高溶解性橡胶沥青HR-RA的制备及性能研究

2022-09-02喻凌峰

公路交通技术 2022年4期

喻凌峰

(重庆交通大学，重庆 400074)

废旧橡胶轮胎的处理是一个全球性问题。废旧橡胶粉在沥青路面施工中的应用不仅可提高路用性能，还能减少环境污染。因此，橡胶沥青路面的研究越来越受到重视[1-3]。

橡胶沥青可提高沥青混合料的高低温性能和耐久性[4-6]，主要取决橡胶粉的大小、形貌特征和混合条件、基质沥青的物理化学特性以及来源等[7]。已有研究表明，与基质沥青相比，橡胶沥青能显著提高沥青混合料的抗车辙、抗裂缝、抗老化、抗疲劳耐久等路用性能[8-9]，但由于其储存稳定性差，橡胶沥青通常含量不高，且不能用于长期储存和长途运输[10]，因此，橡胶沥青在公路建设中的应用推广有一定局限性。

已有研究表明，橡胶颗粒在解聚和脱硫过程中被释放到基质沥青中，从而改变了基质沥青的粘度。溶解的橡胶组分以网状结构的形式分布在基质沥青中，从而增加橡胶组分和基质沥青之间的相容性，而不溶解的橡胶组分则直接影响橡胶沥青性能的稳定性，易出现相分离，以凝聚态或絮凝态分布，从而极大削弱橡胶沥青的性能[11]。因此，橡胶颗粒可提高沥青路面的高、低温性能和耐久性，但橡胶颗粒分布不均匀且成团，溶解度不高，将会导致沥青路面的路用性能不稳定。

传统制备工艺使橡胶粉在基质沥青中的溶解度较低，易导致橡胶沥青具有粘度高、分散不均匀、贮存稳定性差等诸多局限性。国内不少研究人员[12-14]目前通过改进制备方法和工艺，降低粘度，提高溶解度和储存稳定性，以改善橡胶沥青稳定性。但目前橡胶沥青溶解度和贮存稳定性仍存在较大问题，且对高溶解性橡胶沥青的溶解度、流变性和贮存稳定性的研究相对较少。为此，本文针对橡胶沥青的制备方案及其稳定性和路用性能进行研究。

1 高溶解性橡胶沥青的制备工艺和试验方案

1.1 制备工艺

1) 原材料

包括SK 90#基质沥青(性能指标见表1)、40目橡胶粉(性能指标见表2)、废机油和聚乙烯。其中，废机油的密度为0.886 g/cm3，利用聚乙烯提高橡胶沥青的塑性。

表1 基质沥青性能指标Table 1 Properties indexes of base asphalt

表2 橡胶粉性能指标Table 2 Properties indexes of crumb rubber

2) 制备工艺

(1) 将5%、15%、25%、35%的橡胶粉(以基质沥青重量计)和3‰的聚乙烯(以基质沥青重量计)与基质沥青混合制备常规橡胶沥青RA；(2) 在温度为185 ℃的油浴中，以4 000 rpm的转速剪切常规橡胶沥青90 min；(3) 将橡胶粉放入600 W的微波炉中加热90 s，实现微波脱硫后与废机油混合；(4) 将处理后的橡胶粉和机油的混合物加入基质沥青中，高速剪切得到高溶解性橡胶沥青HR-RA。

1.2 试验方案及性能指标

采用溶解度试验、高温多应力蠕变恢复试验、低温流变试验以及软化点试验对高溶解性橡胶沥青HR-RA的溶解度、流变特性以及贮存稳定性进行研究，并与常规橡胶沥青RA进行对比分析。

1) 溶解度试验

溶解度参数表征橡胶颗粒在基质沥青中的溶解量。试验过程如下：1) 将10 g橡胶沥青溶解于150 mL二氯甲烷中30 min；2) 使用孔径为48 μm的尼龙过滤器过滤，残留的橡胶微粒用二氯甲烷溶液清洗，然后在85 ℃的烤箱中干燥至恒定重量。溶解度参数为溶解的橡胶粉质量占添加的橡胶粉总质量的百分比，如式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中：ηdiss为溶解度，%；m0为橡胶粉初始质量，g；m1为过滤后残余橡胶质量，g；ω为橡胶沥青的质量分数，%；mr为橡胶沥青的质量，g。

2) 高温多应力蠕变恢复试验

本试验表征沥青结合料的高温抗变形能力，根据美国AASHTO规范，试验温度设置为60 ℃，模拟夏季温度条件。试验过程：(1) 选取0.1 kPa和3.2 kPa两个蠕变应力水平进行连续试验；(2) 每个应力水平测试10个循环，每个循环的蠕变阶段为1 s，卸载恢复阶段为9 s；(3) 每次试验前进行10次预剪循环；(4) 采用不可恢复柔度Jnr来衡量沥青结合料的永久变形，而恢复率R则反映沥青结合料的弹性，如式(3)和式(4)：

(3)

(4)

式中：γp为各加载周期的峰值应变；γnr为各加载周期的残余应变；γ0为各加载周期的初始应变。

3) 低温流变试验

本试验通过低温环境下沥青流变特性表征沥青低温抗裂性能，采用60 s时的弛豫模量G(60 s)和弛豫速率mr(60 s)评价沥青低温抗裂性能。本研究中参考温度设为20 ℃，选择s型模型作为主曲线的拟合方程，并参照Christensen[15]提出的近似方程得到松弛模量主曲线，并将松弛模量主曲线拟合为二次方程y=ax2+bx+c(a、b、c为拟合参数)。60 s时的弛豫模量G(60 s))和弛豫速率mr(60 s)如式(8)和式(9)：

