Terminal Blend 橡胶泡沫沥青制备及性能评价

2023-11-17王祯国董永康裴建中张久鹏

建筑材料学报 2023年10期

温永，王祯国，董永康，裴建中，张久鹏

（长安大学公路学院，陕西西安 710064）

沥青路面再生技术是实现沥青路面废料再利用的有效途径，可避免环境污染，实现行业经济循环，促进生态环境保护［1-2］.由于拌和温度和压实温度的降低，泡沫沥青再生混合料可减少30%以上的能耗和废气排放量［3］；但其服役期间常因高温稳定性和抗水损性能不足而发生病害［4-6］.目前，优化级配能够改善泡沫沥青再生混合料的高温稳定性，但无法明显改善水损害［7］，为此，研究人员添加橡胶或SBS 等外加剂对泡沫沥青进行改性，该方法有效改善了泡沫沥青混合料的高温稳定性和抗水损害能力［8-11］.

由于橡胶沥青黏度偏高且存在橡胶颗粒，导致发泡困难.Yu 等［8］对橡胶泡沫沥青进行了研究，其中重点研究了发泡用水量的影响.Hu 等［12］为达到理想发泡效果，对橡胶沥青的发泡条件进行了研究.总之，如何有效降低橡胶沥青的黏度，提高橡胶颗粒的溶解程度，成为能否提升橡胶泡沫沥青发泡效果的关键.

近年来，通过高温、高速剪切促进橡胶发生脱硫裂解反应，以改善相容性，从而使其具备优越储存稳定性和工作和易性［13-14］的terminal blend（TB）橡胶沥青逐渐兴起.TB 橡胶沥青除了具备优异的高、低温性能外，其黏度仅为普通橡胶沥青的1/5～1/7［15-17］.因此，采用TB 橡胶沥青进行发泡处理不仅可提升泡沫沥青的性能，还可改善橡胶沥青发泡效果不佳的问题.

本文首先采用TB 橡胶沥青制备泡沫沥青，利用扫描电镜（SEM）和傅里叶红外光谱（FTIR）试验分析TB 橡胶泡沫沥青的微观特征；然后建立以膨胀率（β）和半衰期（t）为主要指标，简化效能指数（ηSEI）为辅助指标的评价体系，并利用灰色关联法探究TB 橡胶泡沫沥青发泡的关键影响因素，从而获得其最佳发泡条件；最后采用动态剪切流变仪（DSR）对其高温性能、温度敏感性和黏度等性能进行评价.

1 试验

1.1 原材料

本试验用基质沥青为茂名石化公司产东海70#沥青；TB 橡胶沥青由基质沥青制备得到；废弃轮胎胶粉产自天津志新有限公司.基质沥青和TB橡胶沥青的基本性能见表1，胶粉的主要技术指标见表2.

表1 基质沥青和TB 橡胶沥青的基本性能Table 1 Main technical specifications of base asphalt binder and TB rubberized asphalt binder

表2 胶粉的主要技术指标Table 2 Main technical specifications of crumb rubber

1.2 TB 橡胶泡沫沥青制备

本文通过定制的沥青改性装置制备TB 橡胶沥青，采用WLB 10S 型沥青发泡试验机进行发泡试验.TB 橡胶泡沫沥青制备流程如图1 所示.

图1 TB 橡胶泡沫沥青制备流程图Fig.1 Flow chart for preparation of foamed TB rubberized asphalt binder

1.3 试验方法

1.3.1 沥青发泡效果评价

采用膨胀率（β）、半衰期（t）和简化效能指数（ηSEI）来评价沥青发泡效果.β为泡沫沥青最大体积与泡沫完全消失时的体积之比.t为泡沫沥青从最大膨胀体积衰减到1/2 体积所对应的时间.ηSEI按照式（1）或式（2）进行计算，其中式（1）适用于泡沫持续膨胀至最大体积，继而逐渐衰减的情况；式（2）适用于泡沫喷出后已膨胀至最大体积，继而泡沫发生破灭的情况.

式中：βi为初始膨胀率；βl为容许膨胀率；βmax为最大膨胀率；t1为衰减期，s；t2为膨胀期，s.

利用灰色关联分析法对沥青发泡性能的影响因素进行显著性分析，以确定影响泡沫沥青的关键因素，其中参考数列选取β、t和ηSEI这3 个指标，比较数列代表各个影响因素.

1.3.2 沥青发泡试验

选取发泡温度155、160、165、170 °C，发泡用水量1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%，在水压0.6 MPa 和气压0.5 MPa 条件下，利用WLB 10S 型沥青发泡试验机分别对基质沥青和TB 橡胶沥青进行发泡.每组试验对沥青的β、t和ηSEI进行3 次平行试验，取其平均值，并确定最佳发泡条件.

1.3.3 微观特征表征

采用美国FEI NOVA NANOSEM 230 型场发射扫描电镜（SEM）分别对基质沥青、TB 橡胶沥青和最佳发泡条件下的基质泡沫沥青、TB 橡胶泡沫沥青进行SEM 试验，以表征不同沥青的微观形貌.此外，采用Bruker Tensor 27 傅里叶红外光谱仪（FTIR），对上述4 种沥青进行红外扫描，测量波数范围为4 000～1 000 cm-1，波数精度为0.01 cm-1，光谱分辨率优于1 cm-1.

