韓　君，于曉飛，周德洪

(1 江蘇寶利國(guó)際投資股份有限公司，江蘇江陰 214422；2 上海交通大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，上海 200240)

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廢舊橡膠粉摻量對(duì)改性瀝青路用性能的影響

韓君1，于曉飛2，周德洪1

(1 江蘇寶利國(guó)際投資股份有限公司，江蘇江陰 214422；2 上海交通大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，上海 200240)

采用廢舊橡膠粉制備改性瀝青，通過(guò)測(cè)試廢舊橡膠粉改性瀝青的路用性能指標(biāo)研究橡膠粉的摻量對(duì)改性瀝青各項(xiàng)性能的影響。結(jié)果表明，廢舊橡膠粉能顯著提高基質(zhì)瀝青的高溫性能、改善其低溫性能和溫度敏感性，當(dāng)廢舊橡膠粉摻量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%時(shí)改性瀝青的綜合性能最優(yōu)。

廢舊橡膠粉，改性瀝青，路用性能

隨著能源、資源和環(huán)保對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力的增大，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念越來(lái)越被重視。作為世界橡膠消費(fèi)和橡膠進(jìn)口的大國(guó)，我國(guó)的廢舊輪胎產(chǎn)量也位居世界前列，因此由廢舊輪胎所造成的環(huán)境污染與資源浪費(fèi)問(wèn)題等日漸凸顯[1]。2013年我國(guó)的廢舊輪胎產(chǎn)量為1080萬(wàn)t，并以每年約6%的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2020年廢舊橡膠產(chǎn)量將達(dá)到2000萬(wàn)t[2-3]。因此，如何有效利用數(shù)量巨大的廢舊橡膠、治理環(huán)境污染是全社會(huì)都應(yīng)重視解決的大問(wèn)題。將廢舊橡膠應(yīng)用于道路工程中是處理大量廢舊橡膠制品的較佳選擇，也是全球解決廢舊橡膠污染的有效途徑之一[4-5]。本文將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的橡膠粉加入到基質(zhì)瀝青中，分別測(cè)定不同橡膠粉摻量下改性瀝青的各種性能指標(biāo)，并綜合考慮給出較適宜的橡膠粉摻量。

1　試驗(yàn)部分

1.1原材料

廢舊橡膠粉是指已經(jīng)硫化交聯(lián)的橡膠，其主要來(lái)源是廢輪胎。從微觀形貌分析其膠粉顆粒仍然保持著網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，交聯(lián)點(diǎn)之間還保持著較長(zhǎng)的柔性鏈段，同時(shí)還含有填料和防老劑等化學(xué)成分[6-9]。本文考慮到橡膠粉特性以及推廣成本，擬采用40～80目的細(xì)碎橡膠粉顆粒來(lái)進(jìn)行改性試驗(yàn)。

橡膠粉改性瀝青的性質(zhì)與基質(zhì)瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)有著密切關(guān)系。基質(zhì)瀝青的性質(zhì)決定并影響橡膠粉改性瀝青的配伍性或相容性。因此基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)的選擇要結(jié)合瀝青路面使用溫度而定。本文選用韓國(guó)雙龍70#瀝青作為基質(zhì)瀝青進(jìn)行廢舊聚合物改性瀝青性能的研究。

1.2廢舊橡膠粉改性瀝青的制備

廢舊橡膠粉改性瀝青的制備工藝參數(shù)主要包括廢舊橡膠粉的烘干溫度、烘干時(shí)間、基質(zhì)瀝青加熱溫度、攪拌速率、攪拌時(shí)間五個(gè)方面。結(jié)合國(guó)內(nèi)外瀝青改性經(jīng)驗(yàn)及廢舊橡膠粉性質(zhì)，確定廢舊橡膠粉的烘干溫度為110℃，烘干時(shí)間為2h～3h，基質(zhì)瀝青加熱溫度為160℃，高速剪切速率為6000r/min，攪拌時(shí)間為150min。

2　結(jié)果與討論

2.1廢舊橡膠粉改性瀝青的高溫性能

圖1是軟化點(diǎn)與膠粉摻量的關(guān)系，從圖中可以看出，廢舊橡膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)隨著橡膠粉的摻量增加而增大，膠粉摻量為5%時(shí)，軟化點(diǎn)從49.5℃升高到51.5℃，膠粉摻量為10%時(shí)，軟化點(diǎn)升至52.5℃升高速率有所減緩。當(dāng)橡膠粉摻量在10%～15%時(shí)，改性瀝青的軟化點(diǎn)隨膠粉含量的變化最為明顯；當(dāng)橡膠粉含量超過(guò)15%后，改性瀝青軟化點(diǎn)的升高幅度減緩，橡膠粉摻量為20%時(shí)，與基質(zhì)瀝青相比，其軟化點(diǎn)提高了21.2%，高溫性能得到很大改善。

