廢舊輪胎再生橡膠粉對瀝青物理性能及流變性能的影響

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(1.平頂山市凱達工程監理處，河南 平頂山 467000；2.河南城建學院，河南 平頂山 467001)

隨著汽車保有量的快速增長，由此產生的廢舊輪胎存量也在快速遞增。目前，全球每年產生廢舊輪胎2 000萬t，大量廢棄輪胎的堆積對環境造成嚴重污染，因此對廢棄輪胎的處置工作變得尤為艱巨。橡膠瀝青具有突出的抗反射裂縫、吸收噪音和環保性能，在美國亞利桑那州、加利福尼亞州等地得到廣泛應用[1]。文獻[1]研究表明，橡膠瀝青混合料具有良好的高溫性能，甚至超過了相同油石比條件下的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改性瀝青混合料。文獻[2]認為，橡膠粉劑摻量對瀝青的路用性能有顯著影響，增加膠粉摻量能有效提高其高溫性能，但同時降低其低溫性能與彈性恢復能力。文獻[3-4]認為橡膠瀝青的粘度隨著膠粉摻量的增大而增大，在確保施工可行性的前提下應盡可能增大膠粉摻量。橡膠粉主要由合成橡膠、天然橡膠、炭黑等組成，還含有防老化劑包括抗氧化劑、熱穩定劑、變價金屬抑制劑、紫外吸收劑等[5]，防老化劑能夠有效改善瀝青混合料的抗老化性能[6]。同時文獻[7]認為橡膠改性瀝青混合料能夠使路面結構層厚度降低約30%，道路服務壽命延長一倍。將廢舊輪胎研磨生產橡膠粉應用于道路瀝青的改性不僅具有經濟可行性及環保效益，同時能夠有效改善瀝青及其混合料的路用性能。因此，對廢舊輪胎再生循環使用是處置廢棄輪胎的有效途徑。

本研究擬定5%、10%、15%、20%和25% 5種橡膠粉摻量水平，選用道路工程常用的70號瀝青，采用熔融共混的方法制備橡膠粉改性瀝青。首先采用傳統試驗方法，對橡膠改性瀝青的三大指標、粘度和彈性恢復等物理性能進行研究；同時采用動態剪切流變儀和彎曲梁流變儀分別對橡膠粉改性瀝青的高溫(31℃～82℃)和低溫(-18℃和-12℃)流變性能進行研究，評價橡膠粉及其摻量對70號瀝青路用性能的影響。

1 橡膠與瀝青的相互作用

橡膠與瀝青的混溶一般認為是物理共混，橡膠粉分散于瀝青中，對瀝青中的芳香組分具有吸收作用，吸收芳香組分后橡膠粉產生溶脹，有效粒徑增大(增大幅度具有一定的溫度依賴性)[8]。膠粉顆粒發生物理溶脹反應，表面與基質瀝青形成凝膠體，彼此相連形成似網狀結構[3]。與瀝青共混前，橡膠粉界面清晰，表面分布有較多開口孔隙；共混后橡膠粉表面變得模糊，表面孔隙部分消失[9]。芳香組分比例的降低使得橡膠改性瀝青的粘度增大，而為了能夠滿足生產儲存及施工過程泵送的需求，應保證工作溫度下橡膠改性瀝青粘度不至于過大，一般可采用添加油分(如芳香化合物或環烷油)等來軟化瀝青，降低瀝青的粘度及改善改性瀝青的低溫性能。當橡膠改性瀝青的粘度趨于穩定時，橡膠粉對瀝青中油分的吸收基本結束。共混過程橡膠粉可能分解、溶解或分子量降低，從而導致橡膠改性瀝青粘度的降低。文獻[10-11]采用掃描電鏡對橡膠改性瀝青的微觀形貌進行分析，發現高溫條件下橡膠粉與瀝青共混后，橡膠顆粒首先發生物理溶脹，隨后顆粒表面與瀝青產生化學反應生成凝膠體，將橡膠粉顆粒中心串聯為網絡狀結構，起到加筋補強效果。

影響橡膠與瀝青相互作用的因素較多，如瀝青中芳香組分的比例、瀝青的溫度和粘度，橡膠粉的生產工藝(環境或低溫研磨)、膠粉粒徑、膠粉的比表面積和化學組成[12-14]。其中橡膠粉的比表面積是影響橡膠粉與瀝青相互作用的最重要因素[8]。橡膠粉的最大粒徑為0.15 mm時，對密級配瀝青混合料的改性效果最好；橡膠粉的最大粒徑為0.60 mm時，則對開級配瀝青混合料的改性效果最好[15]。在不考慮橡膠粉種類的前提下，隨著橡膠粉粒徑的增大，瀝青混合料的回彈模量降低、疲勞壽命增大[16]。常溫研磨橡膠粉的改性效果優于低溫研磨橡膠粉[17]，原因可能是常溫研磨橡膠粉具有更大的比表面積以及不規則的形狀[16]。橡膠改性瀝青的粘度隨著橡膠粉摻量的增大而增大，有可能影響橡膠改性瀝青的施工性能，因此橡膠粉的摻量一般不超過基質瀝青質量的20%[18]。

