胶粉粒径及其相互作用对橡胶沥青流变性能的影响

2022-10-13李薇薇

甘肃科技 2022年16期

李薇薇

（甘肃路桥公路投资有限公司，甘肃兰州 730000）

1 引言

将废旧轮胎经机械加工粉碎或研磨成胶粉按照不同掺配比例掺入到基质沥青中生产橡胶沥青，具有显著的经济环保效益，被广泛应用于路面建设和养护[1-3]。胶粉中的丁苯橡胶、天然橡胶等多种高分子聚合物有利于改善橡胶沥青的高温性能、低温性能、疲劳性能以及水稳性能[4-5]。但是不同目数胶粉制备的橡胶沥青的性能有较大差异，曹荣吉等[6]发现20目胶粉制备橡胶沥青的性能优于40目及60目胶粉。徐欧明等[7]认为40目胶粉制备橡胶沥青的车辙因子最大，60目次之，20目最小。而杨永顺等[8]发现80目胶粉制备改性沥青的性能最优，其最佳掺量为15%。因此，胶粉目数对橡胶沥青性能的影响还没有统一的认识。

橡胶沥青的性能主要受胶粉与沥青的交互作用（Interaction Effect，IE）和未反应胶粉的填充作用（Particle Effect，PE）的影响[9]。李波等[10-11]量化了IE和PE对橡胶沥青黏度和车辙因子的贡献，认为橡胶沥青的高温性能主要取决于胶粉与沥青的交互作用，而橡胶沥青中胶粉的填充作用对其贡献较小。魏永政等[12]量化了不同微波活化时间下基于复数剪切模量（G*）橡胶沥青的IE和PE值。可以看出，国内对于IE和PE的量化主要集中在黏度、车辙因子等高温流变参数，并没有完全量化交互作用和填充作用对橡胶沥青流变参数的贡献。

因此，本研究分别利用40目和80目胶粉制备了40目和80目橡胶沥青，并使用80目筛对其进行过滤分别得到40目和80目过滤沥青，采用旋转黏度、动态剪切流变（DSR）试验对橡胶沥青和过滤沥青进行测试，基于黏度、车辙因子（G*/sinδ）量化了橡胶沥青中交互作用和填充作用对各流变参数的影响，并对不同沥青的储存稳定性进行研究，以期为橡胶沥青的应用和推广提供参考。

2 原材料及试验方法

2.1 原材料

试验用基质沥青由甘肃路桥建设集团有限公司提供，其技术指标见表1。胶粉采用常温法生产40目和80目两种废胎胶粉，其在沥青中的掺量为15%（质量分数）。

表1 基质沥青技术指标

2.2 橡胶沥青的制备

将基质沥青在烘箱中加热至完全流动状态并倒入烧杯，然后将烧杯置于180 ℃的恒温油浴中迅速升温，当温度升至140 ℃时缓慢加入胶粉，并借助搅拌器以700 r/min的转速在175～180 ℃下搅拌反应30 min，最后冷却至室温放置24 h，即制得橡胶沥青。

为了探究胶粉和沥青之间的作用关系，利用如图1所示的装置对制得橡胶沥青进行过滤，得到过滤沥青。具体过程为：将制得的橡胶沥青在163 ℃的烘箱中加热60 min并充分搅拌均匀，然后将其倒入80目过滤筛进行过滤以保证过滤沥青中不含任何颗粒物质，整个过程在149 ℃的烘箱中持续45 min，即得到过滤沥青。其中，经80目胶粉改性得到的橡胶沥青表示为80目橡胶沥青，80目橡胶沥青经过滤后得到的过滤沥青表示为80目过滤沥青，其他以此类推。

图1 橡胶沥青过滤装置

2.3 试验方法

（1）旋转黏度

根据ASTM D4402规范利用AMETEK Brookfield旋转黏度计对未老化的基质沥青、橡胶沥青和过滤沥青的黏度进行测试，测试温度为120 ℃、135 ℃、150 ℃、165 ℃和180 ℃。

（2）动态剪切流变（DSR）试验

按照ASTM D7175对短期老化后的基质沥青、橡胶沥青和过滤沥青利用动态剪切流变仪对其车辙因子（G*/sinδ）进行测试。

3 胶粉-沥青相互作用的评价方法

橡胶沥青的性能主要受沥青与胶粉之间的交互作用（IE）和填充作用（PE）影响，其中IE表示胶粉和沥青由于化学作用而引起的性能指标的相对变化，而PE表示胶粉在沥青中由于颗粒填充作用而引起的性能指标的相对变化，IE和PE对橡胶沥青的作用示意图如图2所示。本研究通过式（1）和（2）计算基于黏度、车辙因子（G*/sinδ）、平均应变恢复率R、不可恢复蠕变柔量Jnr和疲劳寿命的IE和PE值，以量化胶粉与沥青间的交互效应和填充效应。

