胶粉对基质沥青路用性能的影响研究

2023-12-07梁毓珂

山西交通科技 2023年4期

梁毓珂

（山西省公路局长治分局，山西长治 046600）

0 引言

胶粉改性沥青相对基质沥青而言，具有明显的高温性能优势，它充分利用了废旧轮胎，环保效益明显。但是在使用过程中，胶粉改性沥青也具有明显的缺陷，主要表现为胶粉对基质沥青的低温性能提升明显低于高温性能。胶粉改性沥青施工时，施工难度较大，同时，胶粉中含有大量的硫化物，施工过程中对周边环境及施工人员健康影响较大。另外，普通橡胶粉在与基质沥青混合时，不容易发生溶胀，进而导致胶粉和沥青混溶难度比较大，再加上橡胶粉和基质沥青之间的反应较小，无法形成稳定的三维网络结构，最终导致胶粉改性沥青的存储稳定性差[1]。脱硫胶粉采用一定的手段将硫化胶联键断裂，最终使胶粉的性能趋于稳定[2]。大量学者研究了采用干法制备胶粉改性沥青混合料，夏娟等[3]研究了基质沥青与橡胶粉在高温状态下的作用机理，采用布氏黏度仪对胶粉改性沥青的各项指标进行了研究，发现脱硫胶粉改性沥青的黏度低于普通胶粉改性沥青；吕泉等[4]研究了脱硫胶粉与基质沥青的相容性能，得出脱硫胶粉可以完全溶解于基质沥青，并且与基质沥青的相容性强。徐全鹏等[5]得出脱硫胶粉∕SBS 复合改性沥青的感温性降低，脱硫胶粉掺量18%、SBS 掺量3%的复合改性沥青的性能最优。目前，大部分学者都对脱硫胶粉改性沥青开展了各方面的研究，但尚未系统地从两种胶粉改性沥青的红外光谱、黏度变化、存储稳定性、抗老化性、耐高温性等方面进行研究，评价脱硫胶粉的路用性能。

1 原材料

1.1 基质沥青

选用埃索90 号A 级基质沥青为研究对象，其指标均满足规范[6]要求。基质沥青性能见表1。

表1 90号A级基质沥青性能

1.2 胶粉

试验用胶粉为普通30 目胶粉和脱硫30 目胶粉两种。普通胶粉采用货车轮胎全胎磨碎而成。脱硫胶粉采用双连杆剪切脱硫法制作而成。

1.3 矿粉

矿粉采用石灰岩磨细制作而成，技术要求符合规范要求，0.075 mm 通过率为81%，矿粉检测结果见表2。

表2 矿粉检测结果

2 试样制备

2.1 普通胶粉改性沥青的制备

将基质沥青加热到180 ℃，随后加入普通胶粉，普通胶粉掺量为内掺22%，通过普通搅拌机搅拌30 min 溶胀，再用4 000 r∕min 高速剪切机剪切60 min，最后再用普通搅拌机搅拌30 min发育，即可制成胶粉改性沥青。

将基质沥青加热到170 ℃，加入基质沥青内掺质量22%的脱硫胶粉，用普通搅拌机搅拌30 min 溶胀，再用高速剪切机剪切60 min，最后用普通搅拌机搅拌30 min发育即可制作成脱硫胶粉改性沥青。

2.2 胶粉沥青胶浆的制备

基质沥青加热到150 ℃，普通胶粉沥青加热到180 ℃，脱硫胶粉沥青加热到170 ℃，按照2.5 的粉胶比，将矿粉缓慢加入并均匀搅拌，直至胶浆均匀、无色差为止。

3 试验及分析

3.1 红外光谱分析

采用傅立叶红外变换光谱仪对90 号基质沥青、脱硫胶粉改性沥青、普通胶粉改性沥青进行扫描试验，对比3 种沥青红外光谱图谱，对比结果见图1。

图1 基质沥青与普通胶粉改性沥青、脱硫胶粉改性沥青透过率图

两种改性沥青相较基质沥青来讲，在2 363 cm-1处均存在波峰消失，而2 363 cm-1处基质沥青主要表现为C≡C 的伸缩振动，两种改性沥青在此处均无振动，表明两种改性沥青均发生化学反应，形成了新的化学键，另外，两种改性沥青与基质沥青的基本走势相同，加入的两种胶粉对基质沥青尚未发生较为剧烈的化学反应。

3.2 黏度分析

现有规范中改性沥青的拌和温度和压实温度不是以黏温曲线确定，而是采用普通沥青的施工温度增加约20 ℃得来，这就使不同改性沥青的温度确定具有了很大的不确定性，依据单双成等[7]的研究成果，改性沥青及其胶浆的黏度变化规律与基质沥青不同，采用沥青胶浆的黏度∕温度变化规律确定拌和温度和压实温度更接近实际。所以，采用规范中基质沥青拌和黏度（0.17±0.02）Pa·s 和压实黏度（0.28±0.03）Pa·s 作为切入点，导出基质沥青的拌和压实温度，在沥青胶浆图中查找基质沥青的拌和黏度、压实黏度，再以此拌和黏度、压实黏度分别查出对应的各改性沥青的拌和温度、压实温度。

