OPW/橡胶粉复合改性沥青的流变性能研究

姜明映, 陈娥梅, 刘永成, 朱亚东, 赵艳峰

(云南省曲靖市交通建设投资集团有限公司，云南 曲靖 655000)

0 引言

橡胶改性沥青因其绿色环保、经济、降噪和保黑等特点，已成为一种热门的沥青路面功能性材料[1-2]。利用废旧轮胎生产出的橡胶改性沥青，不仅可以提高道路石油沥青的路用性能，还能作为增值型固废材料发挥其经济和环保优势[3]。因橡胶改性沥青的黏度明显高于道路石油沥青，在沥青路面施工过程中拌和与压实温度较高，会产生额外的燃料消耗和排放更多的温室气体，且毒烟雾与刺鼻性气体也会增加。沥青温拌技术是减少其对环境负面影响的有效手段之一，即通过降低沥青的黏度来提高沥青混合料的施工和易性，以此减少沥青路面施工过程中的能源消耗和温室气体排放[4-5]。

目前已针对橡胶改性沥青温拌技术进行了大量的研究，如季节等[5]研究了有机蜡类温拌剂对橡胶改性沥青黏度的影响，发现蜡类温拌剂可通过润滑效应减少沥青的黏度。张智等[6]通过动态剪切流变仪对比了不同温拌剂对橡胶改性沥青高温性能的影响，结果表明聚丙烯蜡能改善沥青的高温性能，而石蜡作用相反。Yang等[7]基于气相色谱法和红外光谱试验研究了橡胶改性沥青混合料对环境的影响，结果表明橡胶沥青路面的施工温度对有毒气体排放量有显著影响。总体而言，尽管温拌橡胶改性沥青技术已得到广泛研究，但因蜡基温拌剂种类繁多，温拌橡胶改性沥青的性能表征均有所差异，且沥青在黏度降低的同时可能存在高温稳定性下降等问题。所以，需要进一步研究蜡基添加剂对橡胶改性沥青的性能影响。

与废弃橡胶相似，废弃塑料的处理问题同样可采用沥青改性技术加以缓解[8-13]。氧化聚乙烯蜡(OPW)是一种通过裂解废塑料得到的副产品，无毒无腐蚀性，已被广泛用作橡胶和塑料产品的分散剂、添加剂等[14]。因此，可将OPW与橡胶粉作为沥青改性剂，使改性剂能充分溶解在沥青中，并以此降低橡胶改性沥青的黏度，从而降低其混合料的拌和与压实温度。基于此，采用不同掺量(12%、15%、18%)的橡胶粉和不同掺量(0、2%、4%、6%)的OPW对基质沥青进行复合改性，通过黏度试验、多重应力蠕变恢复(MSCR)试验、弯曲梁流变仪(BBR)和储存稳定性试验，研究了OPW/橡胶粉复合改性沥青的流变性能，验证了这种绿色材料作为沥青路面材料的可行性。

1 试验材料与方案

1.1 原材料

采用东海牌70#A级道路石油沥青作为基质沥青，其相关技术指标如表1所示。

表1 基质沥青的技术指标性能指标25 ℃针入度/(0.1 mm)软化点/℃15 ℃延度/(cm)15 ℃密度/(g·cm-3)闪点/℃60 ℃动力黏度/(Pa·s)含蜡量/%溶解度/%旋转薄膜烘箱试验(短期老化)质量损失/%25 ℃残留针入度比/%10 ℃残留延度/cm测试值6448.0>1001.0352991951.9999.8+0.055677规范值60～80≥46≥100实测≥260≥180≤2.2≥99.5±0.8≥61≥6

选择橡胶粉和OPW作为沥青改性剂。橡胶粉的目数为40，其性能指标如表2所示。OPW是一种淡黄色粉末颗粒，由相对分子量为1 000～4 000的聚乙烯降解而成，其性能指标如表3所示。

1.2 制备方法

根据文献[15]，OPW/橡胶粉复合改性沥青的制备过程如下：首先，将基质沥青加热至流动状态，分批并缓慢添加OPW至基质沥青当中，在100 ℃(OPW的熔点)的温度下用玻璃棒搅拌15min，待OPW完全溶解在沥青中后，将温度提升至180 ℃，缓慢分批加入橡胶粉并手动搅拌15min；随后，采用高速剪切仪对复合改性沥青进行搅拌，保持180 ℃的温度，剪切时间和剪切速率分别设置为1 h和3 500 r/min；最后加入稳定剂，保持同样条件继续搅拌和溶胀1 h。对照组橡胶改性沥青的制备过程，则保持与上述制备过程中相同的时间(2.5 h)、剪切速率(3 500 r/min)和剪切温度(180 ℃)进行。

1.3 试验方案

根据1.2节制备方法，进行矩阵试验设计，即制备3种橡胶粉掺量(12%、15%、18%)和4种OPW掺量(0、2%、4%、6%)组合的共计12种改性沥青，对该12组沥青试样分别开展黏度、MSCR、BBR和储存稳定性试验，得到不同改性剂掺量下的沥青性能指标，并比较其中差异性。具体试验方法如下：