G(60 s)=ax2+bx+c|x=1.78

(8)

mr(60 s)=2ax+b|x=1.78

(9)

4) 软化点试验

本试验通过测试沥青不同部位的软化点差值表征沥青的贮存稳定性，指标为48 h软化点差值Sdiff。试验过程：(1) 将50 g的沥青粘结剂注入一个铝管，铝管垂直放置在一个163 ℃的恒温烤箱中48 h；(2) 将铝管取出，放置于-10 ℃冰箱中4 h；(3) 将铝管切成顶部、中部和底部等3个相等的部分，分别测试3部分处沥青的软化点。

Sdiff=|St-Sb|

(10)

式中：Sdiff为软化点差；St为顶部试样的软化点；Sb为底部试样的软化点。

2 试验结果及分析

2.1 溶解度试验

分别对高溶解性橡胶沥青与常规橡胶沥青进行溶解度试验，结果如图1所示。

图1 高溶解性橡胶沥青与常规橡胶沥青的溶解度对比Fig.1 Comparison of solubility between high solubility rubber asphalt and conventional rubber asphalt

由图1可知，随着橡胶粉含量的增加，橡胶粉在沥青中的溶解度逐渐降低；当含量达到15%后，常规橡胶沥青RA中橡胶粉的溶解度急剧下降，表明过多的橡胶粉反而不利于其溶解；随着橡胶粉含量的增加，高溶解性橡胶沥青HR-RA的溶解度逐渐降低，当含量为25%时，溶解度趋于恒定，表明微波脱硫和废机油的加入对橡胶沥青的溶解有积极作用，较大促进了橡胶粉的溶解和吸收；与常规橡胶沥青RA相比，高溶解性橡胶沥青HR-RA溶解度平均提高约10%，这是因为微波脱硫增加了橡胶的表面粗糙度和表面活性，同时废机油对橡胶有软化作用，使其与沥青结合稳定，溶解度提高，增加了橡胶沥青分散的均匀性和稳定性。

2.2 高温多应力蠕变恢复试验

分别对高溶解性橡胶沥青与常规橡胶沥青进行高温多应力蠕变恢复试验，结果如图2所示。

由图2可知，随着应力水平从0.1 kPa增加到3.2 kPa，Jnr值增大，R值显著减小，表明橡胶沥青的抗变形能力对应力水平比较敏感，且高溶解性橡胶沥青HR-RA的恢复率R值和不可恢复柔度Jnr值均优于常规橡胶沥青RA，随着应力水平增加，高溶解性橡胶沥青HR-RA的恢复率R值和不可恢复柔度Jnr值削弱程度显著低于常规橡胶沥青RA，表明高溶解性橡胶沥青HR-RA的抵抗高应力水平的能力较强，采用微波脱硫和废机油的复合制备方法提高了橡胶沥青的高温弹性恢复率以及高温抗变形性能。

(a) 0.1 kPa恢复率

2.3 低温流变试验

分别对高溶解性橡胶沥青与常规橡胶沥青进行低温流变试验，结果如图3所示。

由图3可知，随着橡胶粉含量的增加，弛豫模量先增后减，说明橡胶沥青的低温性能先减小后增大。弛豫速率值随着橡胶粉含量的增加而逐渐降低，表明橡胶沥青的低温松弛能力逐渐降低。橡胶粉含量高的橡胶沥青弛豫速率绝对值明显低于橡胶含量低的橡胶沥青。弛豫模量越低，弛豫速率绝对值越高，累积温度应力越小，累积温度应力释放越快，从而减少了沥青路面的收缩和开裂。相较常规橡胶沥青RA，高溶解性橡胶沥青HR-RA的低温弛豫模量最低，弛豫速率绝对值最高。因此，高溶解性橡胶沥青HR-RA表现出最佳的低温抗裂性能，降低了沥青路面内部温度应力，防止了低温裂缝。

2.4 软化点试验

通过对高溶解性橡胶沥青与常规橡胶沥青进行软化点试验，结果如图4所示。

(a) 弛豫模量

图4 不同橡胶沥青的软化点差值Fig.4 Softening point differences of different rubber asphalt

由图4可知，含量5%常规橡胶沥青RA的软化点差仅为6.1 ℃，而35%常规橡胶沥青RA的软化点差为13.8 ℃，常规橡胶沥青试样顶部与底部的软化点差值随橡胶粉含量的增加而增大，表明橡胶粉含量越高，软化点差值越大，因而离析程度较高且贮存稳定性较差；相较常规橡胶沥青RA，高溶解性橡胶沥青HR-RA的软化点差为5.8 ℃～6.2 ℃，表明微波脱硫加废机油的组合方法显著提高了橡胶沥青的贮存稳定性；当橡胶粉含量达到25%以后，高溶解性橡胶沥青HR-RA的软化点差值变化不显著，表明橡胶颗粒在沥青中的溶解度有限，当溶解在沥青中的橡胶颗粒含量达到峰值时，多余的橡胶颗粒不再溶解。