2 原材料及改性瀝青的制備

2.1 原材料

2.1.1 瀝青

瀝青為殼牌70號道路石油瀝青，其指標檢測結果見表1。瀝青的PG等級為PG64-22，PG為Performance Grade的縮寫，表示瀝青膠結料高溫性能能夠滿足30年瀝青路面7天最高溫度均值不大于64℃，以及最低溫度不低于-22℃的服役條件。

表1 AH-70瀝青技術指標Tab.1 Technical parameters of AH-70 asphalt

2.1.2 橡膠粉

橡膠粉為常溫研磨法生產的橡膠粉，粒度分布范圍為0～0.6 mm，其粒度分析及技術指標檢測結果分別見表2和表3。

表2 橡膠粉粒度分析試驗結果Tab.2 Results of particle size analysis of rubber powder

表3 橡膠粉的技術指標試驗結果Tab.3 Results of technical parameters of rubber powder

2.2 橡膠改性瀝青的制備

首先將基質瀝青加熱至165 ℃，保證瀝青處于流動狀態；然后將擬定摻量的橡膠粉加入瀝青，將溫度升高并穩定至180 ℃，采用高速剪切儀以2 000 r/min攪拌剪切20 min；隨后調整轉速為5 000 r/min，攪拌剪切1.5 h；最后采用100 r/min的轉速攪拌15 min，以消除剪切過程中殘留的空氣。

3 橡膠粉改性瀝青性能研究

3.1 橡膠粉對瀝青物理性能的影響

3.1.1 三大指標

瀝青的針入度、軟化點和延度試驗分別依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T0604—2011、T0606—2011和T0605—2011的方法進行。針入度試驗溫度為25 ℃；延度試驗溫度為5 ℃，拉伸速度為5 cm/min。不同橡膠粉摻量的改性瀝青的三大指標試驗結果見圖1。

圖1 不同橡膠粉摻量的改性瀝青的三大指標試驗結果Fig.1 Results of three indexes of modified asphalt with different dosages of rubber powder

瀝青的針入度能夠反映瀝青稠度，瀝青針入度越小，則瀝青越硬、稠度越大。由圖1可知，隨著橡膠粉摻量的增大，基質瀝青的針入度顯著降低。表明添加橡膠粉后，瀝青的稠度增大，瀝青趨于硬化。橡膠粉摻量為5%～20%時，針入度降低速率較快，20%摻量時，橡膠粉改性瀝青針入度下降至基質瀝青的67.6%；摻量大于20%后，針入度降低速率有所減小。瀝青軟化點反映瀝青的高溫性能，軟化點高表明瀝青的高溫穩定性好。添加橡膠粉后，基質瀝青的軟化點增大；但隨著橡膠粉摻量的增大，橡膠粉改性瀝青軟化點的增長速率減小，表明隨著橡膠粉摻量的增大，軟化點對膠粉摻量的敏感度降低。延度在一定程度上反映瀝青的低溫性能，瀝青的延度越大，低溫性能越好。隨著橡膠粉摻量的增大，橡膠粉改性瀝青的延度整體呈減小趨勢。橡膠粉摻量低于15%時，隨著膠粉摻量的增大延度逐漸減??；橡膠粉摻量大于15%后，隨著橡膠粉摻量的增大，瀝青的延度反而有小幅增大，可能是由于膠粉摻量較大時，膠粉溶脹和部分溶解形成的絲狀網絡結構提高了瀝青的延展性，減小了膠粉對瀝青延度的衰減幅度。

圖1橡膠粉改性瀝青物理性能試驗結果表明，添加橡膠粉后，瀝青趨于硬化。原因是：一方面橡膠粉與瀝青共混后，其表面微觀空隙能夠吸收瀝青中的軟瀝青組分，瀝青中瀝青質組分含量相對增大，使得瀝青凝膠化程度增加；另一方面，橡膠粉與瀝青高溫攪拌剪切過程，膠粉溶脹、部分溶解，溶脹膠團在瀝青中隨機分散形成絲狀網絡，提高了瀝青的力學性能。

3.1.2 粘度

不同橡膠粉摻量的橡膠粉改性瀝青粘度的試驗結果見圖2。由圖2可知，在不同溫度下，隨著橡膠粉摻量的增大，改性瀝青的粘度均增大。且當膠粉摻量大于20%后，粘度增長趨于平緩。