1)根据ASTM D 4402标准，采用布氏黏度表征OPW/橡胶粉复合改性沥青的施工和易性，其中试验温度和剪切速率分别设置为180 ℃和50r/min，且保证黏度试验过程中扭矩为10%～98%。

2)采用AASHTO TP 70标准，对短期老化后的沥青进行MSCR试验，评价其高温性能。试验温度设置为76 ℃，基于应力控制模式，MSCR试验的应力水平分别设置为0.1 kPa和3.2 kPa，对沥青试样加载，试样不断循环加载和卸载10次，加载时间和卸载时间分别为1 s和9 s。

3)根据AASHTO T313-09规范，采用BBR试验表征长期老化后的OPW/橡胶粉复合改性沥青低温性能。BBR沥青试件的尺寸为125 mm×12.7mm×6.35 mm，试验温度分别设置为-6、-12、-18 ℃。

4)根据ASTM D7173标准对沥青的储存稳定性进行评价。将50 g的沥青试样密封在铝管中，然后在(163±5)℃的烘箱内垂直放置48 h。随后将其取出，在室温下冷却30 min。最后，将这些铝管平均分成3段，取首尾两端的沥青进行软化点试验。

2 结果与讨论

2.1 黏度特性

黏度是表征橡胶改性沥青施工和易性的关键指标，能反映沥青在高温下的泵送能力。图1显示了不同掺量下OPW/橡胶粉复合改性沥青的180 ℃黏度值。由图1可以看出，随着橡胶粉掺量增加，沥青的黏度值增加。同时，还可以发现在相同橡胶粉掺量下，添加OPW时，随着OPW掺量增大，沥青的黏度也随之略微增长，这是因为OPW自身的结晶结构进一步增强了橡胶粉在沥青基体中的三维结构。此外，由图1可知添加OPW能降低橡胶改性沥青的黏度，以此来提高橡胶改性沥青在高温下的泵送能力。当沥青的制备温度高于OPW的熔点温度(100 ℃)时，蜡溶解在沥青基体中，使得OPW/橡胶粉复合改性沥青的黏度比橡胶改性沥青的黏度更低。结果表明，与橡胶改性沥青相比，使用6%的OPW可降低橡胶改性沥青约25%的黏度，且橡胶粉掺量越高，降黏作用越明显。

图1 黏度试验结果

2.2 蠕变与恢复特性

一般来说，由于沥青材料在高应力状态下会发生延迟弹性效应，与动态剪切流变仪的结果相比，MSCR试验结果更能真实地表征沥青的高温性能。MSCR试验的评价指标包括不可恢复蠕变柔量(Jnr)和弹性恢复率(R)，在每个循环中能用该指标评价沥青材料的弹性恢复能力和抗车辙性能。OPW/橡胶粉复合改性沥青的MSCR试验结果如表4所示。

表4 MSCR试验结果沥青类型Jnr(kPa-1)R/%0.1kPa3.2kPa0.1kPa3.2kPa12%橡胶粉2.564.2411.142.1812%橡胶粉+2%OPW1.394.0923.541.7912%橡胶粉+4%OPW1.723.7419.871.1012%橡胶粉+6%OPW1.973.8916.541.0815%橡胶粉1.883.6920.312.7515%橡胶粉+2%OPW1.343.2834.573.8515%橡胶粉+4%OPW1.203.0135.494.7115%橡胶粉+6%OPW1.493.5720.552.5718%橡胶粉0.972.1936.185.8718%橡胶粉+2%OPW0.791.8239.546.0118%橡胶粉+4%OPW0.591.6840.316.7518%橡胶粉+6%OPW0.912.2337.235.89

在2种应力水平下，橡胶改性沥青的R值主要取决于其弹性特性。由表4可知，在3.2 kPa应力水平下，12%橡胶粉掺量下加入OPW对沥青的R值有负面影响，而在相同应力水平下，添加OPW会降低沥青的Jnr值。在其他橡胶粉掺量和相同应力水平下，添加OPW均降低了橡胶改性沥青的Jnr值并增加了其R值，说明OPW可改善橡胶改性沥青的高温性能，在高应力状态下这种改善效果还有待进一步研究。OPW可改善橡胶改性沥青的高温性能，是因为高掺量下橡胶粉在沥青基体中的溶解能力有限并接近饱和，而OPW的结晶作用使其在熔点温度下溶解于沥青基体中，填充和润滑了沥青和橡胶粉之间的三维结构空隙，使得三维结构更加饱满和稳定。