1.3.4 泡沫沥青性能评价

借助Anton Paar MCR102 型动态剪切流变仪（DSR）分别对基质泡沫沥青和TB 泡沫沥青的高温性能、温度敏感性和黏度进行评价.由于泡沫沥青中的水分残余会对其高温性能、黏度等产生一定影响，为确保试验结果更加明显，选用更具代表性的2%、3%、4%这3 种发泡用水量进行探究.首先，在40～80 °C 下，以5 °C 为间隔对沥青进行温度扫描试验，获得不同温度下沥青的车辙因子（G*/sinδ），以评价高温性能；其次，基于上述结果，采用储能模量（G＇）对数与温度（T）对数的斜率表征泡沫沥青的温度敏感性；最后，在40～100 °C 下，以10 °C 为间隔进行温度扫描试验，借助复数黏度来表征泡沫沥青的黏度特征.需要说明的是，DSR 试验均采用应变控制模式，应变值均在沥青线性黏弹性范围内.

2 结果与分析

2.1 发泡结果分析

2.1.1 发泡用水量

发泡用水量是沥青发泡的关键因素之一，采用β、t和ηSEI探究发泡用水量对沥青发泡效果的影响，结果见图2.由图2 可见：（1）基质泡沫沥青和TB 橡胶泡沫沥青的β随着发泡用水量的增加呈明显上升趋势，且上升速率随发泡用水量增加逐渐变缓.（2）基质泡沫沥青和TB 橡胶泡沫沥青的t随着发泡用水量的增加呈明显下降趋势，且下降速率随发泡用水量增加逐渐变缓.（3）TB 橡胶泡沫沥青的β和t均低于同条件下的基质泡沫沥青，表明废旧胶粉的添加在一定程度上影响沥青的发泡效果.（4）随着发泡用水量的增加，2 种泡沫沥青的ηSEI总体呈先增后降趋势，在发泡用水量为2.5%～3.5%时达到峰值，此时β和t均接近或满足JTG/T 5521—2019《公路沥青路面再生技术规范》要求（β≥10，t≥8 s）.综上所述，2 种沥青在2.5%～3.5%发泡用水量情况下，可获得相对优异的发泡效果.

2.1.2 发泡温度

发泡温度是沥青发泡的另一关键因素，也采用β、t和ηSEI对其进行评价，结果见图3.由图3 可见：（1）随着发泡温度的升高，2 种泡沫沥青的β和t呈现相似的规律，均为先增后降，且最大值多集中于160 °C.（2）随着温度的升高，2 种泡沫沥青的ηSEI总体上呈先增后减趋势，并均在发泡温度为160 °C 时达到最大值，此时β和t均接近或满足JTG/T 5521—2019《公路沥青路面再生技术规范》要求（β≥10，t≥8 s）.然而，相对于165 °C，部分TB 橡胶泡沫沥青在170 °C时的ηSEI呈水平或微上升趋势，这是由于泡沫喷出后已膨胀至最大体积，继而泡沫发生破灭，因此需利用式（2）进行计算.整体结果表明，2 种沥青在160 °C 下发泡，均可获得相对优异的发泡效果.

图3 不同温度下泡沫沥青的发泡结果Fig.3 Foaming results of foamed asphalt binders under different temperatures

2.2 影响因素分析

基于发泡试验结果，利用灰色关联分析法对发泡用水量和发泡温度进行显著性分析，定量分析2种影响因素的重要性.根据发泡用水量（质量分数）和发泡温度的单因素结果可知，发泡用水量和发泡温度过高或过低均难以生产优质泡沫沥青.因此，在进行影响因素显著性分析时，将发泡温度选为155、160、165 °C，发泡用水量选为2.5%、3.0%、3.5%，灰色关联度的计算结果见表3.由表3可知，发泡用水量对β的影响程度更大，发泡温度对t的影响程度更显著，但综合考虑ηSEI后发现，发泡用水量对沥青整体发泡效果的影响更加显著.

表3 灰色关联度的计算结果Table 3 Calculation results of grey correlation degree

2.3 最佳发泡条件确定

沥青发泡结果显示，基质泡沫沥青和TB 橡胶泡沫沥青的最佳发泡温度均为160 °C.另外，根据JTG/T 5521—2019《公路沥青路面再生技术规范》中最佳发泡条件的确定方法，得到最佳发泡用水量，结果如图4 所示.由图4 可见，将基质泡沫沥青和TB 橡胶泡沫沥青的最佳用水量分别取为2.9%和2.7%，该值符合规范要求，可满足生产实践.

