老化橡胶粉及其改性沥青的路用性能研究

2021-02-26杨西铭

内蒙古公路与运输 2021年1期

杨西铭

（江西城际公路工程有限公司，江西南昌 330000）

1 引言

近年来，由废旧轮胎磨细而制成橡胶粉已被证明既解决废旧轮胎引起环境问题的有效途径，还可有效用于基质沥青和沥青路面，同时为处理每年产生的数亿条废旧轮胎提供了一种保护环境的可持续方法[1-3]。

20世纪60年代，Chales McDonald[4]首先发明了将废胎胶粉加工成橡胶粉生产橡胶沥青的技术，在70年代中期首次将橡胶沥青用于开级配的沥青混凝土中。1996年，Abdelrahman[5]首次研究了沥青和橡胶粉的反应机理。南非的废旧轮胎粉在公路建设中的应用十分成功，拥有超过20年但仍然完好的橡胶沥青路面。在法国，橡胶沥青的摊铺量已经超过100万m2，认为橡胶沥青多孔隙路面在排水性能、抵抗重交通、抗剪切和抵抗不良气候影响等方面比普通沥青多孔隙路面具有更多的优势[6]。Ibrahim[7]等阐述了γ辐射对废旧轮胎橡胶用于改性沥青的影响，研究了橡胶粉改性沥青的抗老化特性和流变性能。在国内，20世纪80年代初，同济大学研究了废胎胶粉与沥青溶胀反应后的黏度变化规律和橡胶沥青混合料的路用性能，并铺设了橡胶沥青试验路。肖鹏等[8，9]研究了橡胶沥青紫外光和水老化后的性能变化，使用布氏黏度仪、动态剪切流变仪、弯曲流变仪测试紫外光老化后的橡胶沥青的软化点、黏度、疲劳因子、蠕变劲度和蠕变速率。李宁利等[10，11]提出了适合橡胶沥青的老化方法，并探究了橡胶沥青的老化机理。齐秀廷等[12]采用室内紫外试验箱模拟室外紫外照射条件，对温拌橡胶沥青进行紫外老化，研究了紫外老化对温拌橡胶沥青流变性能的影响。

综合上述文献，虽然对于橡胶沥青的研究和应用比较广泛，而针对由于废旧轮胎在使用过程中已受到光、热自然环境的侵蚀，产生一定程度的老化，从而在使用橡胶粉制备橡胶沥青时，无法获知橡胶粉的老化程度知之较小。因此，本文在筛选不同粒径橡胶粉的基础上，利用老化试验仪在不同温度和不同老化时间条件下对橡胶粉进行老化，并制备相应的橡胶沥青，测试不同老化程度橡胶粉对其改性沥青流变性能的影响。

2 原材料性质及橡胶改性沥青的制备

2.1 基质沥青的性质

本文所使用的沥青为SK90#基质沥青，其基本性能指标见表1。

表1 SBS I-C改性沥青主要性能指标

2.2 橡胶改性沥青的制备

选用60目、100目两种粒径的橡胶粉，将等量60目、100目两种粒径的橡胶颗粒倒入直径140mm±9.5mm的老化盘中，放入耐黄变试验机中进行热-氧-紫外老化，老化时间为6h、12h，老化温度为60℃。

将SK90#基质沥青盛入容器中，加热至流动状态，温度控制在180℃±5℃，向加热的基质沥青中分别倒入称量好的橡胶粉（60目、100目两种粒径，未老化、老化6h、老化12h），在掺加橡胶粉的同时，利用搅拌器以500r/min的速度搅拌至橡胶粉掺加结束。利用高速剪切机以5000r/min的速度剪切45 min，将高速剪切后的橡胶沥青控制温度为180℃±5℃，利用搅拌器以500r/min的速度搅拌，发育60min，即制备了老化橡胶粉改性的橡胶沥青。

3 老化橡胶粉制备的橡胶沥青路用性能

3.1 针入度

不同粒径、不同老化程度的橡胶粉对橡胶沥青针入度（25℃）的影响见图1。

由图1可以看出，60目橡胶沥青的针入度随着橡胶粉老化程度的加重逐渐增加，但老化6h的针入度和未老化的结果相差不大，这是由于随着老化时间的延长，橡胶内部分子交联结构部分被破坏，导致制备的橡胶沥青的稠度下降，针入度增大，而100目橡胶沥青的针入度未表现出一定的规律性。

图1 橡胶沥青针入度

3.2 软化点

不同粒径、不同老化程度的橡胶粉对橡胶沥青软化点的影响见图2。

图2 橡胶沥青软化点

由图2可知，60目橡胶沥青软化点变化趋势与100目橡胶沥青变化趋势是一致的，均随着橡胶粉老化程度的加重，制备的橡胶沥青软化点逐渐升高，并且60目橡胶沥青的软化点基本大于100橡胶沥青的软化点，除橡胶粉老化12h的情况。说明橡胶粉的掺加提高了橡胶沥青的高温特性，这是由于橡胶粉与沥青结合后，胶粉吸收了沥青中的轻质组分，使得橡胶沥青具备了更好的路用性能。

3.3 延度

图3 橡胶沥青延度

不同粒径、不同老化程度的橡胶粉对橡胶沥青延度的影响见图3。

由图3可知，60目橡胶沥青延度和100目橡胶沥青延度变化趋势相同，均随橡胶粉老化程度的加深而减小，但100目橡胶沥青的延度大于相应的60目橡胶沥青，说明100目橡胶沥青的低温性能优于60目橡胶沥青，这是因为100目的橡胶粉粒径较小，比表面积较大，与基质沥青的接触多，物理化学反应更充分，增强了低温性能。

3.4 车辙因子

车辙因子是衡量沥青材料永久变形能力的一个指标，车辙因子越大，沥青在高温时的耗能越少，流动变形越小，抗车辙能力也就越强。不同粒径、不同程度的橡胶粉对橡胶沥青车辙因子的测试结果见图4和图5。

由图4和图5发现，两种粒径橡胶沥青的车辙因子均随温度的升高而下降，说明随着温度的升高，橡胶沥青抵抗高温永久变形的能力下降。未老化橡胶粉制备的橡胶沥青车辙因子均最大，老化6h和12h后的橡胶粉制备的橡胶沥青车辙因子逐渐减小，高温性能下降，这与软化点的变化趋势是一致的，同一温度下，60目老化橡胶粉制备的橡胶沥青，其车辙因子大于100目橡胶沥青的车辙因子。在50℃之前，车辙因子迅速下降，70℃之后的车辙因子相对于35℃的车辙因子，已接近0，说明此时的橡胶沥青基本不具有抵抗高温变形的能力。这是因为橡胶沥青从低温时的高弹态向高温时的黏流态转化，沥青在剪切试验中所受的最大剪切应力减小，而最大剪切应变却增大，复合剪切模量会降低；同时，随着温度的升高，会使沥青材料的黏弹性质中的黏性成分增加，弹性成分减小。