橡胶沥青制作工艺的研究

2014-08-23李洪峰陈振超

森林工程 2014年5期

袁航，李洪峰，陈振超

(1.黑龙江省呼兰养路总段，哈尔滨 150500；2.东北林业大学土木工程学院，哈尔滨 150040)

基质沥青加入橡胶粉能够改善沥青的高温稳定性及低温变形能力[1]，橡胶沥青在道路工程中具有较好的应用前景。影响胶粉与沥青反应的因素有很多，包括胶粉的质量及加工工艺、沥青品质、胶粉掺量、拌合方法、拌合时间和拌合温度等[2]。胶粉中的炭黑含量、天然橡胶含量及灰分等都会影响胶粉与沥青的反应效果，为了获得良好的路用性能，国内建议选用天然橡胶含量高的斜交胎胶粉[3-4]。胶粉的生产一般采用常温粉碎和冷冻法粉碎两种方法[5]，常温粉碎的胶粉表面粗糙，突起多，比表面积大，活性高，而低温粉碎的胶粉与之相反，因此建议采用常温粉碎的胶粉。橡胶沥青的拌合方式包括高速剪切和简单搅拌[6]，高速剪切能够使胶粉均匀快速地分散到沥青中，但实验证明改性效果不明显，而且费用高，国外为提高橡胶沥青的生产效率，常采用高速剪切加简单搅拌的拌合方法。

1 实验材料和实验方案

1.1 实验材料

90#道路基质沥青技术指标见表1。

表1 90#基质沥青性能指标

胶粉：胶粉颗粒过粗对沥青混合料的级配产生干涉影响，不易压实，过细价格偏高，故采用常温粉碎法生产的斜交胎粉，型号有30目、40目、60目和80目，技术指标见表2。

表2 胶粉技术指标

1.2 橡胶沥青的制备：

研究表明湿拌法橡胶沥青改性效果显著[7]，故采用湿拌法拌合，将90#基质沥青加热到160℃，然后将预先称量好的胶粉缓缓加入，经过简单搅拌后，采用沥青搅拌台在规定的温度下机械剪切60 min。

2 结果与分析

2.1 温度对橡胶沥青性能的影响

选用40目的胶粉，掺量为20%(内掺)，分别在170、180、190、200和210℃的拌合温度下机械搅拌60 min，实验方案以针入度、延度、软化点、黏度、弹性恢复为评价指标[8]，按照JTG E20-2011试验规程进行试验[9]，测得结果见表3。

表3 40目橡胶沥青不同拌合温度下的技术指标

由实验结果可知，基质沥青掺入胶粉后，各技术指标与基质沥青相比均有大幅度的改善。随着温度的升高，针入度先减小后增大，延度和黏度与之相反，弹性恢复呈增长趋势，各指标多数在190℃左右时存在峰值。这是因为随着温度升高，沥青黏度减小，胶粉更容易在沥青中均匀分散，胶粉与沥青溶胀反应更充分，使得沥青中的轻质组分被胶粉充分吸收，沥青质含量相对增多，沥青变得粘稠，弹性增大，因而针入度、低温延度、软化点及黏度增大。然而温度继续升高，沥青中的有机组分发生氧化，胶粉内部发生脱硫反应，胶粉部分溶解在基质沥青中，使得橡胶沥青弹性损失，黏度降低，造成针入度反而增大、延度减小、弹性恢复率减小的结果。由此可知，橡胶沥青的拌合温度并不是越高越好，而是存在某个峰值，使得橡胶沥青的技术指标达到更优，本实验所采用的最佳拌合温度为190℃，该条件下的橡胶沥青稠度高，弹性好。

2.2 掺量及粒径对橡胶沥青性能的影响

在确定最佳拌合温度试验的基础上，进一步在室内进行橡胶沥青制备工艺的研究，将不同粒径不同掺量的胶粉加入基质沥青中，测得针入度、延度、软化点、黏度和弹性恢复率。

2.2.1 针入度随胶粉掺量及粒径的变化规律

图1 针入度随胶粉掺量及粒径的变化规律

如图1所示，基质沥青掺入胶粉后，针入度均有了很大程度的提高，说明废胎胶粉能够明显改善沥青的稠度，使得基质沥青降低一个标号，针入度曲线的走向基本上呈先增大后减小的趋势，胶粉粒径不同，对稠度的改善效果也不同，根据数据可知30目针入度最小，效果最显著，其次是80目、40目和60目。