由图2 可知，基质沥青拌和黏度（0.17±0.02）Pa·s和压实黏度（0.28±0.03）Pa·s 时，对应的拌和温度为153～160 ℃，压实温度为140～145.8 ℃。将以上温度带入图2b 中，得出基质沥青胶浆的拌和黏度为0.9～1.29 Pa·s，压实黏度1.87～2.5 Pa·s。黏度对施工拌和过程难易程度起主要作用，所以，为获得与基质沥青相同的和易性能，各改性沥青的黏度也选基质沥青胶浆的黏度，通过普通胶粉胶浆、脱硫胶粉胶浆计算得普通胶粉沥青的拌和温度为195～205 ℃，压实温度为180～187 ℃；脱硫胶粉沥青的拌和温度为166～175 ℃，压实温度为151～158 ℃。脱硫胶粉改性沥青的拌和、压实温度低于普通胶粉改性沥青，主要原因为，当胶粉脱硫后，胶粉中的交联网络受到破坏，胶粉颗粒表面变得更为粗糙，基质沥青更容易渗入胶粉颗粒中，大颗粒的胶粉得到更为充分的溶解，脱硫胶粉沥青的均匀性得到进一步的保障。

图2 基质/改性沥青胶浆黏度图

3.3 存储稳定性分析

采用JTG T 0661—2011 开展普通胶粉改性沥青和脱硫胶粉改性沥青的离析试验，试验结果见表3。

表3 胶粉改性沥青离析软化点差试验结果单位：℃

由表3 可知，在静止状态下，48 h 后脱硫胶粉和普通胶粉沥青均存在离析的问题，表现为48 h 后离析软化点差均超出规范要求。均匀状态下，胶粉沥青、脱硫胶粉沥青的软化点分别为64 ℃、65 ℃，163 ℃静置48 h后，普通胶粉改性沥青表现为胶粉上浮，上层沥青的软化点变大；脱硫胶粉改性沥青表现为胶粉下沉，下层沥青的软化点变大。表明两种胶粉改性沥青在静置状态下存储均无法使用。

进一步研究了在163 ℃静置48 h 后，再将脱硫胶粉改性沥青和普通胶粉改性沥青加热到180 ℃，分别通过搅拌机搅拌0 min、3 min、6 min、9 min 后测定各时间结点的离析软化点差，测试结果见表4。

表4 不同搅拌时间后沥青离析软化点差试验结果单位：℃

由表4 可知，在搅拌的条件下，普通胶粉改性沥青的离析软化点差趋于合格的难度远大于脱硫胶粉改性沥青，且搅拌9 min 后，普通胶粉改性沥青的离析软化点差尚不能满足规范要求，而脱硫胶粉改性沥青约搅拌4 min 后，即可满足离析软化点差绝对值≤2 ℃的要求，也进一步说明了脱硫胶粉改性沥青在抗离析方面具有更强的优势。

3.4 高温性能分析

采用AASHTO TP5 试验方法，分别对原样普通胶粉改性沥青、脱硫胶粉改性沥青、短期老化后的普通胶粉改性沥青及脱硫胶粉改性沥青开展DSR 试验，以52～88 ℃的温度为区间，测试4 个沥青样品的相位角δ和复数剪切模量G*，试验结果见图3、图4。

图3 胶粉沥青的相位角

图4 胶粉沥青的车辙因子

从图3 可知，4 个胶粉沥青样品随温度的升高，动态剪切流变试验中相位角逐渐变大，黏性性能逐渐变大，而RTFOT 普通胶粉改性沥青的相位角增速最小，RTFOT 脱硫胶粉改性沥青相位角增速最大，主要原因为普通胶粉在脱硫活化剂的作用下，其中部分S-O 键、S-C 键得到破坏，使普通胶粉的致密结构变得疏松，在加热后的沥青中抵抗变形能力变差，同时在老化过程中胶粉中橡胶油进一步析出，导致随温度的提升，RTFOT 脱硫胶粉改性沥青抵抗弹性变形能力不及RTFOT 普通胶粉改性沥青。

从图4 可知，综合考虑复数剪切模量G*和相位角δ时，RTFOT 脱硫胶粉改性沥青的车辙因子最大，虽然相位角随温度的升高黏性成分进一步增加，但抗车辙性能相对其他样品最强，因为经脱硫活化剂将胶粉中大部分硫分析出后，胶粉沥青在拌和过程中均匀性更加容易保证，并在短期老化过程中析出大量芳烃油，使胶粉在基质沥青中溶胀效果更加明显，性能表现更为优越。

3.5 老化性能分析

依据旋转膜烘箱试验方法及压力老化试验方法，对普通胶粉改性沥青及脱硫胶粉改性沥青进行短期及长期老化试验，研究两种改性沥青的差异。试验结果见图5。

图5 两种沥青老化后各性能指标变化

随老化程度的延长，普通胶粉改性沥青及脱硫胶粉改性沥青均出现针入度降低、软化点升高、弹性恢复性能降低、旋转黏度增加、低温劲度模量增加、蠕变速率降低的现象。老化前后，普通胶粉改性沥青的软化点、旋转黏度均远高于脱硫胶粉改性沥青，脱硫胶粉改性沥青的蠕变速率远高于普通胶粉改性沥青，普通胶粉改性沥青的抗老化性能强于脱硫胶粉改性沥青。主要原因为，当胶粉脱硫时，胶粉中的抗氧化剂等成份被分解、脱去，造成脱硫胶粉改性沥青的整体抗老化性能降低，低温蠕变速率变化较大，低温敏感性变强。