过氧化氢活化橡胶沥青工艺参数优化研究

2021-10-20李士才

铁道建筑技术 2021年9期

李士才

(中铁十六局集团第一工程有限公司北京 101300)

1 引言

甜永高速公路是银百高速公路(G69)的一部分，其主要采用半刚性基层结构路面，半刚性基层沥青路面虽具有较高的承载能力和较大刚度，但在其运营期间容易发生反射裂缝等问题，因此采用加铺橡胶沥青应力吸收层来避免出现大面积的反射裂缝，以提升道路行车的稳定性。在铺设过程中发现，橡胶沥青的粘度高，胶粉表面活性低，不易与沥青发生反应，而且胶粉与沥青混溶时温度需达到200℃，极易造成沥青的老化，同时橡胶沥青在高温下难以存储，易离析，阻碍了橡胶沥青在路面工程中大范围的应用。因此，急需一种稳定高效的橡胶沥青制备方法来提高沥青与胶粉的相容性。

相关研究表明，提高橡胶沥青性能，改善沥青与胶粉相容性的关键是将胶粉进行活化处理。Shatanawi等经过研究发现热水处理胶粉后，胶粉与沥青的相容性有所提高，但对其力学性能基本无影响[1]。尤凤兵等采用低温等离子体对胶粉进行活化处理，发现低温等离子体可以促进共混，并且活化后高低温性能均有不同程度的改善[2]。王夏等发现采用汽油对胶粉进行活化后，能够显著提高橡胶沥青的低温抗裂性[3]。Cheng等将相容剂与胶粉首先进行预处理，再采用双螺杆挤出方式进行制备橡胶沥青，发现能够显著提高其存储稳定性[4]。目前，胶粉活化方式按照其改性机理可以分为物理法、化学法和力学法[5]，所以必须考虑到活化方式的成本问题。在橡胶沥青的推广应用中，有必要提出更加高效、廉价的活化改性方式，并改善橡胶沥青的稳定性和路用性能。

本文按照现有的拌和参数，拟采用3种不同比例的H2O2溶液对胶粉进行活化，研究溶液比例对活化后胶粉改性沥青的表面形貌、粘度、粘弹性和抗变形能力的影响，确定合理的胶粉活化参数，以期提高活化橡胶沥青的路用性能。

2 原材料及试验方法

2.1 原材料

2.1.1 基质沥青

基质沥青选用韩国SK＃，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[6]检测，指标见表1。

表1 SK90＃A级沥青技术指标

2.1.2 胶粉

采用40目胶粉，其产地为酒泉荣泰橡胶制品有限公司，按照《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》[7]要求对胶粉技术指标进行测试，技术指标结果见表2。

表2 橡胶粉的物理及化学技术指标

2.2 试验方法

2.2.1 废轮胎胶粉的活化

有相关研究表明，采用过氧化氢(H2O2)溶液处理废轮胎胶粉时，会在胶粉表面生成一些能够增加胶粉和沥青界面结合强度的含氧官能团，这些官能团会使得橡胶沥青的性能发生变化[8]，本研究所采用的过氧化氢(H2O2)溶液质量分数为30%，按照不同质量比对废胎胶粉进行活化。

将干燥洁净的胶粉与H2O2溶液按照质量比进行混合，在常温下充分反应24 h，最后将活化后的胶粉置于80℃的烘箱中进行干燥，直至重量不再发生变化，胶粉与H2O2溶液质量比如表3所示。

表3 H2O2溶液与胶粉质量比

2.2.2 活化废旧胶粉改性沥青的制备

加热基质沥青，取500 g放入烧杯中备用。整个制备过程中采用DF-101S恒温油浴锅进行控温，首先将装有沥青样品的烧杯放入190℃的油浴锅进行快速升温，当温度达到140℃时，在搅拌的同时加入活化胶粉100 g，而后提高搅拌速率直至达到1 500 r/min，保持此反应条件60 min，即制得活化橡胶沥青。

2.2.3 橡胶沥青老化

根据规范要求的方法，对试样进行短期老化。

2.2.4 橡胶沥青流变试验

(1)布氏旋转粘度

按照规范要求，使用Brookfield DV-2T旋转粘度计测试试样。

(2)动态剪切流变(DSR)

采用AR1500EX动态剪切流变仪对不同胶粉含量的改性沥青进行多重应力蠕变实验和温度扫描(MSCR)。

3 试验结果与分析

3.1 活化对胶粉颗粒的影响

采用H2O2溶液处理废轮胎胶粉，活化反应完成后，将其烘干，分别随机取出活化前后的胶粉颗粒样品，通过SEM进行观察，胶粉颗粒的表面形貌直接影响胶粉与沥青的融合效果，表面形貌如图1、图2所示。

图1 活化前胶粉颗粒形貌

图2 活化后胶粉颗粒形貌

明显可以看出，活化前胶粉颗粒表面非常平整，颗粒间相互独立，接触面相对较少，这种分布方式极大地限制了胶粉在沥青中的均匀分散。活化后胶粉颗粒表面变得疏松多孔，各胶粉颗粒表面互相交联接触，接触面积显著增大，这种结构在剪切搅拌作用下能够使活化胶粉颗粒很容易在沥青中均匀分散，从而提高沥青与胶粉的相容性。

3.2 不同溶液比例对沥青粘度的影响

将制备的3种活化橡胶沥青和1种普通橡胶沥青分别进行短期老化，用以模拟橡胶沥青在生产、运输和摊铺过程中的老化现象。采用布氏粘度仪分别测试普通橡胶沥青和活化橡胶沥青的原样和短期老化的粘度，试验结果如图3所示。

