)攪拌和溶脹1 h。對(duì)照組橡膠改性瀝青的制備過程，則保持與上述制備過程中相同的時(shí)間(2.5 h)、剪切速率(3 500 r/min)和剪切溫度(180 ℃)進(jìn)行。

1.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)1.2節(jié)制備方法，進(jìn)行矩陣試驗(yàn)設(shè)計(jì)，即制備3種橡膠粉摻量(12%、15%、18%)和4種OPW摻量(0、2%、4%、6%)組合的共計(jì)12種改性瀝青，對(duì)該12組瀝青試樣分別開展黏度、MSCR、BBR和儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)，得到不同改性劑摻量下的瀝青性能指標(biāo)，并比較其中差異性。具體試驗(yàn)方法如下：

1)根據(jù)ASTM D 4402標(biāo)準(zhǔn)，采用布氏黏度表征OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的施工和易性，其中試驗(yàn)溫度和剪切速率分別設(shè)置為180 ℃和50r/min，且保證黏度試驗(yàn)過程中扭矩為10%～98%。

2)采用AASHTO TP 70標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)短期老化后的瀝青進(jìn)行MSCR試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其高溫性能。試驗(yàn)溫度設(shè)置為76 ℃，基于應(yīng)力控制模式，MSCR試驗(yàn)的應(yīng)力水平分別設(shè)置為0.1 kPa和3.2 kPa，對(duì)瀝青試樣加載，試樣不斷循環(huán)加載和卸載10次，加載時(shí)間和卸載時(shí)間分別為1 s和9 s。

3)根據(jù)AASHTO T313-09規(guī)范，采用BBR試驗(yàn)表征長期老化后的OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青低溫性能。BBR瀝青試件的尺寸為125 mm×12.7mm×6.35 mm，試驗(yàn)溫度分別設(shè)置為-6、-12、-18 ℃。

4)根據(jù)ASTM D7173標(biāo)準(zhǔn)對(duì)瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。將50 g的瀝青試樣密封在鋁管中，然后在(163±5)℃的烘箱內(nèi)垂直放置48 h。隨后將其取出，在室溫下冷卻30 min。最后，將這些鋁管平均分成3段，取首尾兩端的瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 黏度特性

黏度是表征橡膠改性瀝青施工和易性的關(guān)鍵指標(biāo)，能反映瀝青在高溫下的泵送能力。圖1顯示了不同摻量下OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的180 ℃黏度值。由圖1可以看出，隨著橡膠粉摻量增加，瀝青的黏度值增加。同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)在相同橡膠粉摻量下，添加OPW時(shí)，隨著OPW摻量增大，瀝青的黏度也隨之略微增長，這是因?yàn)镺PW自身的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了橡膠粉在瀝青基體中的三維結(jié)構(gòu)。此外，由圖1可知添加OPW能降低橡膠改性瀝青的黏度，以此來提高橡膠改性瀝青在高溫下的泵送能力。當(dāng)瀝青的制備溫度高于OPW的熔點(diǎn)溫度(100 ℃)時(shí)，蠟溶解在瀝青基體中，使得OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的黏度比橡膠改性瀝青的黏度更低。結(jié)果表明，與橡膠改性瀝青相比，使用6%的OPW可降低橡膠改性瀝青約25%的黏度，且橡膠粉摻量越高，降黏作用越明顯。

