2019, Vol. 36扩展功能
文章信息
- 王筵铸, 王旭东, 张龙生, 许兵, 韩杰
- WANG Yan-zhu, WANG Xu-dong, ZHANG Long-sheng, XU Bing, HAN Jie
- 橡胶沥青配伍性及黏附性能研究
- Study on Compatibility and Adhesion Property of Rubber Asphalt
- 公路交通科技, 2019, 36(3): 34-41, 72
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2019, 36(3): 34-41, 72
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2019.03.006
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文章历史
- 收稿日期: 2018-06-04
2. 交通运输部公路科学研究院, 北京 100088;
3. 江西省高速公路投资集团有限公司, 江西 南昌 330025;
4. 重庆交通大学, 重庆 400074
2. Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China;
3. Jiangxi Provincial Expressway Investment Group Co., Ltd., Nanchang Jiangxi 330025, China;
4. Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China
近年来我国汽车保有量迅速增加，废旧轮胎数量激增，由此带来了严重的环境污染和安全隐患[1]。将废旧轮胎加工成胶粉修筑沥青路面，是资源循环利用的有效途径，可显著提升路面使用性能[2-3]。废轮胎橡胶沥青具有良好的高温抗车辙、抗疲劳和抗滑性能，并且能够降低路面噪音和筑路成本，实现废旧轮胎循环利用，减少了环境污染，因此受到道路学者高度关注[4-6]。
橡胶沥青使用性能影响因素包括原材料性质(基质沥青、胶粉、添加剂)及加工工艺(反应时间、反应温度等)，橡胶沥青改性过程亦十分复杂，既包含物理作用，又有化学反应，而原材料的性质起到决定性的影响，即沥青与胶粉的配伍性[7-8]；同时，关于橡胶沥青高低温性能及抗疲劳性能已有广泛的研究，而目前针对橡胶沥青的黏附性能及老化后黏附性变化的研究较少，橡胶沥青的黏附性是影响沥青路面耐久性的重要因素。因此，本研究选取5种不同油源基质沥青加工得到橡胶沥青，分析基质沥青组分、胶粉掺量与橡胶沥青常规性能的关联性；同时，基于表面自由能理论，通过测定沥青的表面自由能及其参数，研究沥青组分、胶粉含量、薄膜烘箱热老化及紫外光老化对橡胶沥青黏附性能的影响。
1 橡胶沥青配伍性研究 1.1 胶粉与不同品质基质沥青配伍性研究本研究选择5种不同品质的70#与胶粉进行配伍性研究，研究用废胎胶粉应满足《路用废胎硫化橡胶粉》(JT/T 797—2011)的相关规定，且粒度在60目~80目(含)之间。废胎胶粉应质地均匀，不含有目测可见的木屑、砂砾、玻璃和污物等杂质。废胎胶粉的物理和化学技术指标分别满足表 1和表 2的要求。
| 项目 | 筛余物/% | 相对密度 | 含水率/% | 金属含量/% | 纤维含量/% |
| 技术指标 | ＜10 | 1.10~1.30 | ＜1 | ＜0.03 | ＜1 |
| 项目 | 灰分 | 丙酮抽出物 | 碳黑含量 | 橡胶烃含量 |
| 技术指标 | ≤8 | ≤16 | ≥28 | ≥48 |
研究选取5种70#基质沥青进行橡胶沥青的加工，5种基质沥青分别为高富70#、秦皇岛70#、泰国IRPC70#、壳牌70#和泰普克70#，基质沥青四组分数据及对比图如表 3和图 1所示, 基质沥青基本性能试验数据如表 4所示。
| 沥青 | 四组分/% | |||
| 饱和分 | 芳香分 | 胶质 | 沥青质 | |
