橡胶/塑料复合改性沥青及混合料的流变性能

2017-03-30张红春

筑路机械与施工机械化 2017年3期

张红春

摘要：以废旧橡胶和塑料为改性剂，采用合理的制备工艺对基质沥青及混合料进行改性，并通过动态剪切流变试验对单相改性和复合改性沥青展开研究。结果显示：相比于单相改性，复合改性明显改善了沥青的高温性能和感溫性，但会使其抗疲劳性能有所降低；橡胶、塑料复合改性沥青混合料的流变性指标的变化趋势与温度区间有关，综合确定最佳的橡胶、塑料比例为7∶3。

关键词：道路工程；改性沥青；复合改性；流变特性

中图分类号：U414.01 文献标志码：B

文章编号：1000-033X（2017）03-0058-05

Abstract： The matrix asphalt and mixture were modified with waste rubber and plastic in a reasonable preparation process， and the dynamic shear rheological test was carried out to study the separate and composite modification of asphalt. The results show that compared with the separate modification， the composite modification can obviously improve the high temperature performance and temperature susceptibility of the asphalt， but it will reduce the fatigue performance； the change tendency of the rheological indicators of the rubber and plastic composite modified asphalt mixture is related to the temperature range， and the optimum ratio of rubber to plastic is 7∶3.

Key words： road engineering； modified asphalt； composite modification； rheological property

0 引言

道路工程中，将废旧橡胶和塑料用于沥青改性不仅能改善沥青的性能，延长沥青路面的使用寿命，而且能为利用工业废料提供一条合理途径[1-3]。马朝鲜、耿立涛等人的研究表明，以废旧橡胶为改性剂能明显提高沥青的低温性能，但会劣化沥青的高温性能；赖增成、刘克等人将废旧塑料颗粒用于沥青改性，结果表明塑料虽然能显著改善沥青的高温性能，但对沥青低温性能和弹性变形能力的改善程度较差[4-6]。因此，以单一的改性剂对沥青改性，虽然能改善某方面的性能，但会使其他性能劣化；而采用2种不同材料对沥青进行改性，可以发挥2种材料各自的优势，同时兼顾沥青的各方面性能，对沥青进行最优化的改性[7-8]。基于此，本文通过流变试验研究不同橡塑比（R/P，橡胶含量为R，塑料含量为P）时沥青的流变特性，并与橡胶或塑料单相改性的沥青对比，优选出合理的R/P；在最佳R/P的基础上，研究复合改性沥青混合料、橡胶沥青混合料和SBS改性沥青混合料的流变特性，为废旧橡胶和塑料在道路工程中的应用提供理论参考。

1 试验

1.1 原材料

基质沥青采用AS70#沥青，改性沥青选用星型SBS改性沥青，其主要技术指标见表1、2。橡塑复合改性剂为自行研发，其中R/P分别控制为1∶1、3∶2、7∶3，橡塑复合改性剂总掺量为15%；粗细集料均选用玄武岩，矿粉选用磨细的石灰石粉，集料和矿粉都有良好的物理力学性能，混合料级配选用SMA-13，其合成级配见表3 。

1.2 橡塑复合改性沥青的制备

橡塑复合改性沥青的制备采用高速剪切法。首先将基质沥青加热至一定温度后，相继加入15%的橡塑复合改性剂和0.5%的稳定剂，并在190 ℃条件下发育4 h后，采用高速剪切机以4 000 r·min-1的剪切速率剪切一定时间，制得橡塑复合改性沥青。

1.3 试验方法

采用Bohlin Gemin Ⅱ型动态剪切流变仪（DSR）测定各种沥青的相位角δ和复数模量G*。采用车辙因子G*/sin δ表征橡胶沥青混合料的抗车辙能力，G*/sin δ越大，表明沥青路面的高温抗车辙能力越好。采用疲劳因子G*sin δ评价沥青的抗疲劳性能，G*sin δ越小，表明沥青抗疲劳性能越好。试验采用应力控制模式，设定频率为10 Hz。

利用旋转压实法制备尺寸为Φ150×170 mm的沥青混合料试件，并冷却至室温后，钻取规格为Φ100的芯样，将芯样两端切除，控制高度为148～152 mm，由SPT试验仪测定试件的动态模量和相位角，评价沥青混合料的流变特性。