图4 泡沫沥青最佳发泡用水量确定Fig.4 Determination of optimum water consumption of foamed asphalt binders

2.4 微观形貌与特征

通过SEM 试验表征基质沥青、TB 橡胶沥青和最佳发泡条件下基质泡沫沥青、TB 橡胶泡沫沥青的微观形貌，如图5 所示.由图5 可见：基质沥青整体较为平整，呈均相结构；基质泡沫沥青表面依然平整，表面存在少许孔洞，这些孔洞主要是发泡过程中水分迅速蒸发所致；TB 橡胶沥青中存在微小的胶粉颗粒，均匀分散于沥青中，且未溶解胶粉颗粒的粒径均在50 μm 以下；TB 橡胶泡沫沥青的微观形貌包含水泡、气泡、胶粉颗粒，部分水分以游离水的状态存在，使得泡沫沥青的黏度下降.

图5 4 种沥青的扫描电镜照片Fig.5 SEM images of four kinds of asphalt binders

图6 为4 种沥青的FTIR 图谱.由图6 可见：4 种沥青的主要官能团大致相同，均集中在1 800～1 000 cm-1范围内，其中1 024、1 248 cm-1处出现由醚类C—O—C 伸缩振动引起的吸收峰，1 450 cm-1处苯环骨架振动引起的吸收峰，及1 715 cm-1处羰基伸缩振动引起的吸收峰；4 种沥青均在2 960 cm-1附近吸收峰加强，这是由于烷烃类CH3的C—H 反对称伸缩振动；相比基质沥青，TB 橡胶沥青的峰值强度明显增强，可能是由于橡胶溶解后，碳氢化合物含量增加而导致；沥青发泡前后主要官能团大致相同，并未产生新的官能团，水分仅作为自由水存在于沥青中.

图6 4 种沥青的FTIR 图谱Fig.6 FTIR spectra of four kinds of asphalt binders

2.5 高温性能评价

将发泡用水量为2%、3%、4%，发泡温度为160 °C 条件下的基质泡沫沥青、TB 橡胶泡沫沥青，在室温（20 °C）下放置30 min，待泡沫沥青凝固后进行DSR试验；而基质沥青和TB 橡胶沥青直接取样进行DSR试验.4 种沥青均采用G*/sinδ评价各沥青的高温性能.

4 种沥青的车辙因子与温度关系如图7 所示.由图7 可见：4 种沥青的车辙因子均随温度升高而逐渐降低，且TB 橡胶沥青及其泡沫沥青的高温性能均显著优于基质沥青及其泡沫沥青；随着发泡用水量的增加，2 种泡沫沥青的车辙因子均呈下降趋势，但下降程度并不明显，究其原因是水分会软化沥青，在一定程度上影响其高温性能.

图7 4 种沥青的车辙因子与温度关系Fig.7 Relationship between rutting factor and temperature of four kinds of asphalt binders

2.6 温度敏感性评价

4 种沥青采用与高温性能测试相同的处理方法进行DSR 试验，基于测试结果绘制4 种沥青的储能模量（G＇）与温度（T）对数（logG＇-logT）关系曲线，结果见图8.采用图8 中的拟合直线斜率表征沥青的温度敏感性，斜率绝对值越小，温度敏感性越小.由图8可见：（1）随着发泡用水量的增加，基质泡沫沥青的拟合直线斜率绝对值呈下降趋势，且下降幅度几乎一致，表明发泡用水量的增加有助于降低泡沫沥青的温度敏感性.（2）就TB 橡胶泡沫沥青而言，当发泡用水量从0%增加到2%时，其拟合直线斜率绝对值呈增大趋势；当发泡用水量大于2%后，拟合直线斜率绝对值呈减小趋势，表明水分的加入会稍微增加TB 橡胶沥青的温度敏感性，但随着发泡用水量的增加，TB 橡胶泡沫沥青的温度敏感性缓慢降低.（3）TB橡胶泡沫沥青的拟合直线斜率绝对值均远小于基质泡沫沥青，表明采用TB 技术制备泡沫沥青可显著降低泡沫沥青的温度敏感性.

图8 4 种沥青的温度敏感性分析Fig.8 Temperature sensitivity analysis of four kinds of asphalt binders

2.7 黏度评价

4 种沥青采用与高温性能测试相同的处理方法进行温度扫描试验，基于测试结果绘制4 种沥青的黏温曲线，如图9 所示.由图9 可见：（1）基质泡沫沥青和TB 橡胶泡沫沥青的黏度均随着温度的升高而降低，且在相同温度下随着发泡用水量的增加而降低，表明发泡过程中，水分的存在会降低沥青的黏度，但降低幅度并未随水分增多而持续增大.（2）随着温度的上升，不同发泡用水量下基质泡沫沥青与TB 橡胶泡沫沥青的黏度差逐渐减小，表明泡沫沥青中残余水分不断蒸发.（3）TB 橡胶沥青和TB 橡胶泡沫沥青之间的黏度随温度上升始终保持一定的差值，而并非像基质沥青和基质泡沫沥青之间黏度差逐渐趋于零.这可能是由于TB 橡胶沥青在发泡时，减弱或破坏了TB 橡胶沥青中胶粉形成的部分网状结构，因此TB 橡胶泡沫沥青黏度低于TB 橡胶沥青.在同等发泡用水量和温度条件下，TB 橡胶泡沫沥青黏度均远大于基质泡沫沥青，表明TB 橡胶泡沫沥青可提高与集料之间的黏附力，增强泡沫沥青的抗水损害能力.