現(xiàn)代路面材料課程論文廢輪胎膠粉改性瀝青應(yīng)用技術(shù)綜述

1、廢輪胎膠粉改性瀝青應(yīng)用技術(shù)綜述（現(xiàn)代路面材料課程論文）李正中 1土木工程學(xué)院道路與鐵道工程專業(yè)2010年6月廢輪胎膠粉改性瀝青應(yīng)用技術(shù)綜述本報(bào)告關(guān)于輪胎膠粉改性瀝青應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容綜述涉及改性機(jī)理定性分析、性能評(píng)價(jià)指標(biāo)適應(yīng)性分析、性能影響因素試驗(yàn)研究及室內(nèi)制備工藝優(yōu)化等方面，所述及內(nèi)容來(lái)自天津市市政公路管理局2007年科研立項(xiàng)項(xiàng)目廢輪胎膠粉改性瀝青及混合料成套技術(shù)研究相關(guān)研究成果，該課題研究成果于2010年4月經(jīng)天津市高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化中心鑒定為國(guó)際先進(jìn)水平。1 膠粉瀝青改性機(jī)理定性分析本部分主要通過對(duì)廢輪胎膠粉和普通瀝青兩種材料的化學(xué)成分及組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，基于界面理論和溶解度理論，采用四組分分析

2、試驗(yàn)、掃描電鏡試驗(yàn)及紅外光譜試驗(yàn)等先進(jìn)測(cè)試手段，深入研究廢輪胎膠粉和普通瀝青的混溶體系，對(duì)其改性作用機(jī)理進(jìn)行定性分析和總結(jié)。廢輪胎膠粉和瀝青都屬于惰性較強(qiáng)的高分子材料，自身有較好的粘結(jié)結(jié)構(gòu)，一般條件下特別穩(wěn)定。從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)講，膠粉是由被破壞的空間網(wǎng)絡(luò)而形成的網(wǎng)絡(luò)端所組成，其表面呈不規(guī)則的毛刺狀且布滿微觀裂紋；基質(zhì)瀝青是由飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組成的溶膠型膠體結(jié)構(gòu)，瀝青質(zhì)由膠質(zhì)包裹懸浮于飽和分和芳香分中，相對(duì)較為穩(wěn)定。因此，要想把膠粉與瀝青拌和均勻并形成性質(zhì)穩(wěn)定的整體并不容易，膠粉在瀝青中存在形式的均勻性和穩(wěn)定性將直接決定混溶體系的性質(zhì)。基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，可以對(duì)膠粉瀝青的混溶體系得出如下定

3、性結(jié)論： 廢輪胎膠粉顆粒摻入基質(zhì)瀝青后，使瀝青組分發(fā)生遷移，主要體現(xiàn)為輕組分含量相對(duì)減少，從而導(dǎo)致使瀝青膠體結(jié)構(gòu)向溶凝膠型結(jié)構(gòu)發(fā)育； 廢輪胎膠粉顆粒摻入基質(zhì)瀝青后，吸收瀝青輕質(zhì)組分而發(fā)生明顯的熔脹作用并相互粘聚，同時(shí)在膠粉顆粒表面形成瀝青質(zhì)含量很高的凝膠膜，而且隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，膠粉顆粒熔脹程度越大，粘聚越明顯，表面越光滑； 廢輪胎膠粉顆粒對(duì)基質(zhì)瀝青的改性過程中既有物理作用，也會(huì)發(fā)生一定的化學(xué)作用，但兩者混溶以物理填充作用為主； 廢輪胎膠粉顆粒在混溶體系中獨(dú)立存在，需要通過高溫下充分反應(yīng)后形成相對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)，并不能形成類似于SBS高速剪切后的橡膠加勁網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過上述定性分析，基于界面理論和

4、溶解度理論來(lái)研究其混溶過程，可以認(rèn)為膠粉與基質(zhì)瀝青在高溫條件下充分混合發(fā)育，逐步發(fā)生熔脹、吸附、脫硫、降解等一系列物理化學(xué)反應(yīng)：首先是膠粉顆粒吸收瀝青中的輕質(zhì)成分而熔脹并粘聚，同時(shí)在顆粒表面形成瀝青質(zhì)含量較高的凝膠膜，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，膠粉顆粒通過凝膠膜連接，形成一個(gè)粘度較大的半固態(tài)連續(xù)相的混溶體系；伴隨著膠粉顆粒與瀝青的熔脹過程，部分膠粉顆粒還會(huì)發(fā)生脫硫和分子降解過程，交聯(lián)劑硫、抗老化劑等外加劑和炭黑等活性成分會(huì)通過界面交換作用進(jìn)入瀝青膠體體系，而未裂解的膠粉顆粒在瀝青懸浮液中均勻分布，從而最終使混溶體系達(dá)到相對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)。綜合上述試驗(yàn)分析結(jié)果，從總體上來(lái)說，膠粉顆粒和基質(zhì)瀝青的混熔過程即