圖1 黏度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 蠕變與恢復(fù)特性

一般來說，由于瀝青材料在高應(yīng)力狀態(tài)下會(huì)發(fā)生延遲彈性效應(yīng)，與動(dòng)態(tài)剪切流變儀的結(jié)果相比，MSCR試驗(yàn)結(jié)果更能真實(shí)地表征瀝青的高溫性能。MSCR試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)和彈性恢復(fù)率(R)，在每個(gè)循環(huán)中能用該指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青材料的彈性恢復(fù)能力和抗車轍性能。OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的MSCR試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 MSCR試驗(yàn)結(jié)果瀝青類型Jnr(kPa-1)R/%0.1kPa3.2kPa0.1kPa3.2kPa12%橡膠粉2.564.2411.142.1812%橡膠粉+2%OPW1.394.0923.541.7912%橡膠粉+4%OPW1.723.7419.871.1012%橡膠粉+6%OPW1.973.8916.541.0815%橡膠粉1.883.6920.312.7515%橡膠粉+2%OPW1.343.2834.573.8515%橡膠粉+4%OPW1.203.0135.494.7115%橡膠粉+6%OPW1.493.5720.552.5718%橡膠粉0.972.1936.185.8718%橡膠粉+2%OPW0.791.8239.546.0118%橡膠粉+4%OPW0.591.6840.316.7518%橡膠粉+6%OPW0.912.2337.235.89

在2種應(yīng)力水平下，橡膠改性瀝青的R值主要取決于其彈性特性。由表4可知，在3.2 kPa應(yīng)力水平下，12%橡膠粉摻量下加入OPW對(duì)瀝青的R值有負(fù)面影響，而在相同應(yīng)力水平下，添加OPW會(huì)降低瀝青的Jnr值。在其他橡膠粉摻量和相同應(yīng)力水平下，添加OPW均降低了橡膠改性瀝青的Jnr值并增加了其R值，說明OPW可改善橡膠改性瀝青的高溫性能，在高應(yīng)力狀態(tài)下這種改善效果還有待進(jìn)一步研究。OPW可改善橡膠改性瀝青的高溫性能，是因?yàn)楦邠搅肯孪鹉z粉在瀝青基體中的溶解能力有限并接近飽和，而OPW的結(jié)晶作用使其在熔點(diǎn)溫度下溶解于瀝青基體中，填充和潤滑了瀝青和橡膠粉之間的三維結(jié)構(gòu)空隙，使得三維結(jié)構(gòu)更加飽滿和穩(wěn)定。

2.3 低溫抗裂性

采用BBR試驗(yàn)來評(píng)價(jià)OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的低溫性能，以蠕變勁度(S)和蠕變速率(m)值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。一般來說，S值越小且m值越大則表明瀝青低溫性能越好，并以S≤300 MPa或m>0.3作為限定值，若試樣不滿足以上條件則說明該溫度下瀝青的低溫性能不佳。表5為BBR試驗(yàn)結(jié)果，其顯示了不同溫度下OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的低溫性能關(guān)系，部分試樣因在較高溫度下已不滿足要求，在更低溫度下指標(biāo)必定超限，則未對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)。由表5可知，試驗(yàn)溫度的降低會(huì)使瀝青的S值增加而m值降低。同時(shí)，由表5還可以發(fā)現(xiàn)添加2%OPW也使得瀝青的S值增加而m值降低，這是由于OPW的結(jié)晶作用使其低溫性能下降。18%橡膠粉含量下，與添加2%OPW相比，添加4%或6%的OPW則能略微改善瀝青的低溫性能，這是因?yàn)橄鹉z粉摻量越高，瀝青黏度越大且易造成膠粉離析，從而影響瀝青的性能表征，OPW能夠有效地改善瀝青的高溫性能，但OPW可能不利于其低溫性能。綜上所述，OPW有助于橡膠粉在瀝青基體中充分溶解，然而其潤滑和填充作用使得瀝青的低溫松弛性能在一定程度下降低。

表5 BBR試驗(yàn)結(jié)果瀝青類型-6 ℃-12 ℃-18 ℃S/MPamS/MPamS/MPam12%橡膠粉34.780.44961.720.347190.520.30012%橡膠粉+2%OPW58.720.35763.140.325207.240.26712%橡膠粉+4%OPW89.130.286----12%橡膠粉+6%OPW67.440.289----15%橡膠粉38.270.41078.760.357157.980.30415%橡膠粉+2%OPW48.580.35297.850.321170.310.28115%橡膠粉+4%OPW63.780.293----15%橡膠粉+6%OPW52.750.32985.710.284--18%橡膠粉38.160.40967.850.359131.550.31918%橡膠粉+2%OPW65.730.279----18%橡膠粉+4%OPW56.290.28790.240.257--18%橡膠粉+6%OPW50.460.299----

