黃振華

(廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

經(jīng)過數(shù)十年的高速發(fā)展，我國已經(jīng)建成了十分發(fā)達(dá)的公路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《2020年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，截至2020年末，我國公路總里程已達(dá)到519.81萬km，同比增長18.56萬km，其中高速公路為16.10萬km。瀝青路面以其優(yōu)良的行車舒適性、相對(duì)經(jīng)濟(jì)的新建維修養(yǎng)護(hù)成本、建成后開放交通時(shí)間短，已成為我國高等級(jí)公路及市政公路的主要結(jié)構(gòu)形式。但是瀝青路面長期在交通荷載和自然環(huán)境作用下已出現(xiàn)疲勞開裂、車轍擁包、松散剝落等病害，從而降低了瀝青路面的使用性能及服役壽命。同時(shí)，隨我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車行業(yè)也得到高速發(fā)展，根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公布數(shù)據(jù)，截至2020年我國民用汽車保有量已經(jīng)超過2.7億輛。巨大的汽車保有量產(chǎn)生大量的廢舊棄用的橡膠輪胎，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。

相關(guān)研究表明，橡膠、SBS、丁苯膠乳等聚合物改性瀝青可以提高瀝青混合料的路用性能。因此，如何利用橡膠輪胎制備橡膠改性瀝青提高瀝青混合料路用性能成為道路研究者的研究重點(diǎn)。美國從20世紀(jì)80年代便開始將廢棄輪胎制備的膠粉用于瀝青改性并展開工程應(yīng)用；我國交通運(yùn)輸部在2007年將“廢舊橡膠粉筑路應(yīng)用技術(shù)”作為重點(diǎn)研究和推廣應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)行了示范和宣傳。我國大量學(xué)者也對(duì)橡膠改性瀝青技術(shù)及橡膠瀝青混合料進(jìn)行大量研究，何志俊[1]對(duì)SBS/橡膠粉復(fù)合改性瀝青進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)橡膠粉摻量超過13%時(shí)，改性瀝青黏度過大不易于施工；郭琦等[2]對(duì)不同等級(jí)的基質(zhì)瀝青改性瀝青進(jìn)行黏彈性、彈性恢復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高標(biāo)號(hào)瀝青改性效果較好，AS90#瀝青的最佳膠粉摻量為22%；張蕾等[3]對(duì)三種不同脫硫膠粉改性瀝青進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)脫硫膠粉改性瀝青高溫穩(wěn)定性有一定下降，但是水穩(wěn)定性能得到明顯提升。

綜上所述，橡膠改性瀝青是道路工作者的重要研究方向。橡膠瀝青混合料具有良好路用性能且可實(shí)現(xiàn)廢棄橡膠的“廢物利用”，本文將從基質(zhì)瀝青標(biāo)高、膠粉摻量及膠粉目數(shù)三個(gè)因素展開膠粉改性瀝青制備方法研究及改性機(jī)理分析。

1 原材料

1.1 瀝青

基質(zhì)瀝青選用東海牌50#、70#、90#三種不同標(biāo)號(hào)的瀝青，其常見性能指標(biāo)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青常見性能指標(biāo)表

1.2 橡膠粉

膠粉采用斜交胎磨細(xì)的40目、60目、80目橡膠粉，其主要性能指標(biāo)見表2。

表2 橡膠粉主要性能指標(biāo)表

2 橡膠改性瀝青制備

2.1 橡膠改性瀝青制備

橡膠改性瀝青制備工藝分干法及濕法兩種，干法制備是將橡膠粉與集料攪拌混合均勻后，再加入瀝青制得瀝青混合料；濕法制備是指將橡膠粉加入瀝青中制得橡膠瀝青后，再與礦料拌和。本文以橡膠改性瀝青為研究對(duì)象，因此采用濕法工藝制備橡膠改性瀝青，其制備過程如下：將基質(zhì)瀝青加熱至170 ℃，然后摻入定量橡膠粉，采用玻璃棒攪拌30 min，再用高速剪切機(jī)剪切60 min，最后再放入150 ℃烘箱中靜置發(fā)育，排出氣泡。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

橡膠改性瀝青制備過程中考慮基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)、橡膠粉目數(shù)及摻量對(duì)改性效果影響，考慮全因素試驗(yàn)方法工作量較大，擬采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行改性瀝青制備研究。L9(33)正交試驗(yàn)因素及水平見表3。