圖2 橡膠粉摻量對橡膠粉改性瀝青粘度的影響Fig.2 Effect of rubber powder content on the viscosity of rubber powder modified asphalt

圖3 橡膠粉摻量對橡膠粉改性瀝青彈性恢復的影響Fig.3 Effect of rubber powder content on the elastic recovery of rubber powder modified asphalt

3.1.3 彈性恢復

瀝青的彈性恢復是反映瀝青在受到外力作用后恢復至原狀態的能力，其能力的好壞直接影響瀝青的高溫性能、低溫性能、疲勞性與耐久性。彈性恢復試驗依據公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程(T0662—2000)的方法進行，試驗溫度為25℃，不同橡膠粉摻量的改性瀝青彈性恢復試驗結果見圖3。由圖可知，橡膠粉摻量由5%增大至25%時，彈性恢復百分比由38.9%增大至67.2%，橡膠改性瀝青的彈性恢復百分比隨著橡膠粉摻量的增大而逐步增大。隨著橡膠粉摻量的增大，橡膠粉摻量對改性瀝青彈性恢復的影響減小，橡膠粉摻量與橡膠粉改性瀝青的彈性恢復成對數關系，對數模型擬合相關系數R2=0.977 1，相關性顯著。

3.1.4 儲存穩定性

保證改性劑與瀝青具有良好的存儲穩定性是保證良好改性效果的關鍵，采用改性離析試驗評價橡膠粉改性瀝青的儲存穩定性。離析軟化點差值小，表明改性瀝青具有好的儲存穩定性，反之儲存穩定性較差。不同橡膠粉摻量的改性瀝青軟化點差值見圖4。由圖4知，上部軟化點均大于下部軟化點，原因是原樣橡膠粉同基質瀝青的密度相差不大，密度比約為1.027，膠粉與瀝青共混后，吸收瀝青的軟瀝青組分，體積膨脹密度降低，密度小于基質瀝青的密度[5]，經歷48 h的163 ℃高溫儲存后，橡膠粉顆粒上浮，使得上部瀝青膠粉含量大于下部瀝青。隨著橡膠粉摻量的增大，改性瀝青的離析軟化點先增大后減小，膠粉摻量為15%時，離析軟化點最大，達10.6℃。原因可能是當膠粉摻量小于15%時，此時膠粉含量相對較低，橡膠粉分散于瀝青中，對瀝青中的芳香組分具有吸收作用，吸收芳香組分后橡膠粉產生溶脹，密度減小，隨著膠粉摻量的增大，膠粉離析加劇，導致軟化點差值增大；當膠粉摻量大于15%時，膠粉摻量較大，僅有部分膠粉能夠充分溶脹，膠粉與瀝青的密度差減小，因此儲存穩定性有所恢復。據此建議，橡膠粉摻量應避免在15%左右。

圖4 橡膠粉摻量對橡膠粉改性瀝青存儲穩定性的影響Fig.4 Effect of rubber powder content on the restore stability of rubber powder modified asphalt

圖5 橡膠粉摻量對橡膠粉改性瀝青復數模量的影響Fig.5 Effect of rubber powder content on the complex modulus of rubber powder modified asphalt

3.2 橡膠粉對瀝青流變性能的影響

3.2.1 動態剪切流變儀高溫掃描

瀝青為粘彈性材料，其粘彈性行為具有溫度和時間依賴性。采用動態剪切流變儀測試橡膠粉改性瀝青的復數剪切模量(G*)和相位角(δ)兩個指標，G*表示瀝青材料在重復剪切變形時總阻力值；δ則反映了G*中損耗彈性模量與儲存彈性模量的比例關系，是應變相對于應力的滯后程度指標。橡膠粉改性瀝青復數模量的試驗結果見圖5。

由圖5知，在31～82 ℃溫度范圍內，隨著溫度的升高，橡膠粉改性瀝青的G*單調減小。在同一溫度條件下，隨著橡膠粉摻量的增大，70號瀝青的G*逐漸增大，橡膠粉對70號基質瀝青具有硬化效果。原因是橡膠粉的加入，使得瀝青中輕組分含量減小，瀝青質含量增大，瀝青變得更加黏稠，其復數剪切模量增大。復數剪切模量在一定程度上反映了瀝青抵抗重復剪切變形的能力，其高溫條件下模量值越大，瀝青的剛度越大，有利于瀝青的高溫穩定性。

31～82 ℃范圍內，不同橡膠粉摻量改性瀝青的相位角如圖6所示。由圖6知，隨著溫度的升高，瀝青的相位角單調增大，溫度為82 ℃時，基質瀝青的相位角接近90°。隨著溫度的升高，橡膠粉改性瀝青的相位角并未出現類似聚合物改性瀝青的相分離過程，表明在31～82 ℃溫度范圍橡膠粉同瀝青界面接觸良好。在同一溫度條件下，隨著橡膠粉摻量的增大，瀝青的相位角顯著減??；橡膠粉摻量為10%～20%時，橡膠粉摻量對瀝青相位角的影響十分顯著，相位角的降低速率較大。相位角反映了瀝青的粘彈性能，其值越大，瀝青彈性越小，粘性成分多。相位角的減小，表明彈性增強粘性減弱。