5、膠粉顆粒不斷熔脹并通過凝膠膜連接的過程，同時(shí)，伴隨著部分膠粉顆粒發(fā)生脫硫和降解作用，使得膠粉顆粒中的活性成分通過界面作用進(jìn)入瀝青膠體體系，而未發(fā)生裂解的膠粉顆粒通過物理填充，可以起到增強(qiáng)瀝青的彈性性能和提高其抗裂性能的作用。整個(gè)混溶體系中，大多數(shù)膠粉顆粒僅起到熔脹填充作用，僅有少部分膠粉顆粒會(huì)發(fā)生裂解作用而與瀝青發(fā)生化學(xué)作用。從膠粉瀝青的反應(yīng)發(fā)育進(jìn)程來(lái)看，其改性過程可以分為以下四個(gè)部分： 膠粉顆粒體積熔脹，使得瀝青膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變加入基質(zhì)瀝青中的廢輪胎膠粉能夠吸附瀝青中的輕組分，使瀝青組分產(chǎn)生遷移，瀝青中與膠粉顆粒結(jié)構(gòu)相似的輕組分經(jīng)過滲透、擴(kuò)散進(jìn)入膠粉網(wǎng)絡(luò)，瀝青質(zhì)相對(duì)含量越來(lái)越多，從而使得瀝青

6、膠體結(jié)構(gòu)向溶凝膠型結(jié)構(gòu)發(fā)育。 膠粉顆粒通過凝膠膜連接，形成半固態(tài)連續(xù)相體系膠粉顆粒吸收瀝青中的油分而熔脹，部分恢復(fù)了生膠性質(zhì)，膠粉顆粒重新具有一定的粘性，能夠較均勻地懸浮分散在瀝青中，并通過凝膠膜相互連接，形成粘度較大的半固態(tài)連續(xù)相體系。這種混溶體系不僅保持了基質(zhì)瀝青材料的主要物理力學(xué)性質(zhì)，也在一定程度上恢復(fù)了膠粉顆粒部分生膠的粘性和可塑性，從而產(chǎn)生改性效果。 部分膠粉顆粒脫硫、降解，活性成分進(jìn)入瀝青膠體體系在高溫?cái)嚢钘l件下，部分膠粉顆粒的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)適度氧化裂解，變成大量的小體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和少量鏈狀物。隨著該反應(yīng)的進(jìn)行，膠粉顆粒會(huì)與瀝青發(fā)生物質(zhì)交換，膠粉顆粒中的硫、炭黑、氧化硅、氧化鐵等活性成分物

7、質(zhì)進(jìn)入瀝青膠體體系中，起到改善瀝青溫度敏感性、低溫性能及耐老化性能的作用。值得注意的是，脫硫反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)，也就是說，高溫下膠粉中硫鍵的斷開和重組是同時(shí)進(jìn)行的，因此在高溫存儲(chǔ)過程中，膠粉改性瀝青的性能會(huì)不穩(wěn)定。 大部分膠粉顆粒對(duì)普通瀝青的加勁作用膠粉顆粒加入普通瀝青中可形成加勁結(jié)構(gòu)：膠粉顆粒三維隨機(jī)分布，構(gòu)成連續(xù)相，膠粉顆粒間靠凝膠膜連接，節(jié)點(diǎn)粘結(jié)效力依賴于溫度。但是，熔脹后的膠粉之間沒有強(qiáng)的化學(xué)鏈接，在混溶體系內(nèi)部不能形成整體性的網(wǎng)絡(luò)加勁結(jié)構(gòu)。2 膠粉瀝青性能評(píng)價(jià)指標(biāo)適應(yīng)性分析膠膠粉瀝青屬于膠粉與普通瀝青的半固態(tài)連續(xù)相混溶體系，其膠體結(jié)構(gòu)中不存在微觀網(wǎng)絡(luò)加勁結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的SBS等聚合物改

8、性瀝青有著本質(zhì)的不同。而我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程JTJ 052-2000和公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范JTG F40-2003針對(duì)改性瀝青的試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)主要基于聚合物改性瀝青的特點(diǎn)而制定，用其對(duì)膠粉瀝青進(jìn)行性能評(píng)價(jià)和質(zhì)量控制顯然不合理。本部分基于膠粉瀝青混溶體系特性，對(duì)現(xiàn)行各種試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行適應(yīng)性分析，以確定適用于膠粉瀝青改性機(jī)理并能真正有效反映其技術(shù)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而指導(dǎo)生產(chǎn)和應(yīng)用。2.1 高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)目前，國(guó)內(nèi)通常采用25針入度、軟化點(diǎn)、粘度、SHRP體系中DSR動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)G*/sin指標(biāo)等技術(shù)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能。 25針入度由早期試驗(yàn)數(shù)