图2 IE和PE对橡胶沥青的作用示意图

式中：橡胶沥青、过滤沥青和基质沥青分别对应各流变性能的指标值。

4 结果与讨论

4.1 旋转黏度

图3为胶粉目数对橡胶沥青和过滤沥青粘度的影响，由图可以看出，在135 ℃时，40目橡胶沥青和80目橡胶沥青的黏度分别是基质沥青的4.6和3.82倍，表明掺加胶粉可以显著提高橡胶沥青的黏度。原则上胶粉目数越大，胶粉越细，比表面积越大，其越容易吸附沥青中的轻质组分，但是从图中可以发现相比于80目胶粉，40目胶粉对沥青黏度的提升更明显，这是由于胶粉太细时，表面能越大，容易造成在沥青中发生团聚，影响空间网状结构的形成，从而导致其黏度降低。从图3还可以看出，135 ℃条件下，40目过滤沥青和80目过滤沥青的黏度与40目橡胶沥青和80目橡胶沥青相比，分别降低了63%和61%，但是过滤沥青的黏度仍大于基质沥青，这说明过滤沥青粘度增大是由于胶粉掺入沥青后在高温搅拌作用下，吸收了沥青中的轻质组分发生溶胀作用，致使沥青中的轻质组分减小，大分子含量增加，沥青粘度增加。

图3 胶粉目数对橡胶沥青和过滤沥青黏度的影响

图4为IE和PE对橡胶沥青粘度的影响，可以看出，在试验温度范围内，不同目数胶粉的PE值均大于IE值，表明胶粉颗粒的填充效应决定了橡胶沥青的黏度。40目胶粉的IE和PE值均大于80目胶粉，说明40目胶粉与沥青之间的交互反应和胶粉颗粒的填充作用均优于80目胶粉。但是随着温度的增加，两者PE值的差值更大而IE值变化并不明显，说明随着温度的增加，沥青和胶粉之间并未发生过多的化学反应，橡胶沥青中的胶粉已经达到饱和状态，沥青中的轻质组分不足以与胶粉发生溶胀作用，即IE值基本保持不变。而温度升高导致胶粉颗粒的能量增加，胶粉颗粒在沥青中的运动加剧，这增加了胶粉颗粒之间发生交联的可能性，因此表现为PE值随着温度的增加而增加，这进一步说明橡胶沥青黏度的增加可以归因于胶粉颗粒对于沥青的填充作用。

图4 基于粘度的IE和PE值

4.2 车辙因子（G＊/sinδ）

图5为不同目数胶粉改性橡胶沥青过滤前后的G*/sinδ，可以看出，基质沥青中掺加40目和80目胶粉后，58 ℃条件下的G*/sinδ比基质沥青分别增加了304%和201%，说明掺加胶粉可以显著改善沥青的抗车辙能力，40目胶粉改性橡胶沥青比80目胶粉的抗永久变性能力更强。与此同时，58 ℃条件下，40目和80目过滤沥青的G*/sinδ分别比40目和80目橡胶沥青降低了61%和55%，比基质沥青增加了57.4%和35.2%，其他扫描温度下也呈现出相同的变化趋势，说明橡胶沥青的G*/sinδ主要受胶粉的填充效应影响。

图5 胶粉目数对橡胶沥青和过滤沥青G＊/sinδ的影响

图6为IE和PE对G*/sinδ的贡献值，可以看出在不同扫描温度下，PE值远大于IE，说明填充效应对G*/sinδ的影响远大于交互效应。此外，40目胶粉的PE值比80目胶粉的更大，这是因为40目胶粉更易于吸附沥青中的轻质油分，致使胶粉颗粒发生交联，即其填充作用更强，并且PE值随着温度的增加而增加，说明高温可以加剧胶粉的交联效果，提高其在沥青中的填充效应。在不同扫描温度下，40目胶粉的IE值均大于80目胶粉，说明40目胶粉更容易与沥青中的轻质组分发生反应，但是随着温度的增加40目和80目胶粉的IE值变化并不明显，这是因为胶粉与沥青中的轻质组分反应已经达到饱和状态所致。

图6 基于G＊/sinδ的IE和PE值

4.3 储存稳定性

高温条件下，胶粉颗粒易发生离析，导致橡胶沥青存储稳定性较差，这严重影响橡胶沥青的推广使用。为此，对5种沥青进行离析试验，通过软化点差评估其储存稳定性，结果如图7所示。由图可知，基质沥青、40目过滤沥青和80目滤沥青的软化点差均小于2.2 ℃，表明其具有较好的储存稳定性。但是40目和80目橡胶沥青的软化点差分别为11.1 ℃和8.8 ℃，说明两者的储存稳定性较差，而这种差异主要是由于胶粉和沥青的密度不同造成了两种物质在化学性质上形成热力学不形容体系。因此在实际施工过程中，应采用现场制备的方法，每天按照橡胶沥青实际需求量进行制备。