圖6 橡膠粉摻量對橡膠粉改性瀝青相位角的影響Fig.6 Effect of rubber powder content on the phase angle of rubber powder modified asphalt

圖7 橡膠粉摻量對橡膠粉改性瀝青車轍因子的影響Fig.7 Effect of rubber powder content on the rutting parameter of rubber powder modified asphalt

圖7為橡膠粉改性瀝青的車轍因子，隨著橡膠粉摻量的增大，瀝青的車轍因子顯著增大。相對于基質瀝青，橡膠粉摻量由5%提高至25%時，64 ℃溫度條件下，橡膠粉改性瀝青的車轍因子分別增長約1倍和10倍。表明橡膠粉能夠顯著提高70號瀝青的抗車轍性能，且橡膠粉摻量越大，抗車轍性能提高越顯著。

3.2.2 彎曲梁流變儀試驗

對經短期熱氧老化和長期熱氧老化后的橡膠粉改性瀝青進行彎曲梁流變儀試驗，測試不同摻量的橡膠粉改性瀝青在低溫條件下的勁度模量(S)和蠕變速率(m)。由于基質瀝青的PG等級為PG64-22，故彎曲梁流變儀試驗溫度選取-12 ℃和-18 ℃。-12 ℃和-18 ℃溫度條件下橡膠粉改性瀝青的彎曲梁流變儀試驗結果分別見圖8和圖9。在-12℃溫度條件下，隨著橡膠粉摻量的增大，橡膠粉改性瀝青的S值和m值均減小。相對于70號基質瀝青，橡膠粉摻量為5%和25%時，S值分別降低13.2%和65.7%，m值分別降低4.1%和15.1%。但橡膠粉摻量為25%時，m值仍滿足不小于0.3的要求。

在-18 ℃溫度條件下，橡膠粉對70號基質瀝青S值和m值的影響趨勢與-12 ℃溫度條件相同，隨橡膠粉摻量的增大，橡膠粉改性瀝青的S值和m值均減小。對于70號基質瀝青，S值已不滿足小于300 MPa的要求；而5%和10%摻量橡膠粉改性瀝青的S值和m值均滿足要求；橡膠粉摻量大于10%后，S值雖然滿足小于300 MPa的要求，但m值已不滿足不小于0.3的要求。因此，5%和10%摻量橡膠粉使得70號基質瀝青的PG低溫等級改善了一個等級，15%、20%和25%摻量橡膠粉對70號基質瀝青的PG低溫等級沒有影響。

圖8 不同橡膠粉摻量的橡膠粉改性瀝青彎曲梁流變儀試驗結果(-12 ℃)

圖9 不同橡膠粉摻量的橡膠粉改性瀝青彎曲梁流變儀試驗結果(-18 ℃)Fig.9 Results of bending beam rheometer test of different dosages of rubber powder modified asphalt (-18 ℃)

4 結論

1) 隨著橡膠粉摻量的增大，基質瀝青的針入度顯著降低，軟化點增大，延度整體呈減小趨勢；隨著橡膠粉摻量的增大，改性瀝青的粘度均增大。物理性能試驗結果表明，添加橡膠粉后，瀝青趨于硬化。

2) 離析試驗結果表明，橡膠粉改性瀝青的上部軟化點均大于下部軟化點，隨著橡膠粉摻量的增大，改性瀝青的離析軟化點先增大后減小，膠粉摻量為15%時，離析軟化點最大，達10.6 ℃。建議橡膠粉摻量應避免在15%左右。

3) 隨著橡膠粉摻量的增大，70號瀝青的G*逐漸增大，瀝青的相位角顯著減??；瀝青的車轍因子顯著增大。相對于基質瀝青，橡膠粉摻量由5%提高至25%時，64 ℃溫度條件下橡膠粉改性瀝青的車轍因子分別增長約1倍和10倍。表明橡膠粉能夠顯著提高70號瀝青的抗車轍性能，且橡膠粉摻量越大，抗車轍性能提高越顯著。

4) 彎曲梁流變儀試驗結果表明，在-12 ℃和-18 ℃溫度條件下，隨著橡膠粉摻量的增大，橡膠粉改性瀝青的S值和m值均減小。5%和10%摻量橡膠粉使得70號基質瀝青的PG低溫等級改善了一個等級，15%、20%和25%摻量橡膠粉對70號基質瀝青的PG低溫等級沒有影響。