| 高富70# | 9.5 | 40.6 | 36.1 | 13.8 |
| 秦皇岛70# | 8.9 | 39.8 | 37.1 | 14.2 |
| 泰国IRPC | 6.0 | 56.1 | 28.6 | 9.3 |
| 壳牌70# | 8.6 | 50.0 | 30.4 | 11.0 |
| 泰普克70# | 6.2 | 56.1 | 27.3 | 10.4 |
|
| 图 1 沥青组分对比 Fig. 1 Comparison of asphalt components |
| |
| 基质沥青 | 针入度(25 ℃)/0.1 mm | 软化点/℃ | 延度(10 ℃)/cm |
| 高富70# | 68.6 | 51.9 | 87.9 |
| 秦皇岛70# | 69.2 | 53.8 | 100.8 |
| 泰国IRPC | 74.9 | 51.8 | 100.0 |
| 壳牌70# | 71.9 | 51.0 | 77.9 |
| 泰普克70# | 67.5 | 51.7 | 100.0 |
试验研究胶粉掺量统一为22%(外掺)，橡胶沥青加工方法为：将基质沥青加热至180 ℃，分次将胶粉加入到沥青中，并搅拌均匀，然后将容器放在保温剪切装置中，在180 ℃剪切搅拌1 h。橡胶沥青加工完成后，分别测定其针入度、延度、软化点、黏度指标，如表 5所示，作图比较分析如图 2所示。
| 橡胶沥青 (胶粉含量22%) |
针入度 (25 ℃)/ 0.1 mm |
软化点/ ℃ |
延度 (5 ℃)/ cm |
黏度 (180 ℃)/ (Pa·s) |
| 高富70# | 38.3 | 70.0 | 11.7 | 4.638 |
| 秦皇岛70# | 37.0 | 72.6 | 13.0 | 5.526 |
| 泰国IRPC | 42.2 | 66.1 | 14.1 | 3.230 |
| 壳牌70# | 43.9 | 64.7 | 12.9 | 3.600 |
| 泰普克70# | 44.0 | 64.8 | 15.6 | 4.310 |
|
| 图 2 橡胶沥青性能比较 Fig. 2 Comparison of properties of rubber asphalt |
| |
试验结果表明：同为70#基质沥青加工的橡胶沥青性质受基质沥青性质影响明显，胶质和沥青质含量在50%左右，相比其他3种沥青，高富70#和秦皇岛70#两种沥青的针入度较小，软化点较高，由这两种沥青加工得到的橡胶沥青针入度较小，软化点较高；而5种橡胶沥青的延度较为接近；橡胶沥青的黏度受基质沥青性质影响最大，基质沥青重组分的影响，秦皇岛70#加工得到的橡胶沥青黏度较大为5.526 Pa·s，泰国IRPC基质沥青加工橡胶沥青黏度最小为3.23 Pa·s。本研究的5种基质沥青中，由胶质和沥青质含量较高的秦皇岛70#、高富70#沥青掺加22%胶粉加工的得到的橡胶沥青适用于热区，其余3种适用于温区，其性能指标满足橡胶沥青技术规范。在实际生产应用中，若用于热区，基质沥青宜选择重组分含量多的70#基质沥青或者50#沥青；若用于温区，基质沥青宜选择轻组分含量多的70#沥青，或90#沥青进行橡胶沥青的生产。
1.2 不同胶粉含量橡胶沥青基本性质对比研究为考察胶粉含量对橡胶沥青性质的影响，试验研究选取4组分含量相差较大的秦皇岛70#沥青和泰国IRPC基质沥青加工橡胶沥青，橡胶沥青加工方法同上，胶粉含量分别为18%，20%，22%，24%，并分别测定橡胶沥青三大指标和黏度，试验数据见表 6，并根据表中数据进行作图比较分析。
| 基质沥青 | 胶粉含 量/% |
针入度 (25 ℃)/ (0.1 mm) |
软化点/ ℃ |
延度 (5 ℃)/ cm |
黏度 (180 ℃)/ (Pa·s) |
| 秦皇岛70# | 18 | 38.0 | 66.8 | 9.3 | 3.063 |
| 20 | 36.6 | 69.4 | 9.6 | 4.135 | |
| 22 | 36.1 | 70.8 | 9.7 | 5.526 | |
| 24 | 34.7 | 72.9 | 9.6 | 6.934 | |
