橡胶沥青及混合料高温性能的影响因素研究

2014-05-28杨爱军

湖南交通科技 2014年4期

杨爱军

(衡水公路工程总公司，河北衡水 053000)

0 前言

随着橡胶制品工业的飞速发展，橡胶制品需求量日益增长，同时废弃橡胶也日益增多，废旧橡胶不仅污染环境，而且危害人类健康，因此合理循环利用废旧橡胶显得至关重要［1］。研究表明［2］，将废旧橡胶制品磨成粉后加到沥青混合料中制成的橡胶沥青材料在道路工程中得到了广泛应用。目前对橡胶沥青材料高温性能的研究主要体现在沥青混合料方面［3，4］，然而沥青混合料作为一种三维网络体系，其中起主要粘结作用的是沥青结合料，因此研究橡胶沥青结合料的高温性能意义重大。基于此，本文通过试验，研究了橡胶粉细度和掺量对橡胶沥青和橡胶沥青混合料高温性能的影响，并对比了两者的变化规律，最后研究了油石比对橡胶沥青混合料高温性能的影响，为促进橡胶沥青材料在道路工程中的应用打下理论基础。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

本文基质沥青选用Shell70#基质沥青，其主要技术指标见表1;粗细集料均选用玄武岩，矿粉为磨细的石灰石粉，其主要技术指标均能满足规范要求;橡胶粉选用焦作市弘瑞橡胶有限公司生产的废旧轮胎橡胶粉，粒度分别为40 目、60 目和80 目。橡胶沥青混合料级配采用AC—13，并以其级配上限和下限的中值作为合成级配，具体见表2。

表1 Shell70#的基本技术指标

表2 橡胶沥青混合料合成级配

1.2 试验方法

称取一定质量的基质沥青加热至155 ℃后，将不同细度和掺量的橡胶粉加入到沥青中并用玻璃棒不停搅拌直至搅拌均匀，采用布氏粘度计测定不同条件下橡胶沥青的粘度，其中试验温度为175 ℃。

按标准方法成型不同橡胶粉细度、掺量和油石比下的300 mm×300 mm ×50 mm 的沥青混合料车辙板，在60 ℃条件下进行车辙试验，测定其稳定度，评价橡胶沥青混合料的高温性能。

2 试验结果及分析

2.1 橡胶粉细度对高温性能的影响

为了对比研究橡胶粉细度对沥青及沥青混合料高温性能的影响，控制橡胶粉掺量为20%，油石比为5.4%，分别将40 目、60 目和80 目的橡胶粉加入到沥青及沥青混合料中，测定橡胶沥青在175 ℃的布氏粘度和沥青混合料在60 ℃的动稳定度，试验结果见图1。

图1 橡胶粉细度对沥青及混合料高温性能的影响

从图1可以看出，随着橡胶粉目数的增大，橡胶沥青的粘度逐渐下降，例如当橡胶粉目数由40 目增大到60 目和 80 目时，橡胶沥青的粘度分别由2.0 Pa·s 减小至 1.6 Pa·s 和 1.3 Pa·s。而橡胶沥青混合料的动稳定度却随着橡胶粉目数的增大出现先增大后减小的趋势，其中当橡胶粉目数为60 目时的动稳定度最大为2 025 次/mm。这主要是因为，对橡胶沥青而言，一方面测定粘度时钻子与试桶之间的间距较小，当橡胶粉目数较小时，橡胶粉颗粒较粗，增加了橡胶粉颗粒与钻子之间的摩擦力，因此使粘度变大;另一方面橡胶粉目数越小，粒径越大，橡胶粉颗粒相互接触，在外力作用下相互之间的摩阻力越大，因此粘度越大。对橡胶沥青混合料而言，当橡胶粉掺量相同时，随着目数的增加，橡胶粉总比表面积增大，一方面填充在沥青混合料孔隙中的橡胶粉颗粒增多，沥青混合料孔隙率减小，密实度增大;另一方面橡胶粉吸附的沥青增多，沥青胶浆粘度增大，与骨料之间的粘结力增强，因此动稳定度增大，沥青混合料高温稳定性提高。当橡胶粉目数大于60 目时，随目数的增大，橡胶粉总比表面积急剧增大，吸附沥青的量大幅增多，混合料中自由沥青减少，沥青胶浆粘度急剧增长，沥青混合料不易压实，因此再增加橡胶粉目数会使动稳定度降低。