2.4 儲(chǔ)存穩(wěn)定性

橡膠粉因自身黏度較高，若溶脹作用不充分，則在瀝青基體中易形成非均勻相。根據(jù)Stokes定律，在高溫下橡膠改性瀝青處于靜態(tài)儲(chǔ)存狀態(tài)時(shí)，橡膠顆粒易向上移動(dòng)并漂浮在瀝青表面。OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，3種橡膠改性瀝青的軟化點(diǎn)差值均大于2.5 ℃，說明高摻量下橡膠改性瀝青容易發(fā)生離析現(xiàn)象。在橡膠改性瀝青中添加2%OPW后，瀝青的軟化點(diǎn)差值顯著降低，說明OPW改善了橡膠改性瀝青的離析現(xiàn)象。OPW對(duì)橡膠改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性改善可以歸納為3點(diǎn)：①橡膠改性瀝青中瀝青與橡膠粉之間的密度不同，而OPW平衡了橡膠粉與瀝青二者的密度差異；②瀝青的結(jié)構(gòu)和分子量會(huì)影響自身的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，OPW使瀝青變硬，從而提高了OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性；③加入OPW使橡膠改性瀝青的結(jié)構(gòu)由溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，從而提高了瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

圖2 儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

由高溫裂解氧化得到的OPW體現(xiàn)了廢舊塑料轉(zhuǎn)變?yōu)樵鲋敌凸虖U材料的過程，將其與橡膠粉一起作為瀝青改性劑實(shí)現(xiàn)了廢棄物資源化利用的目標(biāo)。因此，目前的研究旨在通過瀝青試驗(yàn)來評(píng)價(jià)OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的流變性能，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下主要結(jié)論：

1)在橡膠改性瀝青中加入OPW可使其黏度降低，從而降低了橡膠改性瀝青混合料施工過程中的拌合和壓實(shí)溫度。與傳統(tǒng)橡膠改性瀝青相比，OPW可以通過降低燃料消耗和空氣污染來提高橡膠改性瀝青的施工和易性。

2)MSCR試驗(yàn)結(jié)果顯示，OPW可增加了橡膠改性瀝青的彈性恢復(fù)能力，且提高了其抗車轍性能，而瀝青高溫性能的增強(qiáng)與OPW的摻量并非呈單純的線形正相關(guān)關(guān)系，OPW摻量過大其對(duì)瀝青的改善效果反而降低。儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明，在橡膠改性瀝青中加入OPW能顯著改善橡膠粉與瀝青之間的離析現(xiàn)象，降低了橡膠粉顆粒在瀝青中沉降的可能性。

3)與橡膠改性瀝青相比，OPW的添加提高了橡膠改性瀝青的蠕變勁度，且降低了m值參數(shù)，即OPW對(duì)橡膠改性瀝青的低溫抗裂性能存在負(fù)面影響。其對(duì)低性能溫度產(chǎn)生負(fù)面影響的可能原因是OPW中的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，即蠟的碳?xì)滏溨g存在真空狀態(tài)，顯著影響其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度。

4)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得到改性劑最佳摻量為：15%橡膠粉+6%OPW，橡膠粉摻量增加不利于瀝青的低溫性能表征，而高摻量OPW則有利于增強(qiáng)橡膠改性瀝青的相容性，從而使其性能優(yōu)勢(shì)更加明顯。

5)盡管已對(duì)OPW/橡膠粉復(fù)合改性瀝青的流變性能做了較為系統(tǒng)的研究，但OPW對(duì)橡膠改性瀝青的改性機(jī)理需要進(jìn)一步揭示，因此后續(xù)應(yīng)采用微觀試驗(yàn)對(duì)OPW、橡膠粉和瀝青三者的耦合作用做進(jìn)一步研究。