| 泰国IRPC | 18 | 43.5 | 60.8 | 12.5 | 1.758 |
| 20 | 42.4 | 61.7 | 13.3 | 2.900 | |
| 22 | 41.4 | 63.2 | 14.1 | 3.230 | |
| 24 | 45.1 | 66.0 | 14.9 | 4.520 |
根据表 6及图 3进行比较分析得到：随着胶粉含量的增加，橡胶沥青针入度减小、软化点升高，但其延度值较为接近；橡胶沥青受基质沥青性质的影响明显，由秦皇岛70#沥青加工的橡胶沥青针入度小于泰国IRPC、软化点高于泰国IRPC，其延度值低于泰国IRPC；由重组分含量高的秦皇岛70#沥青加工得到的橡胶沥青高温性能较好，低温延展性差于泰国IRPC。随着胶粉含量的增加橡胶沥青黏度增大，而基质沥青为秦皇岛70#时，橡胶沥青黏度随胶粉含量而增加的速率大于泰国IRPC。
|
| 图 3 不同胶粉含量橡胶沥青性能比较 Fig. 3 Comparison of properties of rubber asphalt with different rubber powder content |
| |
胶粉掺量对橡胶沥青针入度、软化点及延度的影响较小，主要影响其黏度，在实际生产应用中应该根据当地气候环境、交通条件及施工技术要求选择胶粉掺量，本研究的胶粉掺量在橡胶沥青技术规范建议的掺量内(外掺17.6%~30%)。
1.3 橡胶沥青高温稳定性分析橡胶沥青的热稳定性是影响其施工和易性及路用性能的重要因素[9-10]，试验研究选取3种品质基质沥青加工得到的橡胶沥青进行高温稳定性试验分析，即分别测定了橡胶沥青在180 ℃保温0，1，2，4，6，8，10，12 h后的布氏黏度，以黏度为指标考察橡胶沥青的高温稳定性，试验数据如表 7所示，并根据表 7作图分析。
| 稳定时间/h | 黏度/(Pa·s) | ||
| AR(秦皇岛70#) | AR(泰国IRPC) | AR(壳牌70#) | |
| 0 | 5.254 | 3.063 | 3.487 |
| 1 | 5.152 | 3.037 | 3.550 |
| 2 | 4.765 | 3.050 | 3.088 |
| 4 | 4.137 | 2.800 | 2.850 |
| 6 | 3.537 | 2.338 | 2.463 |
| 8 | 3.112 | 2.188 | 2.075 |
| 10 | 3.037 | 2.037 | 1.962 |
| 12 | 2.950 | 1.788 | |
由表 7及图 4可知，橡胶沥青在高温180 ℃条件下保温过程中，秦皇岛70#加工橡胶沥青保温1 h黏度降低较小，而从2 h以后黏度开始迅速降低，直至保温8 h后黏度降低为最初的60%左右时随着时间的延长而趋于相对稳定；对于壳牌70#沥青加工橡胶沥青同样是在保温1 h后开始迅速降低，直至8 h后黏度降低速度减小，但黏度仍继续减小；对于壳牌70#沥青加工的橡胶沥青在保温2 h内黏度相对稳定，自2 h后黏度开始降低，且其黏度降低速率要小于其余两种橡胶沥青，同样在8 h后黏度降低速率减小。
|
| 图 4 橡胶沥青黏度变化曲线 Fig. 4 Viscosity curves of rubber asphalt |
| |
根据橡胶沥青技术规范，橡胶沥青原则上应在24 h内使用完毕。当由于不可抗力，如需临时存储时，应将橡胶沥青的温度降到145~155 ℃范围内存储，存储时间一般不超过3 d。在存储期间应检测橡胶沥青的技术指标。本研究建议，若橡胶沥青在180 ℃以上储存不应超过8 h。如超过8 h，在使用前应检测黏度是否满足要求。
2 橡胶沥青黏附性研究 2.1 橡胶沥青黏附性研究研究以表面自由能理论为基础[11-12]，系统研究评价了橡胶沥青的黏附性能，为橡胶沥青的科学运用提供理论指导。本研究基于表面自由能理论，以乙二醇、甲酰胺、丙三醇蒸馏水为标准液，通过测定标准液在沥青表面的接触角[13]，分别求出沥青和集料的表面自由能参数，再结合式(3)~(5)便可得到沥青与集料的黏附功计算式(1)：
|
(1) |