9、據(jù)可以知道，基質(zhì)瀝青在摻入膠粉顆粒以后，其針入度有所降低，而且針入度將會(huì)隨著膠粉摻量的增加及膠粉粒徑的減小而進(jìn)一步降低。這可以從膠粉瀝青改性機(jī)理得到解釋：膠粉顆粒加入到基質(zhì)瀝青以后，吸收輕質(zhì)組分而膨脹，使瀝青質(zhì)含量相對(duì)增加，瀝青膠體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步向溶凝膠型及凝膠型結(jié)構(gòu)發(fā)育，膠粉顆粒的摻量越多，粒徑越細(xì)，發(fā)育越成熟，瀝青的高溫性能就越好。但是，需要注意的是：膠粉瀝青在發(fā)育過程中，溶脹后的膠粉顆粒的體積將達(dá)到瀝青膠結(jié)料體積的30%40%，膠粉瀝青中較大膠粉顆粒的存在會(huì)使目前針入度試驗(yàn)中常用的標(biāo)準(zhǔn)針產(chǎn)生較大的隨機(jī)誤差，而且在25試驗(yàn)環(huán)境下，膠粉顆粒的變形能力比瀝青弱，試針若插入到膠粉顆粒體上，會(huì)使針入度

10、值偏?。蝗粼囜槻迦氲侥z粉顆粒體外，測(cè)得的針入度值又偏大，從而造成膠粉改性瀝青針入度測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果離散性較大。因此，現(xiàn)行25針入度指標(biāo)不宜作膠粉改性瀝青的質(zhì)量控制指標(biāo)。 軟化點(diǎn)采用環(huán)球法試驗(yàn)測(cè)試軟化點(diǎn)，膠粉顆粒在基質(zhì)瀝青中溶脹后形成高粘度的半固態(tài)連續(xù)相體系，鋼球在該體系中下沉阻力由周圍膠粉瀝青的粘滯力來(lái)提供，粘滯力會(huì)隨溫度的上升而減小，因此用環(huán)球法測(cè)得的軟化點(diǎn)在一定程度上可以反映膠粉瀝青的高溫性能。但是，值得注意的是，膠粉瀝青是膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青的混溶體系，膠粉顆粒僅通過凝膠膜相連接而未形成較強(qiáng)的化學(xué)粘結(jié)，所以，軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果實(shí)際上更多的是反映膠粉顆粒間的瀝青輕質(zhì)組分被吸收后的自由瀝青的高溫流動(dòng)性

11、能，并不能全面反映膠粉瀝青在該溫度下的高溫性能。而這點(diǎn)也可以從膠粉瀝青的軟化點(diǎn)試驗(yàn)中看出，雖然其粘度比SBS改性瀝青高，但軟化點(diǎn)卻比SBS改性瀝青低，而且膠粉瀝青從開始下墜到墜落到底的間隔時(shí)間要明顯比SBS改性瀝青短，從側(cè)面可以證明膠粉顆粒之間沒有形成類似SBS改性瀝青中的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要是由膠粉顆粒間的自由瀝青起到抵抗鋼球下落的阻力。因此，軟化點(diǎn)并不能完全反映膠粉瀝青的高溫穩(wěn)定性能，不能用軟化點(diǎn)指標(biāo)的大小來(lái)評(píng)價(jià)膠粉瀝青與其他改性瀝青高溫性能的優(yōu)與劣。 粘度國(guó)內(nèi)外大多將170180范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)粘度作為膠粉瀝青性能的關(guān)鍵控制指標(biāo)，粘度指標(biāo)在機(jī)理上比較適合膠粉瀝青。我國(guó)現(xiàn)行公路工程瀝青及瀝青混合

12、料試驗(yàn)規(guī)程JTJ 052-2000要求，在室內(nèi)采用標(biāo)準(zhǔn)的布洛克菲爾德粘度計(jì)測(cè)試旋轉(zhuǎn)粘度，而粘度值與轉(zhuǎn)子型號(hào)、轉(zhuǎn)速、測(cè)試方法等都有關(guān)系。交通部公路科學(xué)研究院相關(guān)研究表明，27號(hào)轉(zhuǎn)子以及20r/min的轉(zhuǎn)速更適用于測(cè)試膠粉瀝青的粘度，測(cè)試溫度宜控制在170180之間，同時(shí)考慮施工因素，建議將其粘度控制在1.5Pa.s3.5Pa.s之間。 G*/sin指標(biāo)G*/sin指標(biāo)是SHRP體系中對(duì)瀝青膠結(jié)料高溫抗流動(dòng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)基于動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)原理來(lái)測(cè)定瀝青材料的高溫性能。G*是瀝青材料在動(dòng)態(tài)剪切狀態(tài)下的復(fù)數(shù)模量，是相位角，用于反映瀝青的粘性性狀，越大，說明流體材料的力學(xué)相應(yīng)部分粘性越大，產(chǎn)生殘余