2.2 橡胶粉掺量对高温性能的影响

选取60 目的橡胶粉，油石比为5.4%，控制橡胶粉掺量分别为18%、20%和22%，测定不同橡胶粉掺量下橡胶沥青在175 ℃时的布氏粘度，以及橡胶沥青混合料在60 ℃时的动稳定度，研究橡胶粉掺量对橡胶沥青和橡胶沥青混合料高温性能的影响，试验结果见图2。

图2 橡胶粉掺量对沥青及混合料高温性能的影响

从图2可以看出，随着橡胶粉掺量的增多，橡胶沥青的粘度和橡胶沥青混合料的动稳定度都大幅增长，但是增长幅度有所不同。例如当橡胶粉掺量由18%增大到20%和22%时，橡胶沥青的粘度分别从2.9 Pa·s 增大到 3.6 Pa·s 和3.7 Pa·s，增幅分别为24.1%和27.6%;橡胶沥青混合料的动稳定度分别由 3 425 次/mm 增大到 3 915 次/mm 和 4 030次/mm，增幅分别为14.3%和17.7%。表明当橡胶粉掺量大于20%时，再增加掺量对橡胶沥青和橡胶沥青混合料高温性能的改善作用不明显。这主要是因为，当橡胶粉掺量小于20%时，橡胶粉吸附的自由沥青较少，沥青粘度较小，此时增大橡胶粉掺量使自由沥青含量急剧减小，沥青粘度急剧增大，沥青和矿料之间的粘结力急剧增长，因此动稳定度增大，沥青混合料高温稳定性增强。当橡胶粉掺量大于20%时，橡胶粉总比表面积较大，一部分橡胶粉表面无法被自由沥青完全裹附，因此再增加橡胶粉掺量对提高沥青粘度效果不大，沥青混合料高温稳定性改善不显著，当橡胶粉掺量大于22%时，由于橡胶粉在沥青和沥青混合料中分别的均匀性变差，有可能使橡胶沥青和橡胶沥青混合料的高温性能变差。

2.3 油石比对高温性能的影响

选取60 目橡胶粉，控制橡胶粉掺量为20%，以油石比分别为4.4%、4.7%、5.4%、5.7%和6.4%成型标准车辙板，在60 ℃条件下进行车辙试验，测定动稳定度，研究油石比对橡胶沥青混合料高温稳定性的影响，试验结果见图3。

图3 油石比对沥青混合料高温稳定性的影响

从图3可以看出，随着油石比的增大，橡胶沥青混合料的动稳定度逐渐降低，高温稳定性逐渐变差。其中当油石比小于5.9%时，随着油石比的增大，橡胶沥青混合料的动稳定度降低幅度不大，但当油石比大于5.9%时，随着油石比的增大，动稳定度急剧降低。例如当油石比由5.4%增大到5.9%时，动稳定度由 3 915 次/mm 下降到3 637 次/mm，降低幅度为7.1%，而当油石比由5.9%增大到6.4%时，动稳定度由3 637 次/mm 降低为2 966 次/mm，降低幅度为18.4%。因此从高温性能方面考虑，橡胶沥青混合料的油石比不宜大于5.9%。这主要是因为，当油石比大于5.9%时，沥青在集料表面形成一层过厚的自由沥青膜，使沥青和矿料之间的粘结力大幅下降，因此动稳定度急剧降低。