式中，Wadhesion为沥青与集料黏附功；γs, asphaltd与γs, asphaltp分别为沥青表面能的色散分量和极性分量；γs, aggregated与γs, aggregatep分别为集料表面能的色散分量和极性分量。
由式(1)计算得到沥青与集料的黏附功，继而评价沥青与集料的黏附性能。本研究测定了不同基质沥青及不同胶粉含量加工得到的橡胶沥青表面自由能数据，研究评价了不同橡胶沥青与石灰岩的黏附性能。
2.1.1 不同基质沥青加工橡胶沥青黏附性研究沥青和石灰岩表面能性质如表 8所示，并根据表中数据作图比较分析如图 5所示。
| 基质沥青 | 表面能/(mJ·m-2) | |
| 基质沥青 | 橡胶沥青(22%) | |
| 高富70# | 14.2 | 18.7 |
| 秦皇岛70# | 16.1 | 17.2 |
| 壳牌70# | 20.6 | 18.6 |
| 泰国IRPC | 19.3 | 21.3 |
| 泰普克70# | 20.9 | 19.7 |
|
| 图 5 沥青表面能比较 Fig. 5 Comparison of surface energies of asphalt |
| |
由图 5比较分析可知，基质沥青经过胶粉改性后表面能变化趋势不明显，壳牌70#和泰普克70#沥青经过胶粉改性后沥青表面能减小，其余3种沥青表面能增大；对于橡胶沥青，泰国IRPC表面能最大为21.3 mJ/m2，秦皇岛70#表面能最小为17.2 mJ/m2。
橡胶沥青与石灰岩的黏附功试验数据见表 9，根据表 9作图如图 6所示。
| 黏附功/(mJ·m-2) | ||
| 基质沥青 | 橡胶沥青(22%) | |
| 高富70# | 50.3 | 54.4 |
| 秦皇岛70# | 50.6 | 54.0 |
| 壳牌70# | 57.4 | 55.2 |
| 泰国IRPC | 56.6 | 59.6 |
| 泰普克70# | 58.0 | 57.2 |
|
| 图 6 橡胶沥青与石灰岩黏附功对比 Fig. 6 Comparison of adhesion works between rubber asphalt and limestone |
| |
根据表 9中数据，以及图 6对比分析可知，基质沥青经过胶粉改性后得到的橡胶沥青与石灰岩的黏附功变化趋势不明显，壳牌70#和泰普克70#沥青经过胶粉改性后沥青黏附功减小，其余3种沥青黏附功增大；对于橡胶沥青，橡胶沥青泰国IRPC与石灰岩黏附功最大为59.6 mJ/m2，橡胶沥青秦皇岛70#与石灰岩的黏附功最小为54.0 mJ/m2。
2.1.2 不同胶粉含量橡胶沥青黏附性研究试验研究选取秦皇岛70#和泰国IRPC两种基质沥青与不同胶粉含量加工橡胶沥青，胶粉含量18%，20%，22%，24%，并测定橡胶沥青表面能。不同胶粉含量橡胶沥青表面能数据如表 10所示，并根据表中数据作图(如图 7所示)比较分析。
| AR(秦70#) 胶粉含量/% |
表面能/ (mJ·m-2) |
AR(泰IRPC) 胶粉含量/% |
表面能/ (mJ·m-2) |
| 18 | 16 | 18 | 19 |
| 20 | 16.4 | 20 | 18.8 |
| 22 | 17.2 | 22 | 21.3 |
| 24 | 17.6 | 24 | 22 |
|
| 图 7 不同胶粉含量橡胶沥青表面能比较 Fig. 7 Comparison of surface energies of asphalt with different crumb rubber contents |
| |
由图 7比较分析可知，同一种基质沥青加工得到的不同胶粉含量的橡胶沥青表面能相差较小，由泰国IRPC沥青加工的橡胶沥青表面能整体大于由秦皇岛70#沥青得到的橡胶沥青。橡胶沥青表面能主要受基质沥青性质影响，而受胶粉含量影响较小。
橡胶沥青与石灰岩的黏附功试验数据见表 11，根据表 11作图分析如图 8所示。
| 胶粉含量/% | 黏附功/(mJ·m-2) | |
| 秦皇岛70# | 泰国IRPC | |
| 18 | 50.3 | 56.5 |