13、變形的可能性也大。因此，采用G*/sin來(lái)評(píng)價(jià)瀝青等流變性材料的高溫性能，它的實(shí)際物理意義就是損失剪切柔量的倒數(shù)，數(shù)值越大則說明損失剪切柔量越小，彈性越大，抗車轍能力越強(qiáng)。SHRP體系認(rèn)為G*/sin指標(biāo)能夠?qū)r青膠結(jié)料在路面工作溫度下的行為狀態(tài)進(jìn)行更完整的描述。綜上分析，對(duì)膠粉瀝青的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，宜采用170180下的旋轉(zhuǎn)粘度作為控制指標(biāo)，旋轉(zhuǎn)粘度值宜控制在1.5Pa.s3.5Pa.s之間；軟化點(diǎn)可作為參考指標(biāo)，能夠定性反映膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青的反應(yīng)程度，但不能作為膠粉瀝青與其他改性瀝青高溫性能優(yōu)劣的評(píng)價(jià)指標(biāo)；25針入度在機(jī)理上不適合用于評(píng)價(jià)膠粉改性瀝青的高溫性能，且試驗(yàn)操作隨機(jī)誤差較大，

14、數(shù)據(jù)離散性較大。2.2 低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)目前，國(guó)內(nèi)通常采用低溫延度、當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2、SHRP體系中BBR彎曲梁流變?cè)囼?yàn)蠕變勁度S等技術(shù)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)改性瀝青的低溫性能。 低溫延度早期試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不同粒徑不同摻量的膠粉瀝青在5溫度下的延度值比基質(zhì)瀝青還小，而且，延度值隨著膠粉摻量的增加及膠粉粒徑的減小會(huì)有所增加，但是增加幅度較小。雖然，膠粉瀝青的低溫延度值比基質(zhì)瀝青小，但卻不能認(rèn)為膠粉瀝青的低溫性能較差。這主要是由于膠粉瀝青不同于SBS等聚合物改性瀝青，SBS改性劑可以在基質(zhì)瀝青內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)加勁結(jié)構(gòu)，當(dāng)延度試件受拉時(shí)，低溫下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不具有可塑性，該固定的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以拉動(dòng)整個(gè)加勁網(wǎng)絡(luò)共同受力變形

15、，使得延度值和斷裂時(shí)的拉力值都比基質(zhì)瀝青大；而膠粉瀝青主要靠膠粉顆粒周圍的凝膠膜連接，未能形成像SBS改性瀝青一樣的加勁網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，延度試件在5受拉時(shí)，基質(zhì)瀝青比膠粉顆粒模量低，在拉伸方向產(chǎn)生較大的應(yīng)變，自由瀝青的大變形能力和膠粉顆粒的低流動(dòng)能力的矛盾趨于尖銳，使得膠粉顆粒與瀝青界面產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致試件提前拉斷。因此，5下的低溫延度不應(yīng)用來(lái)評(píng)價(jià)膠粉瀝青的低溫性能，且常溫延度指標(biāo)也不應(yīng)用來(lái)評(píng)價(jià)膠粉瀝青的拉伸性能，不應(yīng)用延度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)膠粉瀝青與其他改性瀝青性能的優(yōu)劣。 當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2是相當(dāng)于瀝青針入度為1.2時(shí)的溫度，有資料證明，當(dāng)量脆點(diǎn)作為評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料低溫抗裂性能的指標(biāo)是

16、合理的，與路用性能也有很好的相關(guān)性。由于膠粉瀝青中膠粉顆粒的存在使得針入度試驗(yàn)存在較大的隨機(jī)誤差，因此由針入度換算的當(dāng)量脆點(diǎn)不宜作為膠粉瀝青低溫性能的控制指標(biāo)。 低溫蠕變勁度SSHRP體系中的彎曲梁流變儀BBR利用傳統(tǒng)的彎曲梁蠕變?cè)頊y(cè)定低溫條件下瀝青膠結(jié)料的勁度模量，用以評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料的低溫抗裂性能。瀝青膠結(jié)料小梁采用雙支撐中間加載模式，用經(jīng)典的小梁蠕變勁度計(jì)算公式：其中，P為中點(diǎn)恒載，L、b、h分別為小梁的支撐點(diǎn)間距、梁的高度和寬度。彎曲梁蠕變?cè)囼?yàn)根據(jù)時(shí)溫等效性，測(cè)定時(shí)采用環(huán)境溫度升高10加荷60秒來(lái)模擬設(shè)計(jì)低溫條件下7200秒加荷的試驗(yàn)方法，認(rèn)為應(yīng)限制瀝青膠結(jié)料的低溫勁度在300MPa以

17、下，而且要求在60秒時(shí)的勁度和加荷時(shí)間的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)曲線斜率在0.3以下。暫不討論BBR試驗(yàn)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是否合適，但是BBR試驗(yàn)的物理力學(xué)意義明確，測(cè)試得到的是能夠模擬路面結(jié)構(gòu)實(shí)際低溫條件的受拉蠕變勁度，因而是衡量膠結(jié)料在低溫條件下變形和拉應(yīng)力關(guān)系的可靠指標(biāo)，能夠很好地反映瀝青膠結(jié)料的低溫柔性，適合于評(píng)價(jià)膠粉瀝青的低溫性能。2.3 彈性恢復(fù)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用彈性恢復(fù)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)改性瀝青加載后的變形恢復(fù)能力。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程JTJ 052-2000中T0662-2000對(duì)彈性恢復(fù)試驗(yàn)原理和步驟的介紹，彈性恢復(fù)試件在25水中被拉伸到10cm后，在拉伸試件的中間

