魏學成

(永升建設集團有限公司, 新疆 克拉瑪依 834000)

橡膠粉改性瀝青及瀝青混合料高溫性能試驗研究

魏學成

(永升建設集團有限公司, 新疆 克拉瑪依 834000)

為了改善道路瀝青的路用性能，選擇橡膠粉對基質瀝青進行改性處理，制備橡膠粉改性瀝青。研究了不同摻量條件下，改性瀝青的針入度、軟化點、彈性恢復、布氏粘度，進而評價其高溫性能；同時分別對AC — 13型和SMA — 13型橡膠粉改性瀝青混合料進行車轍試驗，評價改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。研究表明，適量橡膠粉可以改善基質瀝青及瀝青混合料的高溫性能，最佳摻量為15%，且SMA — 13型混合料比AC — 13型混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性。

橡膠粉； 改性瀝青； 瀝青混合料； 高溫性能

0 引言

橡膠粉是由廢舊橡膠輪胎磨細制得，簡稱CRM，橡膠粉改性劑中的聚合物能夠吸收瀝青中的油分，使瀝青體積發(fā)生膨脹，從而改善瀝青混合料的穩(wěn)定性[1]，因此橡膠粉改性瀝青是一種優(yōu)質的新型聚合物改性復合材料。常用的SBS改性劑價格較高，而橡膠粉改性劑以其優(yōu)異的環(huán)保、節(jié)能、經濟等優(yōu)點被國內外許多學者所推崇。研究表明[2]，在瀝青中加入橡膠粉改性劑，不僅可以有效改善瀝青路面的路用性能，而且可以緩解廢棄輪胎帶來的污染問題，提高資源利用率。

目前國內外許多研究學者對橡膠粉改性瀝青及其混合料開展了一些列的研究。Labib[3]等人研究了不同膠粉摻量條件下瀝青的性能，研究表明，按一定的比例在基質瀝青中加入膠粉后，基質瀝青的流動性等施工和易性得到改善，而且使用這種改性瀝青鋪筑瀝青混凝土路面，可以減緩車轍、凍害等常見病害。近年我國許多學者也一直致力于橡膠粉改性瀝青的生產工藝及其性能研究，葉智剛[4]、黃彭[5]等人基于橡膠粉瀝青的改性機理，探討了改性瀝青的制備工藝如攪拌溫度、攪拌時間和攪拌速率等對瀝青工作性能的影響，當采用機械攪拌時，橡膠粉聚合物顆粒均勻分散在基質瀝青中，吸收瀝青中的油分，出現溶脹現象，從而提高橡膠粉改性瀝青的高溫性能。本文選擇5%、10%、15%、20%、25%等不同摻量的橡膠粉摻入基質瀝青中，研究改性瀝青及瀝青混合料的高溫性能，為其在路面工程中的應用打下理論基礎。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

試驗選擇克拉瑪依90#基質瀝青，主要性能技術指標符合JTG F40 — 2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中的相關要求，試驗按照JTJ052 — 2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中相關要求進行，檢測結果見表1。

表1 90#基質瀝青技術性能指標

選用60目的橡膠粉作為改性劑，橡膠粉的主要物理化學性能指標如表2所示，其檢測項目均符合相關國家標準要求。

表2 橡膠粉改性劑主要性能指標

粗集料采用玄武巖，細集料采用河沙，物理化學性能均滿足瀝青面層用集料的相關要求。填料采用干燥礦粉，無團粒結塊現象，表觀密度2.67 g/cm3。

1.2 改性瀝青制備工藝

改性瀝青制備過程中的攪拌時間、攪拌速率和攪拌溫度等都影響改性劑對瀝青的改性效果，試驗采用瀝青的改性工藝如下：稱取一定比例的橡膠粉改性劑放入烘箱內烘干備用，同時在170 ℃條件下將基質瀝青放入烘箱內脫水備用；將溫熱的基質瀝青放入改性劑中攪拌20 min至橡膠粉改性劑和基質瀝青充分混合；在剪切速率為7000 r/min，剪切溫度為180 ℃的條件下，將混合瀝青剪切60 min后放入180 ℃的環(huán)境中溶脹1～2 h；將混合均勻的瀝青加熱用玻璃棒攪拌一段時間，直至瀝青中無氣泡，此時制備即為橡膠粉改性瀝青。

1.3 試驗方法

按照《橡膠粉瀝青及瀝青混合料設計施工技術指南》中相應的瀝青試驗規(guī)范測試橡膠粉改性瀝青及瀝青混合料性能。橡膠粉摻量選擇5%、10%、15%、20%、25%，按照改性工藝制備不同配方的瀝青分別測試其針入度、軟化點、彈性恢復和布氏粘度等高溫性能，選擇車轍試驗測試瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，制作級配為AC — 13和SNA-13的混合料，由馬歇爾試驗確定最佳石油比為4.9%，改性瀝青混合料在35 ℃時成型，試件為300 mm×300 mm×50 mm的車轍板。

2 實驗結果及分析

2.1 橡膠粉摻量對改性瀝青高溫性能的影響

瀝青為粘彈性材料，當溫度升高時，瀝青膠體結構會由彈性體變?yōu)樗苄泽w，此時瀝青的勁度模量降低，抵抗變形能力降低，用于路面時更易出現車轍病害。瀝青的針入度是用來評價瀝青稠度的指標，針入度越大表明瀝青越軟，在一定程度上可以反映瀝青的粘度特性。軟化點反映了瀝青的高溫穩(wěn)定性和瀝青的粘度。彈性恢復一般用來評價橡膠粉類改性瀝青在拉伸后恢復變形能力，同時也可以用來反映改性瀝青的彈性增加的程度，在測定改性瀝青受拉后可恢復至原始值的百分率。在瀝青受拉發(fā)生變形時，彈性性能較好的瀝青發(fā)生的變形會在一定時間后恢復過來，不容易產生永久變形，因此彈性恢復可以用來衡量路面瀝青在受力后恢復變形的能力。綜上所述，選擇針入度、軟化點、彈性恢復和布氏粘度來衡量改性瀝青的高溫性能。其中不同橡膠粉摻量下的改性瀝青高溫性能測試結果如表3所示。