| 20 | 51.8 | 56.3 |
| 22 | 50.6 | 59.6 |
| 24 | 52.9 | 56.0 |
|
| 图 8 橡胶沥青与石灰岩黏附功对比 Fig. 8 Comparison of adhesion works between rubber asphalt and limestone |
| |
根据表 11中数据及图 8比较分析可知，同一种基质沥青加工得到的不同胶粉含量的橡胶沥青与石灰岩的黏附功相差较小，由泰国IRPC沥青加工的橡胶沥青与石灰岩黏附功整体大于由秦皇岛70#沥青得到的橡胶沥青。橡胶沥青与石灰岩的黏附功主要受基质沥青性质影响，而受胶粉含量影响较小。
2.2 老化后橡胶沥青性质研究橡胶沥青在使用过程中受温度、氧气、水等因素的影响，其胶体结构、物理力学性质会发生一系列不可逆的变化，这种变化称为老化[14]。老化导致橡胶沥青高温稳定性、低温抗裂性及抗疲劳性能衰减，影响了沥青路面的耐久性[15-17]。研究运用薄膜烘箱老化试验TFOT(Thin Film Oven Test)模拟沥青在长时间使用过程中的老化过程，老化时间为5，10，15 h。老化温度为163 ℃，对老化后的橡胶沥青同样进行过滤胶粉，分析过滤胶粉后沥青的表面能性质，探索老化时间对橡胶沥青黏附性影响的规律。
2.2.1 热老化橡胶沥青过滤胶粉后残余沥青表面能性质变化研究老化后沥青表面能数据如表 12所示。
| 橡胶沥青 | 表面能/(mJ·m-2) | |||
| 未老化 | 老化5 h | 老化10 h | 老化15 h | |
| 高富70#-22% | 15.1 | 16.0 | 15.6 | 16.9 |
| 壳牌70#-22% | 16.9 | 18.7 | 18.7 | 19.1 |
| 泰普克70#-22% | 20.3 | 21.1 | 20.1 | 22.0 |
| 秦皇岛70#-18% | 13.9 | 16.4 | 17.1 | 16.4 |
| 秦皇岛70#-20% | 13.3 | 14.5 | 16.4 | 16.4 |
| 秦皇岛70#-22% | 15.5 | 16.6 | 16.6 | 17.7 |
| 秦皇岛70#-24% | 13.0 | 16.6 | 16.2 | 15.9 |
| 泰国IRPC-18% | 17.9 | 20.6 | 16.3 | 20.7 |
| 泰国IRPC-20% | 20.1 | 19.9 | 19.1 | 21.5 |
| 泰国IRPC-22% | 19.3 | 21.1 | 20.3 | 20.1 |
| 泰国IRPC-24% | 20.7 | 20.7 | 19.1 | 21.2 |
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| 图 9 橡胶沥青表面能对比 Fig. 9 Comparison of surface energies of asphalt |
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根据表 12中试验数据及图 9比较分析可知：与未经过老化直接过滤沥青的表面能相比，除秦皇岛70#沥青外，其余4种沥青经过老化再过滤，沥青表面能有增大的趋势，但随着老化时间的增长，表面能变化趋势无明显规律。对于不同胶粉含量的沥青，随着胶粉含量的增加，不同老化时间后沥青表面能性质变无明显规律，但胶粉含量不同而基质沥青相同的橡胶沥青经过老化过滤后沥青的表面能数值较为接近；5种胶粉含量相同，而基质沥青不同的橡胶沥青经过老化过滤后的沥青表面能与老化时间之间无明显规律，且不同老化时间后沥青表面能较为接近，不同沥青之间相差较大，表明橡胶沥青的表面能主要受基质沥青性质的影响，受老化时间和胶粉含量影响较小。
2.2.2 紫外光老化后橡胶沥青中所含基质沥青表面能性质变化研究太阳光中的紫外光辐射是引起沥青在路面服务期间发生老化的主要自然因素之一，尤其在海拔较高的高原地区[18]。研究利用紫外老化箱模拟沥青紫外老化试验，主要探究分析紫外老化对沥青表面自由能性质的影响。试验用沥青为泰国IRPC70#、泰国IRPC、泰普克基质70#、壳牌70#添加22%胶粉加工得到的橡胶沥青，紫外老化后同样在160 ℃条件下经过0.6 mm的筛进行过滤，测定分析过滤后沥青的表面能性质。