2 沥青流变性能

利用DSR测定不同温度下R/P分别为1∶1、3∶2和7∶3的橡塑复合改性沥青的δ、G*，得到G*/sin δ和G*sin δ，并与基质沥青、橡胶沥青和塑料改性沥青作对比，结果如图1所示。

从图1可以看出，相比于基质沥青，5种改性沥青的δ大幅减小、G*大幅增大。表明在相同温度下，改性沥青的黏性变形性能较弱，抗低塑性变形能力更强。不同橡塑比的3种复合改性沥青的G*大于橡胶改性沥青，而橡胶改性沥青的G*大于塑料改性沥青。其原因主要为：改性剂加入后与沥青发生吸附作用，形成稳定的三维网络结构，沥青分子间的黏结力增强，从而限制沥青向黏流态转化[9-12]。相比于塑料，橡胶粉在高温时具有较高的弹性，荷载作用时变形较大，对沥青分子的束缚力较小，因此橡胶改性沥青的G*小于塑料改性沥青；塑料和橡胶复合改性时，高温使塑料分子和橡胶分子发生共混，形成一定程度的接支，更有利于三维网络结构的形成，因此G*增大[13-15]。橡塑复合改性沥青的δ值位于橡胶改性沥青和塑料改性沥青之间，相比于塑料，橡胶粉的变形能力和变形恢复能力更强，在外力作用时，橡胶粉能发生明显的变形，吸收较多的能量，使沥青的抗变形能力增强。故橡胶改性沥青的弹性性质最强，塑料改性沥青的弹性性质最弱，橡塑复合改性沥青位于两者之间。

总体来说，橡塑复合改性沥青的G*/sin δ都大于单相改性沥青，表明橡塑复合改性沥青具有更好的抗车辙能力[16-18]。当温度高于60 ℃时，3种橡塑复合改性沥青的G*sin δ都大于橡胶改性沥青；而当温度低于60 ℃时，R/P为7∶3的橡塑复合改性沥青的G*sin δ小于塑料改性沥青，大于橡胶改性沥青，表明橡塑复合改性虽然提高了沥青的抗车辙性能，却降低了其抗疲劳性能，路面更容易出现疲劳开裂。随着R/P的增大，G*/sin δ和G*sin δ都逐渐下降。这主要是因为：相比于橡胶粉，塑料颗粒具有更高的硬度，随着R/P的增大，橡塑共混体系强度逐渐降低，而变形能力逐渐增强，因此路面的抗车辙能力下降，而抗疲劳开裂能力上升。从G*/sin δ和G*sin δ结果来看，当R/P为7∶3时，橡塑复合改性沥青具有较高的抗车辙能力，且抗疲劳能力最佳。

为了评价沥青对温度变化的敏感性，对6种沥青的G*/sin δ和温度进行双对数线性回归，回归方程如下，结果见表4。

从表4可以看出，6种沥青的G*/sin δ与温度之间都有良好的双对数相关关系，5种改性沥青的|m|大于基质沥青，其中橡塑复合改性沥青和塑料改性沥青的|m|明显大于橡胶改性沥青。这主要是因为：随着温度的升高，橡胶粉活性增强，变形逐渐明显，因此橡胶改性沥青的感温性较高；而随着塑料的掺入，改性剂中橡胶的比例下降，感温性得到改善。在橡塑复合改性沥青中，当R/P为7∶3时|m|最小，沥青对温度的敏感性最低，因此从感温性角度考虑，推荐R/P为7∶3。

3 沥青混合料流变性能

控制R/P为7∶3，测定不同温度（5 ℃、15 ℃、30 ℃、45 ℃和60 ℃）时，橡塑复合改性沥青混合料、橡胶沥青混合料和SBS改性沥青混合料的动态模量（E）和相位角（d）随频率（0.1、0.5、1、5、10、20 Hz）的变化规律，并对比3种沥青混合料在10 Hz时的动态模量和相位角，结果如图2、3所示。