18、位置剪斷，試件依靠膠粉改性瀝青中膠粉顆粒的彈性性能恢復(fù)變形，測(cè)定1h后的變形恢復(fù)程度來(lái)表征膠粉改性瀝青的彈性恢復(fù)性能，因此，彈性恢復(fù)指標(biāo)在機(jī)理上適合于膠粉改性瀝青。2.4 抗老化性能評(píng)價(jià)指標(biāo)目前，國(guó)內(nèi)外主要采用薄膜烘箱熱老化試驗(yàn)（TFOT）、旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱熱老化試驗(yàn)（RTFOT）和壓力老化試驗(yàn)（PAV）來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的抗老化性能。由于膠粉瀝青粘度太大導(dǎo)致流動(dòng)性不好，在盛樣過程中難以形成均勻薄層，直接影響老化均勻性；在TFOT與RTFOT試驗(yàn)中，由于溫度較高，膠粉顆粒在老化過程中會(huì)將吸收的輕質(zhì)油份析出，使普通瀝青與膠粉顆粒發(fā)生離析，從而影響試驗(yàn)結(jié)果；而且，針入度、軟化點(diǎn)和延度等技術(shù)指標(biāo)并不適合用于評(píng)價(jià)

19、膠粉瀝青老化前后的性能變化。因此，從整體上來(lái)說，上述三種老化方式均不適宜于評(píng)價(jià)膠粉瀝青的抗老化性能，建議采用旋轉(zhuǎn)粘度隨老化時(shí)間的變化情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜上所述，對(duì)膠粉瀝青性能指標(biāo)的適應(yīng)性分析，可以得出以下結(jié)論： 膠粉瀝青的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系相對(duì)于SBS等聚合物改性瀝青要簡(jiǎn)單得多，通過控制粘度就能很好地控制膠粉改性瀝青的高溫性能和施工性能，軟化點(diǎn)指標(biāo)在一定程度上可以定性反映膠粉顆粒與瀝青的反應(yīng)程度。 由于膠粉瀝青中膠粉顆粒的存在使得針入度試驗(yàn)結(jié)果隨機(jī)誤差較大，因此，針入度以及由針入度計(jì)算所得的針入度指數(shù)、當(dāng)量軟化點(diǎn)、當(dāng)量脆點(diǎn)等技術(shù)指標(biāo)不適宜于評(píng)價(jià)膠粉瀝青的性能。由于膠粉瀝青是由膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青通過凝膠膜

20、相連接的混溶體系，因此，軟化點(diǎn)僅表征膠粉顆粒周圍的輕質(zhì)成分被吸收的自由瀝青的高溫抗流動(dòng)能力，并不適宜用于評(píng)價(jià)膠粉瀝青的高溫性能。 由于膠粉瀝青中膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青模量的差異，使得其在受拉過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中而提前斷裂，因此，常溫延度和低溫延度指標(biāo)不適宜于評(píng)價(jià)膠粉瀝青的拉伸及低溫抗裂性能。 由于膠粉顆粒在與基質(zhì)瀝青混溶發(fā)育過程中發(fā)生物質(zhì)交換，膠粉顆粒中的硫、炭黑、氧化硅、氧化鐵以及生產(chǎn)輪胎時(shí)添加的抗老化劑等物質(zhì)都進(jìn)入基質(zhì)瀝青膠體體系中，使得膠粉瀝青具有優(yōu)越的抗老化性能，不需要對(duì)其抗老化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。 旋轉(zhuǎn)粘度、彈性恢復(fù)及SHRP體系中的DSR動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)和BBR彎曲梁蠕變?cè)囼?yàn)在機(jī)理上適合用于評(píng)價(jià)膠

21、粉瀝青的技術(shù)性能。3 膠粉瀝青性能影響因素試驗(yàn)研究輪胎膠粉瀝青作為膠粉顆粒和基質(zhì)瀝青的混溶體系，膠粉顆粒的細(xì)度、顆粒表面狀況、摻量和內(nèi)部組成成分直接影響著混溶體系發(fā)育的速度和程度。本部分主要從膠粉顆粒的粒徑、摻量、基質(zhì)瀝青等級(jí)及加工工藝等方面確定其對(duì)輪胎膠粉瀝青性能的影響作用，從而為試驗(yàn)室內(nèi)制備膠粉瀝青提供參考。3.1 膠粉粒徑對(duì)膠粉瀝青性能的影響膠粉顆粒用目數(shù)來(lái)表征其粒徑的大小，目數(shù)越大其粒徑越小。本次試驗(yàn)中膠粉顆粒的摻量固定為外摻20%，粒徑分別采用20目、40目和60目，試驗(yàn)項(xiàng)目采用軟化點(diǎn)、25針入度、175旋轉(zhuǎn)粘度、25彈性恢復(fù)及薄膜烘箱老化試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)膠粉瀝青的性能。膠粉瀝青拌和工藝全