2.3 低温抗裂性

采用BBR试验来评价OPW/橡胶粉复合改性沥青的低温性能，以蠕变劲度(S)和蠕变速率(m)值作为评价指标。一般来说，S值越小且m值越大则表明沥青低温性能越好，并以S≤300 MPa或m>0.3作为限定值，若试样不满足以上条件则说明该温度下沥青的低温性能不佳。表5为BBR试验结果，其显示了不同温度下OPW/橡胶粉复合改性沥青的低温性能关系，部分试样因在较高温度下已不满足要求，在更低温度下指标必定超限，则未对其进行试验。由表5可知，试验温度的降低会使沥青的S值增加而m值降低。同时，由表5还可以发现添加2%OPW也使得沥青的S值增加而m值降低，这是由于OPW的结晶作用使其低温性能下降。18%橡胶粉含量下，与添加2%OPW相比，添加4%或6%的OPW则能略微改善沥青的低温性能，这是因为橡胶粉掺量越高，沥青黏度越大且易造成胶粉离析，从而影响沥青的性能表征，OPW能够有效地改善沥青的高温性能，但OPW可能不利于其低温性能。综上所述，OPW有助于橡胶粉在沥青基体中充分溶解，然而其润滑和填充作用使得沥青的低温松弛性能在一定程度下降低。

表5 BBR试验结果沥青类型-6 ℃-12 ℃-18 ℃S/MPamS/MPamS/MPam12%橡胶粉34.780.44961.720.347190.520.30012%橡胶粉+2%OPW58.720.35763.140.325207.240.26712%橡胶粉+4%OPW89.130.286----12%橡胶粉+6%OPW67.440.289----15%橡胶粉38.270.41078.760.357157.980.30415%橡胶粉+2%OPW48.580.35297.850.321170.310.28115%橡胶粉+4%OPW63.780.293----15%橡胶粉+6%OPW52.750.32985.710.284--18%橡胶粉38.160.40967.850.359131.550.31918%橡胶粉+2%OPW65.730.279----18%橡胶粉+4%OPW56.290.28790.240.257--18%橡胶粉+6%OPW50.460.299----

2.4 储存稳定性

橡胶粉因自身黏度较高，若溶胀作用不充分，则在沥青基体中易形成非均匀相。根据Stokes定律，在高温下橡胶改性沥青处于静态储存状态时，橡胶颗粒易向上移动并漂浮在沥青表面。OPW/橡胶粉复合改性沥青的储存稳定性试验结果如图2所示。由图2可知，3种橡胶改性沥青的软化点差值均大于2.5 ℃，说明高掺量下橡胶改性沥青容易发生离析现象。在橡胶改性沥青中添加2%OPW后，沥青的软化点差值显著降低，说明OPW改善了橡胶改性沥青的离析现象。OPW对橡胶改性沥青的储存稳定性改善可以归纳为3点：①橡胶改性沥青中沥青与橡胶粉之间的密度不同，而OPW平衡了橡胶粉与沥青二者的密度差异；②沥青的结构和分子量会影响自身的储存稳定性，OPW使沥青变硬，从而提高了OPW/橡胶粉复合改性沥青的储存稳定性；③加入OPW使橡胶改性沥青的结构由溶胶转变为凝胶，从而提高了沥青的储存稳定性。

图2 储存稳定性试验结果

3 结论

由高温裂解氧化得到的OPW体现了废旧塑料转变为增值型固废材料的过程，将其与橡胶粉一起作为沥青改性剂实现了废弃物资源化利用的目标。因此，目前的研究旨在通过沥青试验来评价OPW/橡胶粉复合改性沥青的流变性能，根据试验结果可以得出以下主要结论：

1)在橡胶改性沥青中加入OPW可使其黏度降低，从而降低了橡胶改性沥青混合料施工过程中的拌合和压实温度。与传统橡胶改性沥青相比，OPW可以通过降低燃料消耗和空气污染来提高橡胶改性沥青的施工和易性。

2)MSCR试验结果显示，OPW可增加了橡胶改性沥青的弹性恢复能力，且提高了其抗车辙性能，而沥青高温性能的增强与OPW的掺量并非呈单纯的线形正相关关系，OPW掺量过大其对沥青的改善效果反而降低。储存稳定性试验结果表明，在橡胶改性沥青中加入OPW能显著改善橡胶粉与沥青之间的离析现象，降低了橡胶粉颗粒在沥青中沉降的可能性。

3)与橡胶改性沥青相比，OPW的添加提高了橡胶改性沥青的蠕变劲度，且降低了m值参数，即OPW对橡胶改性沥青的低温抗裂性能存在负面影响。其对低性能温度产生负面影响的可能原因是OPW中的结晶结构，即蜡的碳氢链之间存在真空状态，显著影响其玻璃态转换温度。

4)根据试验结果可以得到改性剂最佳掺量为：15%橡胶粉+6%OPW，橡胶粉掺量增加不利于沥青的低温性能表征，而高掺量OPW则有利于增强橡胶改性沥青的相容性，从而使其性能优势更加明显。

5)尽管已对OPW/橡胶粉复合改性沥青的流变性能做了较为系统的研究，但OPW对橡胶改性沥青的改性机理需要进一步揭示，因此后续应采用微观试验对OPW、橡胶粉和沥青三者的耦合作用做进一步研究。