橡膠瀝青路用性能研究
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橡膠瀝青路用性能研究 作者： 王偉明
ASTM對橡膠瀝青的定義：將廢舊輪胎橡膠回收處理后與一定的助劑混合后摻入瀝青中所形成的材料，其中膠粉質(zhì)量不少于總質(zhì)量的15%，且要求廢胎橡膠顆粒在高溫條件下與瀝青充分反應并膨脹。橡膠瀝青路面因其抗裂性能好，使用壽命長，噪音低且環(huán)保等優(yōu)點，廣泛應用于新路的面層和舊路的加鋪層中，在國內(nèi)外工程中得到了很好的應用。
作為一種路面膠結(jié)料，橡膠瀝青的性能對整個混合料的路用性能具有重要影響，國內(nèi)外關(guān)于橡膠瀝青性能的研究資料仍不全面與具體。該文對橡膠瀝青在不同膠粉摻量、不同靜置存放時間、脫硫外摻劑的三大指標、彈性恢復、旋轉(zhuǎn)粘度等性能指標進行研究，分析其變化規(guī)律。
原材料檢測
基質(zhì)瀝青
橡膠瀝青是由基質(zhì)瀝青與橡膠粉混合攪拌而成，該文選用的基質(zhì)瀝青為茂名AH-70#，其基本性能指標均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》道路石油瀝青70#技術(shù)要求的規(guī)定，可應用于工程實踐。
橡膠粉
橡膠粉是橡膠瀝青的改性劑，研究中所使用的橡膠粉由四川某公司提供，其各項指標均符合GB/T19208-2003及DB/T29-161-2006硫化橡膠粉技術(shù)要求的規(guī)定。同時，所用橡膠粉并非單一粒徑的，而是具有一定級配組成。
橡膠瀝青性能
橡膠瀝青制備工藝：首先將基質(zhì)瀝青加熱到130℃，再將其倒入德國FULUC高速剪切攪拌機中，利用溫控設(shè)備控溫至180℃時加入干燥處理后的橡膠粉，經(jīng)0.5h的高溫化學反應、充分發(fā)育后停止攪拌，灌膜冷卻后即獲得橡膠瀝青。
不同膠粉含量對橡膠瀝青性能的影響
橡膠粉作為橡膠瀝青的改性劑，其摻量對橡膠瀝青的性能有重要影響。一般來說，橡膠粉摻量越高，橡膠瀝青就會變得更加粘稠。分別內(nèi)摻18%和20%膠粉，按前述方法配制橡膠瀝青，同時按規(guī)范規(guī)定分別對其軟化點、25℃針入度、5℃延度和5℃彈性恢復等性能指標進行檢測。
可知：基質(zhì)瀝青25℃針入度比18%和20%膠粉摻量的分別高23、21，而18%和20%膠粉摻量的橡膠瀝青兩者相差2；20%膠粉摻量的橡膠瀝青5℃延度大于18%膠粉摻量的橡膠瀝青；基質(zhì)瀝青軟化點分別比18%和20%膠粉摻量的橡膠瀝青低18.2℃和21.1℃。這說明：橡膠粉的摻入，使得基質(zhì)瀝青變硬，高溫性能得到提高，而且橡膠粉摻量越高，橡膠瀝青越硬，高溫性能越好。
可知：18%膠粉摻量的橡膠瀝青彈性恢復比20%摻量的橡膠瀝青稍好，但僅高1.2%；兩個膠粉摻量的橡膠瀝青彈性恢復基本在80%左右。膠粉摻量的增加有助于瀝青的彈性性能的提高，但提高有限。
橡膠瀝青的粘度較大，60℃時扭矩已超出旋轉(zhuǎn)粘度儀的量程，粘度試驗不能按普通瀝青的溫度要求，因此該文參照ASTMD4402試驗法采用美國布洛克菲爾德旋轉(zhuǎn)粘度儀，測定橡膠瀝青160、180以及190℃時的布氏旋轉(zhuǎn)粘度，試驗時選用27號轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)速為20r/min。