表3 L9(33)正交試驗(yàn)因素及水平表

2.3 橡膠改性瀝青性能分析

基于正交試驗(yàn)方案，對(duì)制備好的瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)及延度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 橡膠改性瀝青性能測試結(jié)果表

和值分析法是對(duì)相同水平下試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行算術(shù)求和，用求和結(jié)果分析該水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)的影響。本文采用和值分析法對(duì)橡膠改性瀝青的改性效果進(jìn)行分析。

2.3.1 針入度

各因素對(duì)橡膠粉改性瀝青針入度影響結(jié)果見圖1。

由圖1可知：隨基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)及橡膠粉摻量的提高，橡膠改性瀝青針入度和值逐漸降低，基質(zhì)瀝青為90#時(shí)，降低最明顯，這是因?yàn)殡S標(biāo)號(hào)提高，基質(zhì)瀝青本身黏度及針入度也在降低，另一方面橡膠瀝青改性過程中，膠粉顆粒吸收了瀝青中大量的輕質(zhì)組分，并溶脹發(fā)育，黏度增加，使瀝青“變硬”，因此表現(xiàn)出針入度和值減小現(xiàn)象。

圖1 不同因素水平下針入度和值變化曲線圖

隨橡膠粉目數(shù)增大，針入度和值出現(xiàn)先增加后減小趨勢，這可能是因?yàn)殡S橡膠粉目數(shù)增加，橡膠粉比表面積增大，吸收大量輕質(zhì)組分后溶脹更充分，瀝青表現(xiàn)為“更軟”，而隨著橡膠粉顆粒比表面積再增大，吸收輕質(zhì)組分過多，瀝青中瀝青質(zhì)含量相對(duì)增加，瀝青表現(xiàn)為“變硬”，針入度和值下降。

2.3.2 軟化點(diǎn)

各因素對(duì)橡膠改性瀝青軟化點(diǎn)影響結(jié)果見圖2。

圖2 不同因素水平下軟化點(diǎn)和值變化曲線圖

由圖2可知：隨著基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)、橡膠粉摻量及橡膠粉目數(shù)三個(gè)因素的水平提高，改性瀝青軟化點(diǎn)和值增加，瀝青高溫性能改善。一方面，隨基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)提高，瀝青軟化點(diǎn)升高；另一方面隨橡膠粉摻量增加，橡膠粉目數(shù)增大，橡膠粉吸收了瀝青中更多的輕質(zhì)組分，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量相對(duì)提高，因而瀝青軟化點(diǎn)升高。

2.3.3 5 ℃延度

各因素對(duì)橡膠改性瀝青5 ℃延度影響結(jié)果見圖3。

圖3 不同因素水平下5 ℃延度和值變化曲線圖

由圖3可知：隨基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)增大及橡膠粉摻量增加，橡膠改性瀝青5 ℃延度和值增大，這是因?yàn)殡S基質(zhì)瀝青標(biāo)號(hào)增大，基質(zhì)瀝青的延展性更好；隨橡膠粉摻量增加，膠粉在瀝青中不斷發(fā)生溶脹，瀝青延度得到持續(xù)提高，因此瀝青延度增加。

隨橡膠粉目數(shù)增加，改性瀝青5 ℃延度和值先增加，后略微下降，這可能是因?yàn)殡S橡膠粉目數(shù)增大，膠粉顆粒比表面積增大，吸收了大量的輕質(zhì)組分，而瀝青中的輕質(zhì)組分有限，膠粉無法溶脹而在瀝青中形成聚團(tuán)分布，導(dǎo)致瀝青延度降低。

2.3.4 影響程度分析

采用SPSS軟件對(duì)表4試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示。

表5 方差分析結(jié)果表(P值)

由表5可知，三因素對(duì)針入度、軟化點(diǎn)及5 ℃延度影響程度排序一致，由大到小排序?yàn)椋合鹉z粉摻量>瀝青標(biāo)號(hào)>橡膠粉目數(shù)。結(jié)合前文各因素水平對(duì)瀝青性能影響趨勢，推薦70#基質(zhì)瀝青、60目橡膠粉及22%橡膠粉摻量為橡膠改性瀝青制備材料參數(shù)，制備橡膠瀝青為后續(xù)試驗(yàn)選用。