22、部采用簡(jiǎn)單攪拌，攪拌速度為1000r/min左右、攪拌時(shí)間為10分鐘左右、混溶溫度為190。不同膠粉粒徑下膠粉瀝青的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1所示。表1 不同膠粉粒徑下膠粉瀝青的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目單位基質(zhì)瀝青試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)方法20目40目60目175下旋轉(zhuǎn)粘度Pa.s-1.11.82.1T0625-2000針入度（25,100g,5s）0.1mm6450.454.654.2T0604-2000軟化點(diǎn)（環(huán)球法）49.455.459.260.1T0606-200025彈性恢復(fù)%-706768T0662-2000TFOT后殘留物質(zhì)量變化%0.140.130.100.07T0609-1993針入度比%67.6

23、70.373.276.3T0604-2000由表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以明顯看出，膠粉顆粒的摻入對(duì)基質(zhì)瀝青起到了良好的改性效果，隨著膠粉粒徑的減小，膠粉瀝青由軟變硬，粘度增大、針入度減小、軟化點(diǎn)增大，其高溫性能有較好的改善。從性能變化趨勢(shì)來(lái)看，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，膠粉粒徑從20目到40目時(shí)，其性能改善較明顯，但是從40目到60目時(shí)，其性能的提高較緩。由上節(jié)對(duì)膠粉瀝青高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的適應(yīng)性分析可以看出，最能表征膠粉瀝青真實(shí)性能的旋轉(zhuǎn)粘度隨膠粉粒徑的減小而越來(lái)越大，但是針入度試驗(yàn)結(jié)果卻隨著膠粉粒徑的減小而增大，體現(xiàn)出與粘度相反的變化趨勢(shì)，這可能是由于膠粉顆粒越粗時(shí)，其對(duì)標(biāo)準(zhǔn)針的影響越大，從而造成試驗(yàn)值偏差較大，

24、也從側(cè)面說明針入度試驗(yàn)從機(jī)理上不適應(yīng)于對(duì)膠粉瀝青高溫性能的評(píng)價(jià)。同時(shí)，膠粉粒徑從40目到60目時(shí)，膠粉瀝青175下的旋轉(zhuǎn)粘度由1.8 Pa.s增加至2.1 Pa.s，而軟化點(diǎn)卻僅從59.2增加至60.1，其增幅程度遠(yuǎn)小于粘度指標(biāo)，也從側(cè)面反映出常規(guī)的軟化點(diǎn)試驗(yàn)并不能表征膠粉瀝青真實(shí)的粘度性能，更多是體現(xiàn)膠粉顆粒間的輕質(zhì)成分被吸收的自由瀝青的高溫抗流動(dòng)能力，只能說明膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青隨著膠粉粒徑的減小，其發(fā)育反應(yīng)的程度更劇烈。另外，從老化后指標(biāo)可以看出，當(dāng)膠粉粒徑在20目至40目之間時(shí)，膠粉改性瀝青老化后的質(zhì)量變化在0.07%0.13%之間，針入度比均大于70%，抗老化性能有了很大的提高。從25

25、彈性恢復(fù)指標(biāo)來(lái)看，膠粉粒徑的變化對(duì)膠粉改性瀝青加載后的恢復(fù)變形能力影響較小。綜上所述，膠粉瀝青的性能隨膠粉粒徑的變化較為明顯，隨著膠粉粒徑的減小，膠粉顆粒的比表面積越大，在瀝青中溶脹越充分，膠粉瀝青的粘度就越大，即高溫穩(wěn)定性能越好。但是，其性能的改善隨膠粉粒徑的變化程度并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，并不能簡(jiǎn)單地說膠粉顆粒越小，其改性瀝青的性能就一定越好。另外，從經(jīng)濟(jì)性來(lái)講，膠粉顆粒越細(xì)，其加工成本也就越高，同時(shí)更容易結(jié)團(tuán)而影響改性效果。因此，綜合考慮膠粉瀝青本身的性能及其施工性能，建議生產(chǎn)時(shí)應(yīng)選用40目的膠粉顆粒。3.2 膠粉摻量對(duì)膠粉瀝青性能的影響基于上節(jié)試驗(yàn)研究成果，本節(jié)在40目膠粉顆粒的前提下，研

26、究膠粉摻量對(duì)膠粉改性瀝青性能的影響規(guī)律。本次試驗(yàn)中膠粉摻量分別外摻15%、20%及25%，膠粉改性瀝青的加工工藝同上節(jié)，仍然采用軟化點(diǎn)、25針入度、175旋轉(zhuǎn)粘度、25彈性恢復(fù)及薄膜烘箱老化試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)膠粉改性瀝青的性能，同時(shí)采用SHRP體系中BBR彎曲梁蠕變?cè)囼?yàn)勁度指標(biāo)對(duì)其低溫性能進(jìn)行研究。不同膠粉摻量下的膠粉改性瀝青的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2所示。表2 不同膠粉摻量下膠粉改性瀝青的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目單位基質(zhì)瀝青試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)方法15%20%25%175下旋轉(zhuǎn)粘度Pa.s-1.51.83.6T0625-2000針入度（25,100g,5s）0.1mm6457.254.650.1T0604-2000軟