可知：20%膠粉摻量的橡膠瀝青粘度在3個溫度下均高于18%摻量的橡膠瀝青粘度，在160℃時，兩者相差將近2Pa·s，而在190℃時，兩者相差1.3Pa·s；隨著溫度的升高，橡膠瀝青粘度逐級降低，但降低的幅度變緩，20%膠粉摻量的橡膠瀝青190℃粘度較160℃降低2.23Pa·s，降幅38.5%，而18%膠粉摻量的橡膠瀝青降低1.617Pa·s，降幅41.7%。隨著膠粉摻量的增加，粘度也隨之增加，膠粉摻量大的橡膠瀝青，達到最佳施工粘度時溫度較大，從而增加了施工難度，另外過高的溫度也容易引起瀝青的老化，影響其性能。
膠粉摻量對于橡膠瀝青的性能有較大的影響，一定范圍內(nèi)橡膠瀝青的粘度、軟化點、低溫延度隨膠粉摻量增加而提高，橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性提高。但膠粉摻量超出一定范圍后，高溫粘度太大會引起施工困難。
靜置存放時間對橡膠瀝青性能的影響
橡膠粉的摻入，使基質(zhì)瀝青的性質(zhì)發(fā)生了根本變化，其原因是橡膠粉吸收了基質(zhì)瀝青中部分輕質(zhì)油份，從而發(fā)生了溶脹，隨著時間的推移，溶脹程度會逐級提高，對基質(zhì)瀝青的改性效果也越明顯。基于此，對不同靜置存放時間、不同靜置溫度的橡膠瀝青性能進行檢測，分析其粘度、軟化點、25℃針入度、5℃延度和25℃彈性恢復等性能的變化，選定135、150、170、190℃共4個不同的靜置溫度。
（1）隨著靜置時間的增加，190℃靜置溫度下的25℃針入度先增大后減小；而170℃和150℃靜置溫度下的25℃針入度正好相反，先減小后增大，然后再減小，但是150℃的后期下降；135℃靜置溫度下的25℃針入度開始增加較快，后期增加緩慢。
（2）190、170和150℃靜置溫度下靜置不同時間的5℃延度與190、170和150℃靜置溫度下靜置不同時間的25℃針入度具有基本一致的變化規(guī)律，但135℃靜置溫度下的5℃延度是先減后增，而且后期緩慢減小。
（3）隨著時間的增加，190℃和170℃靜置溫度下的軟化點逐漸減小，但190℃的后期逐漸趨向穩(wěn)定；150℃靜置溫度下的軟化點變化較為反復，但總體趨勢也是逐漸減小；而135℃靜置溫度下的軟化點卻是先減小后增加。同時還可以發(fā)現(xiàn)，190℃靜置溫度下靜置時間不超過50h的軟化點均比其他3個靜置溫度下的軟化點高。
（4）隨著靜置時間的增加，190℃和150℃靜置溫度下的25℃彈性恢復逐漸減小，但190℃的下降漸快；170℃靜置溫度下的25℃彈性恢復逐漸增加，最終基本穩(wěn)定在89%左右；135℃靜置溫度下的25℃彈性恢復變化較為反復，但整體趨勢也是逐漸下降。
為了更好地分析比較不同靜置溫度下靜置不同時間的布氏旋轉(zhuǎn)粘度變化規(guī)律，繪制190、170、150和135℃共4個靜置溫度下不同靜置時間后的190℃布氏旋轉(zhuǎn)粘度和177℃布氏旋轉(zhuǎn)粘度隨時間的變化圖。
可知：隨著靜置時間的增加，190℃靜置溫度下的粘度逐漸減小；170和150℃靜置溫度下的粘度開始時增加較快，然后逐漸減小，150℃靜置溫度下的粘度下降幅度較170℃的大；135℃靜置溫度下的粘度正好相反開始減小后增加。