圖1　軟化點(diǎn)與膠粉摻量的關(guān)系

圖2是當(dāng)量軟化點(diǎn)T800與橡膠粉摻量的關(guān)系圖，從圖中可以看出，隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠粉改性瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)顯著增加，當(dāng)摻量為10%時(shí)，T800由基質(zhì)瀝青的47.1℃增加到了51.2℃，當(dāng)摻量達(dá)到20%時(shí)，其當(dāng)量軟化點(diǎn)較基質(zhì)瀝青提高了11.7%，瀝青的高溫性能得到了很大的提高。在橡膠粉摻量低于15%時(shí)，T800隨橡膠粉用量的增加而增大的速率相對(duì)較大；當(dāng)橡膠粉用量超過(guò)15%后，T800遞增速率顯著下降，這表明過(guò)多的膠粉用量對(duì)瀝青的高溫改善作用不再有明顯的提高。

圖2　T800與橡膠粉摻量的關(guān)系

2.2廢舊橡膠粉改性瀝青的低溫性能

圖3是延度與橡膠粉摻量的關(guān)系圖，從圖中可以看出，基質(zhì)瀝青的低溫延度值僅為3.3cm，幾乎為脆性斷裂，其低溫性能較差。隨著橡膠粉摻量的增加，膠粉改性瀝青的低溫性能明顯提高。當(dāng)膠粉摻量大于5%時(shí)，膠粉瀝青的延度急劇增大；當(dāng)廢舊橡膠粉摻量為10%時(shí)，其低溫延度值為7.4cm；當(dāng)膠粉摻量增至15%時(shí)，其低溫延度值也隨之增加到9.5cm，約是基質(zhì)瀝青的低溫延度值兩倍；當(dāng)摻量大于15%時(shí)，延度值上升趨勢(shì)減緩。分析認(rèn)為，這是因?yàn)閺U舊膠粉顆粒與瀝青中的膠質(zhì)結(jié)合在一起形成的分散質(zhì)，在適當(dāng)?shù)臏囟认聰嚢?，可使其與瀝青質(zhì)界面充分結(jié)合，同時(shí)促進(jìn)分散質(zhì)進(jìn)一步均勻混合。當(dāng)橡膠粉摻量大于的15%時(shí)，橡膠粉顆粒數(shù)量接近飽和，在分散質(zhì)中便形成膠粉小團(tuán)粒，而多余的橡膠粉小團(tuán)粒的內(nèi)部橡膠粉粒子之間幾乎沒有結(jié)合力，與瀝青界面不能充分結(jié)合或接觸，對(duì)瀝青的粘結(jié)性不起作用；當(dāng)這種小團(tuán)粒增多時(shí)反而會(huì)使瀝青的延度下降，過(guò)多的膠粉摻量對(duì)低溫抗裂能力無(wú)益。當(dāng)摻量為20%時(shí)，延度值較摻量為15%時(shí)變化量很小，說(shuō)明當(dāng)橡膠粉摻量過(guò)多時(shí)對(duì)改性瀝青的低溫性能并無(wú)明顯的改善效果。

圖3　延度與橡膠粉摻量的關(guān)系

圖4是T1.2與膠粉摻量的關(guān)系圖，由圖中可以看出，隨著橡膠粉摻量的增加，廢舊橡膠粉改性瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)有所降低，表明瀝青的低溫性能得到顯著改善。在0～10%的膠粉摻量時(shí)，當(dāng)量脆點(diǎn)隨膠粉摻量的增加呈下降趨勢(shì)，膠粉摻量增至10%時(shí)，當(dāng)量脆點(diǎn)達(dá)到最低值-11.5℃。當(dāng)膠粉摻量在10%～15%時(shí)，改性瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)摻量大于15%后，其當(dāng)量脆點(diǎn)不再變化。當(dāng)膠粉摻量達(dá)到20%時(shí)，改性瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)為-10.2℃，較基質(zhì)瀝青的-9.4℃還是有一定的改善作用。