紫外光辐照度为25 mW/cm2，试验时间为10，20 d，相当于室外光照1年和2年的时间。沥青膜厚度为2 cm，紫外光老化后过滤后进行表面能测定并进行比较分析。试验数据如表 13所示。
| 橡胶沥青 | 表面能/(mJ·m-2) | ||
| 未老化 | 老化10 d | 老化20 d | |
| 高富70#-22% | 15.1 | 15.9 | 16.5 |
| 秦皇岛70#-22% | 15.5 | 16.8 | 17.3 |
| 壳牌70#-22% | 16.9 | 16.5 | 18.8 |
| 泰国IRPC-22% | 19.3 | 18.4 | 19.6 |
| 泰普克70#-22% | 20.3 | 19.7 | 20.4 |
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| 图 10 沥青表面能比较 Fig. 10 Comparison of surface energies of asphalt |
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根据表 13和图 10比较分析可知：与未进行老化的橡胶沥青进行比较，经过紫外老化10，20 d后，沥青的表面能存在增大趋势，但与老化时间之间无统一规律，高富70#和秦皇岛70#加工得到的橡胶沥青表面能随紫外老化时间增大，其余3种沥青表面能先减小后增大；对于由不同基质沥青加工得到的橡胶沥青经过老化过滤后，沥青表面能数值相差较为明显，即表明橡胶沥青表面能主要由原基质沥青性质决定，紫外老化对其表面能性质影响较小。
3 结论试验开展了不同品质基质沥青与橡胶粉的配伍性研究以及橡胶沥青的热稳定性、黏附性研究，测定了不同基质沥青加工得到的橡胶沥青的基本性质及表面能性质，分析了基质沥青品质及胶粉含量对橡胶沥青性质的影响，并初步考察了热老化、紫外老化后橡胶沥青表面能性质变化规律，得到如下结论：
(1) 橡胶沥青三大指标性质受基质沥青性质影响明显，同为70#沥青，胶质和沥青质含量较高的沥青加工得到的橡胶沥青，针入度较小，软化点较高，且180 ℃黏度较大；由胶质和沥青质含量较高的秦皇岛70#、高富70#沥青掺加22%胶粉加工的得到的橡胶沥青适用于热区，其余3种适用于温区。道路建设中应根据实际需求选择合适基质沥青进行橡胶沥青的生产。
(2) 随着胶粉含量的增加，橡胶沥青针入度减小、软化点升高，但其延度值较为接近；橡胶沥青在高温条件下储存会使其黏度下降，在180 ℃条件下储存8 h黏度将会下降60%，因此橡胶沥青在生产使用过程中应降低温度储存，高温下储存时间不宜超过8 h。
(3) 基质沥青经过胶粉改性后得到的橡胶沥青与石灰岩的黏附功变化规律不明显，壳牌70#和泰普克基质沥青经过胶粉改性后沥青黏附功减小，其余3种沥青黏附功增大；同一种基质沥青加工得到的不同胶粉含量的橡胶沥青与矿料的黏附功相差较小，由泰国IRPC沥青加工的橡胶沥青与石灰岩黏附功整体大于由秦皇岛70#沥青得到的橡胶沥青，橡胶沥青与矿料的黏附功主要受基质沥青性质影响，而受胶粉含量影响较小。
(4) 除秦皇岛70#沥青外，其余4种沥青经过热老化再过滤，沥青表面能有增大的趋势，但随着热老化时间的增长，表面能变化趋势无明显规律；对于不同胶粉含量的沥青，随着胶粉含量的增加，不同热老化时间后沥青表面能性质变无明显规律，但胶粉含量不同而基质沥青相同的橡胶沥青经过热老化过滤后沥青的表面能数值较为接近；橡胶沥青的表面能主要受基质沥青性质的影响，受热老化时间和胶粉含量影响较小。
(5) 橡胶沥青紫外老化过滤后沥青的表面能变化程度较小，且与老化时间之间无统一规律，橡胶沥青表面能主要由原基质沥青性质决定，紫外老化对其表面能性质影响较小。
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