3 橡膠改性瀝青機(jī)理分析

橡膠改性瀝青的改性過程較為復(fù)雜，前文通過改性瀝青性能研究，探討了原材料因素對(duì)改性效果影響，本節(jié)擬通過紅外光譜試驗(yàn)及原子力顯微鏡試驗(yàn)對(duì)70#基質(zhì)瀝青、60目橡膠粉及前文制備的推薦橡膠改性瀝青進(jìn)行分析，探討橡膠改性瀝青機(jī)理。

3.1 紅外光譜試驗(yàn)分析

紅外光譜試驗(yàn)是利用紅外光譜中吸收峰的特征來確定試驗(yàn)樣品分子結(jié)構(gòu)與官能團(tuán)含量的一種微觀分析方法。70#基質(zhì)瀝青、60目橡膠粉及橡膠改性瀝青的紅外光譜圖分別如圖4～6所示。

圖4 基質(zhì)瀝青紅外光譜圖

圖5 橡膠粉紅外光譜圖

圖6 橡膠改性瀝青紅外光譜圖

對(duì)圖4～6分析可知，橡膠瀝青改性過程主要以物理改性為主。對(duì)比橡膠改性瀝青和基質(zhì)瀝青紅外光譜圖發(fā)現(xiàn)，改性前后，紅外光譜圖特征相似程度高，說明幾乎沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；但基質(zhì)瀝青經(jīng)過改性后，橡膠瀝青在2 850～3 000 cm-1的吸收峰變化較?。欢? 250～2 500 cm-1處的吸收峰消失，說明官能團(tuán)發(fā)生斷裂；在1 250～1 500 cm-1波數(shù)處，吸收峰減弱，這是因?yàn)樵谙鹉z瀝青改性過程中，膠粉中的C=C雙鍵在剪切作用下被打開，與瀝青形成新的聯(lián)合結(jié)構(gòu)，因此在此范圍內(nèi)橡膠改性瀝青的紅外光譜吸收峰減弱[4]。由此可知，橡膠改性以物理改性為主。

3.2 掃描電子顯微鏡分析

為揭示改性過程中瀝青在微觀尺度上的變化，采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)基質(zhì)瀝青、橡膠粉及橡膠改性瀝青進(jìn)行觀察。掃描圖像見圖7。

(a)基質(zhì)瀝青

由圖7可知，基質(zhì)瀝青放大后表面光滑，材料均勻，在局部位置有少量雜質(zhì)；橡膠粉材料表面不均勻，有結(jié)團(tuán)粘結(jié)現(xiàn)象，表面布滿褶皺孔洞，顆粒粒徑較大；橡膠改性瀝青SEM圖像顯示橡膠粉在瀝青中分布均勻，被瀝青包裹不與瀝青相容，且粒徑減小。這可能是因?yàn)橄鹉z粉在高溫剪切作用下發(fā)生裂解，成為小分子橡膠粉顆粒，這與前文紅外光譜試驗(yàn)得出橡膠改性主要是物理改性的結(jié)論相符。

4 結(jié)語

本文針對(duì)橡膠瀝青制備影響因素與改性機(jī)理研究，通過正交試驗(yàn)展開了性能試驗(yàn)及微觀機(jī)理試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)瀝青標(biāo)號(hào)、橡膠粉摻量及橡膠粉目數(shù)對(duì)改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)及5 ℃延度影響程度一致，由大到小排序?yàn)椋合鹉z粉摻量>瀝青標(biāo)號(hào)>橡膠粉目數(shù)。

(2)根據(jù)瀝青標(biāo)號(hào)、橡膠粉摻量及橡膠粉目數(shù)對(duì)針入度、軟化點(diǎn)及5 ℃延度影響趨勢分析，得出橡膠瀝青制備推薦材料參數(shù)為70#基質(zhì)瀝青、60目橡膠粉及22%橡膠粉摻量。

(3)橡膠改性主要為物理改性，改性過程中未出現(xiàn)新的化學(xué)鍵，橡膠粉在改性過程中在高溫及高速剪切條件下發(fā)生裂解，顆粒粒徑減小，橡膠粉可在瀝青中均勻分布，被瀝青包裹。