图3 橡胶沥青老化前后粘度的影响

通过对试验数据进行分析可知，发现经过活化后，橡胶沥青的粘度降幅能够达到60%以上，并且其粘度随着溶液含量的增加逐渐降低，但在溶液比例为0.5和1时粘度变化较小，当溶液比例达到1.5时，活化橡胶沥青粘度降低到原来的4.5%，粘度过低，不建议采用。其次两类沥青在经过短期老化后粘度产生了不同的变化趋势，普通橡胶沥青老化后粘度降低，而活化后橡胶沥青在经过短期老化后粘度有不同程度的提高。造成上述现象的原因是，普通的橡胶沥青在老化过程中同时存在沥青轻质组分的挥发和胶粉颗粒的继续溶胀两种现象，老化初期胶粉颗粒的继续溶胀反应高于沥青轻质组分的挥发，两种反应对橡胶沥青粘度的综合作用使得短期老化后普通橡胶沥青粘度减小[9]；而H2O2活化胶粉粘度增加是因为活化后胶粉表面呈膨松状形成细小絮状结构，接触面增加，能够在橡胶沥青制备阶段就充分溶胀降解，几乎不会发生继续溶胀反应，因此在进行短期老化作用过程中，主要是轻质组分的挥发，这就造成短期老化后橡胶沥青的粘度增大。

3.3 不同溶液比例对沥青抗车辙能力的影响

相位角的大小代表着沥青中粘弹组分所占的比例，其值越大，沥青粘性越大，反之弹性越大，粘性越小[10－11]。因此采用相位角来比较不同活化程度的橡胶沥青的粘弹性变化，试验数据如图4所示。

图4 不同溶液比例下橡胶沥青相位角

由图4可知，老化前和老化后的四种试样相位角均在45°～90°之间，说明试样更多地表现为粘性体，随着温度的增加沥青结合料的相位角逐渐增大，弹性减小粘度增大。随着溶液比例的增加，相位角达到最大值，当溶液比例为1.0时，相位角又减小，溶液比例再次增加时，相位角再次增加，但仍小于溶液比例为0.5时的相位角。

常用车辙因子(G*/sinδ)来评价沥青胶结料的高温抗车辙性能[12－13]，其值越大，就认为其高温抗车辙能力越好，对老化前后8种橡胶沥青沥青采用剪切流变试验测得数据如图5所示。

图5 不同溶液比例下橡胶沥青车辙因子

由图5得到，未老化的橡胶沥青随着溶液比例的增加，橡胶沥青的车辙因子逐渐降低，且随着比例的增加，降低幅度相差不大，活化后橡胶沥青的高温抗车辙能力逐渐降低，老化后车辙因子变化规律也类似。此外，老化前后的橡胶沥青车辙因子在同一温度下的差值随着温度的增加而降低，说明温度越高，由短期老化引起的橡胶沥青高温抗车辙能力的变化越小。

3.4 不同溶液比例对沥青抗变形能力的影响

为了模拟行车荷载作用下橡胶沥青路用性能的变化规律，本研究采用多重应力蠕变试验，分别对4种不同比例溶液的橡胶沥青施加3.2 kPa和0.1 kPa的应力，得到了不同比例溶液活化橡胶沥青的平均应变恢复率和不可恢复蠕变柔量，如图6、图7所示。

图6 不同溶液比例的橡胶沥青平均应变恢复率

图7 不同溶液比例的橡胶沥青不可恢复蠕变柔量

当应力水平为3.2 kPa时，随着H2O2溶液比例的增加，橡胶沥青的平均应变恢复率逐渐减小，在应力水平为0.1 kPa时，平均应变恢复率有着相似的规律。其中在应力水平为3.2 kPa下，H2O2溶液比例从0.5增加到1.0时，橡胶沥青的平均应变恢复率变化不大。此外，在不同的行车应力作用下，平均应变恢复率减小幅度随H2O2溶液的比例的增加而增大，抗变性能力越小，恢复的弹性变形占总变形的比例越小。综合来看，当活化橡胶沥青时溶液比例为0.5时，活化后橡胶沥青具有较好的恢复率，其高温弹性相对较高，弹性恢复变形占比较大。

由图7可知，不可恢复柔量与恢复率所表示的高温弹性和抗变形能力基本一致。经活化后，不可恢复柔量均表现为增加。在不同应力水平下，随着溶液比例的增加，其不可恢复蠕变柔量也随之增加，说明活化橡胶沥青恢复程度随之减小，沥青永久变形累积增加。此外，在不同应力水平下，H2O2溶液比例越大，活化后橡胶沥青的不可恢复蠕变柔量增幅越显著。综合来看，当活化橡胶沥青时溶液比例为0.5时，具有较高的抗永久变形能力。

4 效益分析

通过全文的比较分析，发现溶液比例最佳为0.5，将活化后的橡胶沥青应用在甜永高速公路上后，对其成本、粘度、相容性、路用性能和施工难度进行比较评价，其结果如图8所示。

图8 活化前后橡胶沥青对比

相比传统橡胶沥青，活化提升了胶粉与沥青的相容性，活化后橡胶沥青能够极大程度地降低沥青粘度，减小施工难度与能源的消耗。此外在成本上只增加了改性剂的费用，大约增加150～200元/t，从长远的经济效益来看，活化后橡胶沥青提高了其路用性能，与普通橡胶沥青相比，具有较好的弹性恢复能力，使得活化后橡胶沥青具有良好的抗反射裂缝的性能。同时，活化后的橡胶沥青可以降低施工拌和温度，能够减少由于生产和施工引起的周边环境破坏，同时促进了橡胶沥青的推广应用。