圖4　T1.2與膠粉摻量的關(guān)系

2.3廢舊橡膠粉改性瀝青的溫度敏感性

本文采用針入度指數(shù)PI來(lái)評(píng)價(jià)改性瀝青的溫度敏感性。對(duì)不同溫度條件下測(cè)試的針入度值取對(duì)數(shù)，令y=lgP，x=T，按式(1)進(jìn)行y=a+bx的直線回歸，求取針入度溫度指數(shù)AlgPen。

lgP=K+AlgPen×T

(1)

式中：T—不同試驗(yàn)溫度，相應(yīng)溫度下的針入度為P；K—回歸方程的常數(shù)項(xiàng)a；AlgPen—回歸方程系數(shù)b。

按式(1)進(jìn)行回歸計(jì)算時(shí)必須進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，當(dāng)溫度條件為3時(shí)，直線回歸相關(guān)系數(shù)R不得小于0.997(置信度95%)，否則試驗(yàn)無(wú)效。然后，確定瀝青的針入度指數(shù)PI，并記為PIlgPen。用已測(cè)得改性瀝青針入度值計(jì)算得到生物PI值結(jié)果如表1所示。

表1　橡膠粉改性瀝青的針入度與針入度指數(shù)

從表1可以看出，瀝青經(jīng)橡膠粉改性后，針入度指數(shù)有很大的提高，加入5%的橡膠粉，基質(zhì)瀝青的PI值由-1.42875增加到-1.04478，增加了近30%，但還不滿足PI值在-1～+1范圍的要求。當(dāng)橡膠粉摻量為10%時(shí)針入度指數(shù)首先達(dá)到最大值-0.76923，也進(jìn)入要求范圍，這時(shí)與基質(zhì)瀝青相比PI值增大了46%，這表明橡膠瀝青的感溫性能得到很大的改善。橡膠粉摻量在0～10%時(shí)對(duì)瀝青的PI值影響更顯著，超過(guò)10%之后，PI值增加幅度急劇減緩，隨橡膠粉產(chǎn)量的增加PI值幾乎不再變化，表明過(guò)多的橡膠粉摻量對(duì)瀝青的溫度敏感性不再有明顯的改善作用。因此，橡膠粉摻量最低不宜低于10%。

3　結(jié)論

(1)廢舊橡膠粉改性瀝青的高低溫試驗(yàn)表明，基質(zhì)瀝青中加入一定量的橡膠粉提高了瀝青的高、低溫性能，降低了其溫度敏感性能?？梢悦黠@地改善瀝青路面夏季高溫車轍冬季受凍開裂的問(wèn)題。

(2)廢舊橡膠粉的摻量對(duì)廢舊橡膠粉改性瀝青性能的影響較基質(zhì)瀝青自身性能的影響大，結(jié)合改性瀝青的高、低溫性能以及溫度敏感性能，本文從生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)方面綜合考慮，制備廢舊橡膠粉改性瀝青時(shí)，廢舊膠粉的最優(yōu)摻量為15%。

(3)采用廢舊橡膠粉改性瀝青，可明顯增強(qiáng)路面的抗病害能力并延長(zhǎng)道路的養(yǎng)護(hù)維修周期，減少二次投入。

(4)用廢舊橡膠粉改性瀝青，不僅可以提高基質(zhì)瀝青的使用性能，還能有效回收利用廢舊橡膠，減少“黑色污染”，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，具有良好的社會(huì)效益。

[1] 張正甫，劉玉松，蔡光華，等.廢舊輪胎在道路工程中的研究進(jìn)展[J]. 2015，48(2)：361-368.

[2] 張麗萍，邱欣，薛亮，等.廢舊輪胎橡膠改性瀝青混合料路用性能的室內(nèi)試驗(yàn)[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，21(4)：293-296.

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Effect of the Rubber Crumb Content on the Pavement Performance of Modified Asphalt

HAN Jun1，YU Xiao-fei2，ZHOU De-hong1

(1 Jiangsu Baoli International Investment CO.，Ltd.，Jiangyin 214422，Jiangsu，China；2 Shanghai Jiaotong University，Institute of Chemistry and Chemical Engineering，Shanghai 200240，China)

In order to improve the performance of waste rubber crumb modified asphalt，we adopted rubber powder to prepare modified asphalt. And we evaluated the performance of rubber powder modified asphalt through the high temperature performance，elastic recovery，low temperature performance and temperature sensitivity index. The research result showed that when the content of powder was 15%，the rubber modified asphalt had the optimal performance.

waste rubber powder，composite modified asphalt，road performance

U 414