馮明林，馮正翔，鄭偉，馮志強(qiáng)

(1. 河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；2. 江蘇省無(wú)錫交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214151；3. 浙江績(jī)豐巖土技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310000；4. 河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

隨著汽車(chē)行業(yè)的飛速發(fā)展，使得廢舊輪胎的黑色污染日趨嚴(yán)重。但是，經(jīng)過(guò)特殊生產(chǎn)工藝將其研磨成膠粉顆粒并通過(guò)干拌或濕拌的方法加入到瀝青混合料中，不僅實(shí)現(xiàn)了綠色交通發(fā)展的理念，也改善了瀝青路面的使用質(zhì)量。方爍[1-3]等人將橡膠粉添加到瀝青中，發(fā)現(xiàn)膠粉在提高瀝青復(fù)數(shù)剪切模量、降低相位角的同時(shí)，瀝青混合料抗車(chē)轍性能和疲勞性能也得到改善。程其瑜[4-6]等人研究了不同橡膠粉摻量改性瀝青破壞溫度的變化情況。發(fā)現(xiàn)：當(dāng)橡膠粉摻量從10%增加到20%時(shí)，破壞溫度大大提升。張爭(zhēng)奇[7]等人將SBS與膠粉共同用于基質(zhì)瀝青的復(fù)合改性，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，提高了瀝青的整體性能。橡膠瀝青的研究分析是一個(gè)不斷深化的過(guò)程，作者根據(jù)美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(Strategic Highway Research Program, 簡(jiǎn)稱為 SHRP)體系試驗(yàn)的要求，擬繼續(xù)展開(kāi)對(duì)橡膠瀝青性能試驗(yàn)及其影響因素的分析。

1 原材選擇及橡膠瀝青制備

1.1 原材料選擇

本次試驗(yàn)橡膠粉選用深圳路海威20目橡膠粉，含水率為0.55%，檢測(cè)密度為1.15 g/cm3(滿足1.10～1.20 g/cm3要求)；基質(zhì)瀝青為中海油道路70#石油瀝青，檢測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)表1,2。

表1 橡膠粉篩分結(jié)果Table 1 Rubber powder screening results

表2 基質(zhì)瀝青檢測(cè)結(jié)果Table 2 Matrix asphalt test results

1.2 橡膠瀝青的制備

橡膠瀝青是在已有研究成果的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)的。為了便于膠粉與基質(zhì)瀝青的有效膠聯(lián)，將發(fā)育溶脹時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，促使膠粉吸收基質(zhì)瀝青中輕組分更加徹底，以增加瀝青和膠質(zhì)的含量。橡膠瀝青的制備工藝流程如圖1所示。

圖1 橡膠瀝青的工藝流程Fig. 1 Process diagram of rubber modified asphalt

2 膠粉物理性能的影響分析

廢胎膠粉按其來(lái)源不同，分為貨車(chē)輪胎(斜交胎)和小轎車(chē)輪胎(子午胎簡(jiǎn)稱為：小車(chē)輪胎)2大類(lèi)。它們的物理性差異在于細(xì)度。為了分析的嚴(yán)謹(jǐn)性，膠粉統(tǒng)一取不同輪胎的胎背部位置膠粉。在對(duì)70#石油瀝青進(jìn)行改性時(shí)，先設(shè)定20%的摻量。溫度為170 ℃時(shí)瀝青測(cè)試指標(biāo)匯總見(jiàn)表3。

當(dāng)基質(zhì)瀝青加入膠粉后，由于膠粉與瀝青網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系的形成及二者之間化學(xué)傳質(zhì)作用，其指標(biāo)均得到不同程度的改善。從表3中可以看出，貨車(chē)輪胎膠粉改性后的瀝青在常溫和高溫性能方面均超過(guò)了小車(chē)輪胎膠粉的。即在同目數(shù)的前提下，除了彈性恢復(fù)差別不大以外，貨車(chē)輪胎膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)是小車(chē)輪胎膠粉改性瀝青的1.1～ 1.3倍，其老化前車(chē)轍因子G*/sinδ是小車(chē)輪胎膠粉改性瀝青的1.5～2.0倍，其老化后車(chē)轍因子G*/sinδ是小車(chē)輪胎膠粉改性瀝青的 1.6～2.1倍；貨車(chē)輪胎膠粉改性瀝青的抗疲勞因子G*·sinδ在300 kPa左右，只占到上限5 000 kPa的6%，且均小于小車(chē)輪胎膠粉改性瀝青的。此外，貨車(chē)輪胎膠粉改性瀝青的低溫蠕變勁度均為小車(chē)輪胎膠粉改性瀝青的65%～75%。表明：貨車(chē)膠粉改性后的橡膠瀝青整體優(yōu)勢(shì)更加明顯。