27、化點(diǎn)（環(huán)球法）49.453.159.264.2T0606-200025彈性恢復(fù)%-516776T0662-2000TFOT后殘留物質(zhì)量變化%0.140.140.100.06T0609-1993針入度比%67.671.673.278.6T0604-2000BBR試驗(yàn)-18下蠕變勁度SMPa-1469762AASHTO T313-18下蠕變速率m-0.3040.3210.335-24下蠕變勁度SMPa-335219167-24下蠕變速率m-0.2610.1920.248由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以明顯看出，膠粉摻量的變化對(duì)膠粉瀝青的性能影響較大，隨著膠粉摻量的增加，膠粉瀝青的高溫性能、低溫性能、加載后變形恢

28、復(fù)性能及抗老化性能均有大幅度的提高。其中，膠粉摻量由15%增加至25%，膠粉瀝青175下的粘度由1.5 Pa.s增加至3.8Pa.s、軟化點(diǎn)增加11.1、彈性恢復(fù)由51%增加至76%，-18下勁度模量減少了75%左右。這主要是由于隨著膠粉摻量的增加，膠粉顆粒吸收基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)成分越多，使剩余的自由瀝青含有高比值的瀝青稀，從而使瀝青的粘度及低溫蠕變勁度增大；而且，膠粉顆粒具有相對(duì)更好的變形恢復(fù)能力，隨著其摻量的增加，膠粉改性瀝青的整體變形恢復(fù)能力也隨之提高。由此可見，增加膠粉摻量對(duì)于改善基質(zhì)瀝青的性能是有利的，但同時(shí)應(yīng)該注意到隨著膠粉摻量的增加，膠粉瀝青的粘度有很大的增幅，而過高的粘度會(huì)對(duì)瀝青

29、的泵送及混合料的拌和、攤鋪造成較大的困難，因此，應(yīng)將膠粉的摻量限定在一定范圍內(nèi)?？紤]到生產(chǎn)施工過程對(duì)膠粉瀝青175下的旋轉(zhuǎn)粘度1.5Pa.s3.5Pa.s的要求，建議將其摻量確定為外摻20%。3.3 基質(zhì)瀝青等級(jí)對(duì)膠粉瀝青性能的影響膠粉瀝青作為膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青的混溶體系，基質(zhì)瀝青的等級(jí)對(duì)其品質(zhì)有重要的影響。在南非的應(yīng)用過程中，當(dāng)用于熱拌瀝青混合料時(shí)，選用針入度等級(jí)為6070的基質(zhì)瀝青，而用于層間撒布時(shí)，則選用偏軟的針入度等級(jí)為80100或者100150的基質(zhì)瀝青。而美國(guó)亞利桑那州將基質(zhì)瀝青進(jìn)行PG分級(jí)，由不同等級(jí)基質(zhì)瀝青配制的膠粉改性瀝青分別適用于熱區(qū)、溫區(qū)和寒區(qū)。由此可見，不同等級(jí)的基質(zhì)瀝

30、青對(duì)膠粉瀝青的改性效果有所差異。本節(jié)以70#和90#基質(zhì)瀝青為研究對(duì)象，膠粉外摻20%且粒徑采用40目，基于175旋轉(zhuǎn)粘度、25彈性恢復(fù)及SHRP體系中BBR彎曲梁蠕變勁度等指標(biāo)來(lái)研究基質(zhì)瀝青等級(jí)對(duì)膠粉改性瀝青性能的影響情況。其中，膠粉改性瀝青的拌和工藝同上節(jié)，不同基質(zhì)瀝青下膠粉改性瀝青的性能試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。表3 不同等級(jí)基質(zhì)的膠粉改性瀝青的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目單位試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)方法70#瀝青改性90#瀝青改性175下旋轉(zhuǎn)粘度Pa.s1.81.3T0625-200025彈性恢復(fù)%6779T0662-2000BBR試驗(yàn)-18下蠕變勁度SMPa9792AASHTO T313-18下蠕變速率m-0

31、.3210.354-24下蠕變勁度SMPa219211-24下蠕變徐率m-0.1920.204由表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，由于90#基質(zhì)瀝青中輕質(zhì)組分含量較高，經(jīng)膠粉顆粒改性后的低溫性能略高于70#基質(zhì)瀝青的改性效果，而且其加載后的恢復(fù)變形能力也較強(qiáng)，但是從高溫性能指標(biāo)來(lái)看，90#瀝青改性后的粘度比70#瀝青改性后的小，高溫抗流動(dòng)性能較弱。因此，在膠粉瀝青生產(chǎn)應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同的氣候條件和路面受力特點(diǎn)，有針對(duì)性地選擇基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性。3.4 基質(zhì)瀝青等級(jí)對(duì)膠粉瀝青性能的影響膠粉瀝青的加工工藝包括拌和方式、拌和溫度、拌和時(shí)間及存儲(chǔ)方式等方面。本節(jié)主要對(duì)國(guó)內(nèi)外已有的相關(guān)研究成果進(jìn)行分析歸納，定性評(píng)價(jià)加