2.2.2 软化点随胶粉掺量及粒径的变化规律

由图2可以看出软化点随胶粉掺量的增加而增大，随粒径的减小而增大。同时随着掺量的增大不同粒径胶粉的橡胶沥青软化点差值变小，软化点曲线也趋于平缓，说明掺量达到一定水平后，胶粉已将基质沥青中轻质组分吸收完全，多余的自由胶粉可能会影响沥青的其他指标。

图2 软化点随胶粉掺量及粒径的变化规律

2.2.3 延度随胶粉掺量及粒径的变化规律

为检验沥青的低温指标，本实验以5℃条件下的延度作为控制指标，拉伸速度为1 cm/min[10]，结果如图3所示。

图3 延度随胶粉掺量及粒径的变化规律

由图3可知，掺加30目胶粉的橡胶沥青延度维持在较低水平，随掺量变化较小，其原因在于30目胶粉颗粒过粗，分散在橡胶沥青的断面处，在沥青断裂口较细处产生较大的局部应力，沥青断面为撕裂状，其拉伸长度较短，这也说明不宜用延度作为粗胶粉橡胶沥青的技术指标。

对于30目以上的橡胶沥青，其延度随掺量增加而增大，随粒径减小而增大，在掺量为24%时有减小的趋势，胶粉在基质沥青中吸收轻质组分，发生溶胀溶解，沥青质含量相对增加，使沥青的延伸性能增加，延度增大。但随着胶粉的增多，沥青中的轻质组分被胶粉吸收完全，多余的橡胶颗粒游离在沥青中，不但不能改善沥青的低温性能，而且阻碍沥青在低温时的拉伸。胶粉粒径越小，沥青的低温延性越好，这是因为胶粉粒径越小，比表面积越大，胶粉更容易分散到沥青中，更能充分的溶胀溶解，与沥青发生反应。此外，沥青在低温时发生收缩，产生温度应力，胶粉粒径越小，小粒径胶粉颗粒产生的局部应力越小。

2.2.4 黏度随胶粉掺量及粒径的变化规律

试验采用布洛克菲尔德黏度计测定177℃黏度，转子为SC4-27#转子，试验测得多组不同转速下的黏度值，内插法得到扭矩为50%的黏度，以此黏度为实验标准值，实验结果如图4所示。

实验结果得出30目的黏度值最小，随掺量变化幅度很小，其他粒径胶粉对沥青的黏度增加产生很大作用，胶粉越细黏度越大，但是达到60目后，通过减小胶粉粒径提高沥青黏度的方法效果不明显。

为保证橡胶沥青的施工和易性[11-13]，参考美国亚利桑那州橡胶沥青技术规范，177℃黏度范围应控制在1.5～4.0Pa.s[14]。

图4 黏度随胶粉掺量及粒径的变化规律

2.2.5 弹性恢复随胶粉掺量及粒径的变化规律

弹性恢复能够体现沥青发生应变时的恢复能力，对于沥青混合料的抗疲劳破坏能力有着重要影响。图5为各粒径下不同掺量的橡胶沥青弹性恢复实验结果，看出橡胶粉的加入对沥青的弹性恢复有显著的影响，弹性恢复率随掺量的增大逐渐增大，在达到胶粉掺量24%时，弹性恢复率的增加幅度变得缓慢，除30目橡胶沥青外，其他粒径胶粉的橡胶沥青弹性恢复率趋于90%。60目、80目的弹性恢复率都在75%以上，加入胶粉使得沥青受拉变形的恢复能力明显提高。30目的橡胶沥青与其他橡胶沥青相比，抵抗变形的能力偏小，原因在于，胶粉粒径较粗，会停滞沥青的回缩，使沥青的受拉变形得不到及时恢复。

图5 弹性恢复随胶粉掺量及粒径的变化规律

2.3 经济性分析

表4为本实验所采用胶粉价格，随着胶粉粒径的减小，胶粉价格增幅逐渐变大。由以上实验结果可以看出30目橡胶沥青指标普遍偏低，将80目橡胶沥青与60目橡胶沥青相比较，见表5发现80目橡胶沥青与60目橡胶沥青性能指标相近。80目黏度超过4Pa.s，施工和易性差，60目各性能指标符合橡胶沥青各技术指标见表6，故宜采用60目胶粉制备道路橡胶沥青，合适掺量为24%。