表3 瀝青測(cè)試指標(biāo)匯總Table 3 Asphalt test index

對(duì)比不同細(xì)度膠粉改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)可以看出，20目膠粉改性瀝青的高溫性能優(yōu)于40和60目膠粉改性瀝青的，它們的低溫和抗疲勞性能相差不大。膠粉的改性原因是膠粉與瀝青形成了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系和二者之間的化學(xué)傳質(zhì)。20目膠粉的粒徑較大，熔脹后與瀝青形成的網(wǎng)格狀態(tài)更顯著，對(duì)橡膠瀝青相對(duì)流動(dòng)的黏滯阻力更大，進(jìn)而表現(xiàn)出瀝青的黏度較大，高溫性能更優(yōu)。因此，綜合考慮，20目貨車(chē)輪胎膠粉的改性效果較佳。

3 膠粉摻量的影響分析

橡膠瀝青的改性離不開(kāi)對(duì)膠粉摻量的分析。本試驗(yàn)選取 20目貨車(chē)輪胎膠粉的 4種膠粉摻量(12%,16%,20%和24%)，在170 ℃以70#石油瀝青為基質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)上，對(duì)改性后瀝青性能指標(biāo)進(jìn)行了分析。不同橡膠粉摻量橡膠瀝青性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 不同橡膠粉摻量橡膠瀝青性能指標(biāo)Table 4 Performance index of rubber asphalt with different contents of rubber powder

從表4中可以看出，在膠粉摻量增加的同時(shí)，橡膠瀝青高、低溫性能及抗老化性能均明顯增加。即：膠粉摻量增加一倍，軟化點(diǎn)提高46.8%，彈性恢復(fù)提高13.5%，車(chē)轍因子提高6～8倍，-18 ℃勁度模量減少75%。表明：膠粉摻量不斷增加，對(duì)于提高橡膠瀝青整體性能是有利的。其原因是膠粉用量的增加使得混溶體系網(wǎng)格結(jié)構(gòu)更顯著。在高溫、高速剪切時(shí)，膠粉用量越高，膠粉與瀝青的傳質(zhì)過(guò)程越明顯，化學(xué)改性幅度越大。從瀝青施工性能的角度出發(fā)考慮，瀝青黏度過(guò)高，在泵送及混合料拌合與攤鋪過(guò)程中都會(huì)帶來(lái)一定的負(fù)面影響。美國(guó)亞利桑那州規(guī)定[8]，當(dāng)橡膠瀝青在177 ℃的黏度處在1.5～4.0 Pa·s之間時(shí)，施工的各項(xiàng)環(huán)節(jié)將處于最優(yōu)狀態(tài)。因此，本試驗(yàn)針對(duì)4種摻量的橡膠瀝青進(jìn)行了177 ℃的黏度檢測(cè)，其結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同反應(yīng)時(shí)間下橡膠瀝青177 ℃黏度指標(biāo)Fig. 2 Viscosity index of rubber asphalt at 177 ℃ under different reaction period

橡膠瀝青在使用過(guò)程中會(huì)有一個(gè)發(fā)育溶脹的過(guò)程，反應(yīng)時(shí)間在60 min左右，60 min前、后瀝青的黏度對(duì)施工尤為重要。從圖2中可以看出，當(dāng)膠粉摻量為16%和18%、反應(yīng)時(shí)間為60 min、溫度為177 ℃時(shí)的黏度為 1.7～3.2 Pa·s，處在 1.5～4.0 Pa·s范圍之內(nèi)，平緩的黏度曲線為橡膠瀝青的施工提供了保障。而當(dāng)膠粉摻量達(dá)到 20%、反應(yīng)時(shí)間為 60 min、溫度為 177 ℃時(shí)的黏度達(dá)到 8.1 Pa·s，遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范要求的4.0 Pa·s，必將給施工帶來(lái)一定的困難。因此，從施工的便易性出發(fā)，16%～18%的膠粉摻量比較合適。