从图2可以看出，3种沥青混合料的动态模量都随着频率的增大逐渐增大，其中当温度低于30 ℃时动态模量随频率的变化较小，当温度超过30 ℃时动态模量随频率的变化较大。其原因为：在动态荷载作用下，沥青混合料被加载时不会瞬时被压缩，卸载时也不会瞬时完全恢复，会發生应变滞后于应力的现象，且荷载频率越大，应变对荷载响应的滞后现象越严重，因此动态模量越大。当温度低于30 ℃时，沥青混合料弹性性质相对较强，而黏性性质相对较弱，随着频率的增大，应变滞后于应力的现象不明显，因此动态弹性模量的变化较小；而当温度超过30 ℃时，沥青混合料弹性比例下降，黏性比例上升，荷载作用时的滞后现象较严重，因此动态模量的变化较大。

从3种沥青混合料的动弹性模量对比可以看出，在相同条件下橡塑复合改性沥青混合料的动弹性模量大于橡胶沥青混合料和SBS改性沥青混合料，而橡胶沥青混合料与SBS改性沥青混合料的动态模量较为接近。这主要是因为：橡胶粉和SBS改性剂都具有良好的弹性变形能力，在动态荷载作用时沥青混合料的变形较大且恢复能力较强；而橡塑复合改性沥青中的塑料颗粒使沥青黏度增加，混合料整体的强度增大，变形恢复能力减弱，因此动弹性模量较大。

从图3可以看出，当温度低于30 ℃时，随着频率的增大沥青混合料的相位角逐渐减小；而当温度超过30 ℃时，相位角随着频率的增大而增大。其原因主要为：当温度低于30 ℃时，沥青结合料黏度较大，在荷载作用时对沥青混合料的贡献较大，材料主要体现弹性性质，因此相位角随着频率的增大逐渐减小；而当温度超过30 ℃时，沥青结合料黏度降低，沥青混合料承载能力主要取决于矿料形成的骨架，随着频率增大，骨架的单纯性影响逐渐减弱，在高频荷载作用下虽然沥青表现出一定的弹性性质，但仍远低于低频时骨架的影响，因此相位角呈增大趋势。

在相同条件下，当温度低于45 ℃时，橡塑复合改性沥青混合料的相位角低于橡胶沥青混合料或SBS改性沥青混合料；而当温度超过45 ℃时，橡塑复合改性沥青混合料的相位角高于橡胶沥青混合料和SBS改性沥青混合料[19-20]。这表明：在低温度区，橡塑复合改性沥青混合料的黏性性质弱于橡胶沥青混合料和SBS改性沥青混合料；而在高温区段内，橡塑复合改性沥青混合料的黏性性质高于橡胶沥青混合料和SBS改性沥青混合料。

4 结语

（1）橡塑复合改性沥青的G*大于单相改性沥青；橡塑复合改性虽然使沥青的高温抗车辙能力提高，但会降低沥青的抗疲劳性能，路面更易发生疲劳开裂；当R/P为7∶3时，橡塑复合改性沥青在具有较高抗车辙能力的同时，具有较好的抗疲劳性能。

（2）G*/sin δ与温度之间具有良好的双对数相关关系，其中改性沥青的|m|大于基质沥青；橡塑复合改性沥青和塑料改性沥青的|m|明显大于橡胶改性沥青；不同橡塑比复合改性沥青中，当R/P为7∶3时|m|最小，沥青的感温性最低。因此推荐R/P为7∶3。

（3）当温度低于30 ℃时，3种沥青混合料的动态模量随频率增长的趋势不明显，而当温度超过30 ℃时，动态模量随频率的增长趋势较显著；橡塑复合改性沥青混合料的动弹性模量明显大于橡胶沥青混合料和SBS改性沥青混合料。

（4）当温度低于45 ℃时，相比于橡胶沥青混合料或SBS改性沥青混合料，橡塑复合改性沥青混合料具有更小的相位角；而当温度超过45 ℃时，橡塑复合改性沥青混合料的相位角大于橡胶沥青混合料和SBS改性沥青混合料。

参考文献：

[1] 黄文元，张隐西.路面工程用橡胶沥青的反应机理与进程控制[J].公路交通科技，2006，23（11）：5-9.

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