表3 不同摻量橡膠粉改性瀝青高溫性能測試結果

改性瀝青高溫性能隨橡膠粉摻量變化的變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 橡膠粉摻量對針入度、軟化點、彈性恢復和 布氏粘度的影響曲線

由圖1a中可以看出，隨橡膠粉摻量的增加，改性瀝青的針入度降低，在摻量超過15%后，針入度減小變緩。圖1b中隨橡膠粉摻量增加，軟化點增大，且軟化點變化接近線性。由圖1c中可以看出，在橡膠粉摻量小于5%時，彈性恢復急劇增加，當摻量超過5%后，彈性恢復增速變慢。圖1d中布氏粘度隨橡膠粉的增加而增加，變化曲線近似指數關系。以上指標變化顯示，橡膠粉改性瀝青的高溫穩(wěn)定較好。

瀝青是由高分子組成的膠體結構，當溫度升高時，瀝青中的分子鏈和改性劑聚合物更容易結合，使瀝青的分子量增大，軟化點升高。橡膠粉是一種聚合物改性劑，加入基質瀝青后一方面吸收了瀝青中的一些組分，使瀝青產生溶脹現象，進而比表面積增加，吸附能力增強，軟化點增高，針入度減?。涣硪环矫?，橡膠粉顆粒較細，填充在基質瀝青之間，增加其粘度，增大其彈性恢復，進而提高基質瀝青的高溫性能。

研究表明，當瀝青的軟化點大于65 ℃時 瀝青路面才會保證一定的高溫抵抗變形的能力，故由圖1b中可以看出，改性瀝青中橡膠粉的摻量應大于15%。圖1c顯示，在橡膠粉摻量小于15%時，改性瀝青的彈性恢復較小；在15%點彈性恢復急劇增大；15%～25%時，改性瀝青的彈性恢復開始變緩，故橡膠粉摻量為15%時為其彈性恢復變化轉折點。同時為滿足施工過程中的和易性，瀝青的粘度要求小于5 Pa·s，由圖1d可得在實驗所選摻量范圍內均可以達到要求。綜上所述，為滿足瀝青高溫性能的各項指標，橡膠粉的最佳摻量為15%。

2.2 橡膠粉改性瀝青混合料車轍試驗

為評價橡膠粉改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，采用國產車轍試驗儀對摻量為15%的橡膠粉改性瀝青進行車轍試驗，以動穩(wěn)定度作為評價指標，以60 min內所產生的車轍深度作為參考值，試驗結果見表4。

表4 改性瀝青混合料車轍試驗結果

由表4和圖2中可以看出，對AC — 13型和SMA — 13型混合料而言，橡膠粉加入基質瀝青后，改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別提高了695%和436%，車轍深度減小，故在基質瀝青中加入橡膠粉后，瀝青混合料的高溫性能得以改善。對同一種混合料類型來說，改性瀝青的車轍深度明顯減小，使橡膠粉改性瀝青混合料的抗車轍性能得到很大的提高，從而提高了混合料的高溫穩(wěn)定性。

圖2 改性瀝青混合料車轍試驗結果

對于SMA — 13型混合料來說，基質瀝青和改性瀝青的車轍試驗動穩(wěn)定度和車轍深度與AC — 13型混合料的測試結果變化相似，但是AC — 13型混合料的動穩(wěn)定度和車轍深度均低于同種瀝青種類下的SMA — 13型混合料，即SMA — 13型混合料比AC — 13型混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性。這是因為SMA — 13型混合料采用的是間斷級配，集料之間相互粘結后整體性較好，且礦粉填充在集料和瀝青之間，增加混合料的粘結性，使其表面性能較好，從而使SMA — 13型基質瀝青混合料和橡膠粉改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度值和車轍深度較高，高溫穩(wěn)定性較好。

3 結論

1) 隨橡膠粉摻量的增加，改性瀝青的針入度降低，軟化點增大，彈性恢復增加，布氏粘度增加，即加入橡膠粉可以改善瀝青的高溫穩(wěn)定。

2) 綜合實際路面工程需要，為滿足瀝青高溫性能的各項指標，橡膠粉的最佳摻量為15%。

3) 在基質瀝青中加入橡膠粉后，瀝青混合料的高溫性能得以改善，且間斷級配SMA — 13型混合料比AC — 13型混合料具有更好的高溫穩(wěn)定性。

[1] Nahas N C, Bardet J, Eckmann B, et al. Polymer modified asphalts for high performance hot mix pavement binders[J]. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, 1990, 59: 509-525.

[2] 劉貞鵬,王晶, 陸芳,等.橡膠粉與SBS復合改性瀝青高溫性能試驗研究[J].道路工程,2016(4):6-9.

[3] Labib M E, Chollar B H, Memon G M. Compatibilizer for crumb rubber modified asphalt[P].U.S. Patent:6478951,2002-11-12.

[4] 葉智剛, 張玉貞. 廢膠粉改性瀝青溶解度的判別與比較[J]. 中國建筑防水, 2004 (12): 14-16.

[5] 黃彭, 呂偉民, 張福清, 等. 橡膠粉改性瀝青混合料性能與工藝技術研究[J]. 中國公路學報, 2001 (S1): 4-7.

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