4 拌和溫度的影響分析

新型物質(zhì)材料的微觀結(jié)構(gòu)變化多與溫度有關(guān)[9-11]。橡膠瀝青的拌合溫度直接關(guān)系到膠粉與基質(zhì)瀝青的熔融速度和程度[12]，反映出瀝青指標(biāo)的變化。在18%膠粉摻量下，不同拌和溫度下橡膠瀝青試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

分析蠕變勁度和蠕變速率數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在175 ℃溫度下，橡膠瀝青的低溫性能相對(duì)較差，而軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)指標(biāo)變化不明顯，車(chē)轍因子G*/sinδ和抗疲勞因子G*·sinδ的變化較為明顯。即：隨著拌和溫度的升高，車(chē)轍因子降低，抗疲勞因子升高。表明：拌和溫度過(guò)高時(shí)，橡膠瀝青的高溫性能和抗疲勞性能下降，建議拌合溫度控制在180 ℃以內(nèi)。

表5 不同拌和溫度下橡膠瀝青性能的檢測(cè)結(jié)果Table 5 Performance test results of rubber asphalt under different mixing temperatures

5 基質(zhì)瀝青類(lèi)型的影響分析

不同的基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)是具有不同的內(nèi)部組分。在膠粉改性過(guò)程中，本試驗(yàn)將2種標(biāo)號(hào)的基質(zhì)瀝青作為研究對(duì)象，選取膠粉摻量為18%，拌合溫度為175 ℃，對(duì)20目的貨車(chē)輪胎膠粉進(jìn)行了試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

瀝青標(biāo)號(hào)較高時(shí)，輕組分的含量較高。從表 6中可以看出，基質(zhì)瀝青在膠粉改性后的低溫性能雖然都滿足PG低溫等級(jí)-34的要求，但是70#基質(zhì)瀝青改性后的性能指標(biāo)優(yōu)于 90#的，其車(chē)轍因子G*/sinδ和抗疲勞因子G*·sin δ反映得較為明顯。因此，在橡膠瀝青應(yīng)用研究中，可根據(jù)不同區(qū)域、氣候條件及路面受力情況，綜合考慮后，對(duì)基質(zhì)瀝青作出選擇。

表6 不同基質(zhì)瀝青下橡膠瀝青性能檢測(cè)結(jié)果Table 6 Performance test results of rubber asphalt under different kinds of the matrix asphalt

6 結(jié)論

根據(jù)SHRP體系試驗(yàn)要求，完善了橡膠瀝青的制備工藝，分析了膠粉對(duì)瀝青改性過(guò)程中的各種影響因素，得出的結(jié)論為：

1) 橡膠瀝青對(duì)膠粉種類(lèi)和細(xì)度具有選擇性。①?gòu)哪z粉型號(hào)上看，膠粉越粗，高溫熔脹后與瀝青形成的網(wǎng)格狀態(tài)越顯著，改性后瀝青瀝青性能越優(yōu)，20目的膠粉優(yōu)于40目和60目的。②從膠粉種類(lèi)上看，貨車(chē)輪胎膠粉改性后橡膠瀝青的軟化點(diǎn)是小車(chē)輪胎膠粉的 1.1～1.3倍。老化前貨車(chē)輪胎膠粉的車(chē)轍因子是小車(chē)輪胎膠粉的 1.5～2.0倍，老化后貨車(chē)輪胎膠粉的車(chē)轍因子是小車(chē)輪胎膠粉改性瀝青的1.6～2.1倍。貨車(chē)輪胎膠粉的抗疲勞因子只占到上限要求的 6%，貨車(chē)輪胎膠粉的蠕變勁度為小車(chē)輪胎膠粉改性瀝青的 65%～75%，整體貨車(chē)膠粉優(yōu)勢(shì)明顯。

2) 隨著膠粉摻量的增加，橡膠瀝青高、低溫性能以及抗老化性能明顯增加。從施工的便易性考慮，16%～18%的膠粉摻量比較合適。

3) 隨著拌和溫度的升高，車(chē)轍因子降低，抗疲勞因子升高，建議拌合溫度控制在180 ℃以內(nèi)。

4) 瀝青標(biāo)號(hào)較高時(shí)，輕組分的含量較高。70#基質(zhì)瀝青經(jīng)過(guò)膠粉改性后的性能指標(biāo)優(yōu)于 90#的，車(chē)轍因子G*/sin δ和抗疲勞因子G*·sin δ反映得較為明顯。即：增加基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)，可提高橡膠瀝青的低溫性能、抗老化性能及抗疲勞性能；反之，橡膠瀝青的高溫性能有所下降。