可知：隨著靜置時間的增加，不同靜置溫度下的177℃布氏旋轉(zhuǎn)粘度變化情況與190℃布什旋轉(zhuǎn)粘度變化規(guī)律基本一致，只是兩者量值之間稍有差異。總體而言，高靜置溫度的橡膠瀝青材料隨靜置時間的增加，粘度降低較快。通過增加靜置時間與提高靜置溫度的方法，雖然可以降低施工溫度，但在工程實踐中面臨著巨大的能耗與瀝青老化的問題，因此該方法不適用于工程實踐。
較長時間的高溫靜置（存儲）對橡膠瀝青的性能有較大的影響。高溫靜置（存儲）的溫度越高、時間越長，對橡膠瀝青的彈性性能有較大影響。高溫靜置的最初2~12h內(nèi)，橡膠瀝青的性能變化最顯著，往后則趨于穩(wěn)定。
外摻劑對橡膠瀝青性能的影響
在橡膠加工成輪胎的過程中，往往采用硫化工藝，以期提高輪胎強度及整體性能。硫化使得輪胎具備了高強度、高彈性、高耐磨性、抗老化以及抗腐蝕等優(yōu)良性能。值得注意的是，橡膠瀝青所用的橡膠粉是由廢舊輪胎回收后破碎而來，雖歷經(jīng)破碎，但橡膠粉顆粒仍具有硫化物性質(zhì)。由于硫化的橡膠粉與瀝青表面性質(zhì)不同，兩者相容性較差，難以形成良好的粘結(jié)界面。因此，通常需要對破碎后的橡膠粉進行脫硫處理，脫硫是硫化的逆過程，脫硫中常用高溫脫硫和活化劑脫硫兩種方法。
該文采用活化劑脫硫法，以420活化劑對橡膠粉進行脫硫處理，脫硫后按前述工藝配制橡膠瀝青，檢測其軟化點、25℃針入度、5℃延度以及25℃彈性恢復等性能指標。
活化劑的摻入，使得25℃針入度比無活化劑的橡膠瀝青值略微偏小，5℃延度比無活化劑的橡膠瀝青值小11~20mm，而0.45%和0.90%活化劑摻量的軟化點比無活化劑的橡膠瀝青值分別高1.2和低1.7℃。脫硫后的橡膠瀝青三大性能指標都得到了提升，延度最為明顯，脫硫后改善了瀝青與橡膠粉的粘結(jié)，使其延性增加。
可知：420活化劑的摻入，使得橡膠瀝青25℃彈性恢復有所增加，其中0.45%摻量的增加最多。與沒摻入活化劑的橡膠瀝青25℃彈性恢復相比，摻入0.45%活化劑的值增加1.5%，而摻入0.905活化劑的值增加0.55.
數(shù)據(jù)可知，420活化劑的摻入，使得粘度有所降低，而且175℃旋轉(zhuǎn)粘度隨著活化劑摻量的增加而降低。與沒摻入活化劑的橡膠瀝青175℃旋轉(zhuǎn)粘度相比，摻入0.45%活化劑的值降低8.9%，而摻入0.90%活化劑的值降低18.1%。通過橡膠粉的脫硫，降低了橡膠瀝青高溫粘度，從而降低了施工難度，保證了橡膠瀝青的性能。
脫硫后橡膠瀝青與膠粉的相容性得到改善，其性能更佳，尤其是延性與彈性的增加，另外可降低其施工溫度，若采用420活化劑脫硫，摻量宜為1%左右。在工程實踐中盡量在使用前進行簡單脫硫處理。
結(jié)論
通過對橡膠瀝青在不同膠粉摻量、不同靜置存放時間、不同靜置溫度、添加脫硫外摻劑的三大指標、彈性恢復、旋轉(zhuǎn)粘度等性能的研究分析，可得出以下結(jié)論：
（1）膠粉摻量對于橡膠瀝青的性能有較大的影響，一定范圍內(nèi)橡膠瀝青的粘度、軟化點、低溫延度隨膠粉摻量增加而提高，橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性提高。
（2）較長時間的高溫靜置（存儲）對橡膠瀝青的性能有較大的影響。高溫靜置（存儲）的溫度越高、時間越長，對橡膠瀝青的性能影響越大。高溫靜置的最初2~12h內(nèi)，橡膠瀝青的性能變化最顯著。
（3）添加420活化劑經(jīng)簡單脫硫后橡膠瀝青的性能得到提高，可降低施工溫度，建議摻量為1%左右。
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