32、工工藝對(duì)膠粉瀝青性能的影響，為室內(nèi)確定制備工藝作參考。 拌和方式試驗(yàn)室內(nèi)制備改性瀝青的加工方式主要有簡(jiǎn)單攪拌和高速剪切兩種手段。同濟(jì)大學(xué)研究人員通過試驗(yàn)來(lái)對(duì)比簡(jiǎn)單攪拌和高速剪切兩種工藝對(duì)膠粉瀝青性能的影響，得出結(jié)論為：當(dāng)膠粉摻量為17%時(shí)，兩種工藝的各項(xiàng)指標(biāo)相差不大，但當(dāng)膠粉摻量超過20%時(shí)，高速剪切工藝的各項(xiàng)指標(biāo)卻明顯下降，甚至低于17%摻量時(shí)的指標(biāo)。這主要是因?yàn)椋簩?duì)于膠粉瀝青來(lái)說，廢輪胎膠粉已經(jīng)經(jīng)過硫化交聯(lián)處理，強(qiáng)度和韌性都超過其他改性劑，高速剪切達(dá)不到迅速粉碎顆粒的效果；而且，當(dāng)膠粉顆粒摻量較大時(shí)，其在高速剪切過程中反復(fù)摩擦?xí)a(chǎn)生大量熱量，加速膠粉顆粒的脫硫和裂解，從而影響膠粉瀝青的性能

33、。由此，可以定性認(rèn)為，高速剪切工藝在高溫條件下基本沒有對(duì)膠粉顆粒進(jìn)行細(xì)化的效果，膠粉顆粒的細(xì)度應(yīng)主要依靠膠粉加工階段來(lái)達(dá)到。同時(shí)，同濟(jì)大學(xué)研究人員對(duì)試驗(yàn)室內(nèi)高速剪切工藝和現(xiàn)場(chǎng)膠體磨工藝進(jìn)行研究，得出結(jié)論：膠體磨加工工藝的各項(xiàng)指標(biāo)均要好于室內(nèi)高速剪切工藝的各項(xiàng)指標(biāo)。這說明，雖然同為快速剪切設(shè)備，不同的加工工藝對(duì)膠粉瀝青性能的影響比較顯著。綜上所述，高速剪切工藝對(duì)于膠粉瀝青的加工并不合適。從膠粉瀝青的改性機(jī)理來(lái)看，簡(jiǎn)單攪拌工藝較為簡(jiǎn)單，能夠很好地分散膠粉顆粒，考慮到提高生產(chǎn)效率以及膠粉結(jié)團(tuán)等實(shí)際問題，建議以簡(jiǎn)單攪拌工藝為主，同時(shí)采用低速剪切工藝輔助加工。 拌和溫度拌和溫度是膠粉瀝青加工的重要控制條

34、件，拌和溫度直接影響膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青混溶發(fā)育的速度和程度，從而對(duì)膠粉瀝青的性能有明顯影響。江蘇省交通科學(xué)研究院研究人員基于SHRP指標(biāo)對(duì)此進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出結(jié)論為：膠粉瀝青的車轍因子G*/sin和抗疲勞因子G*sin在不同溫度下表現(xiàn)出明顯規(guī)律性，隨著拌和溫度的升高，膠粉瀝青的抗車轍因子逐漸降低，抗疲勞因子逐漸升高，說明較高的拌和溫度對(duì)于膠粉瀝青的高溫性能和抗疲勞性能不利。一般來(lái)說，膠粉瀝青制備過程中的拌和溫度應(yīng)該小于200，超過此溫度后，基質(zhì)瀝青容易老化并會(huì)出現(xiàn)較大的冒煙現(xiàn)象，同時(shí)膠粉顆粒的脫硫與降解速度增大，使得膠粉瀝青的性能降低；如果拌和溫度低于170時(shí)，膠粉顆粒的溶脹反應(yīng)速度會(huì)較慢，不

35、僅影響生產(chǎn)效率，而且使得膠粉瀝青的粘度較大，給泵送帶來(lái)較大的困難，所以至少應(yīng)將拌和溫度控制在180以上。綜上所述，建議膠粉瀝青的拌和溫度控制在180190之間。 拌和時(shí)間交通部公路科學(xué)研究院研究人員采用高速剪切工藝在180190之間進(jìn)行攪拌，在不同攪拌時(shí)間下對(duì)膠粉瀝青進(jìn)行取樣的顯微鏡放大照片。由時(shí)間影響照片可以看出，攪拌時(shí)間對(duì)膠粉瀝青的勻質(zhì)性影響很大，隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)，膠粉顆粒逐漸打散和融脹，由開始的絮狀塊體，逐漸分散成單個(gè)的膠粉顆粒，隨后膠粉顆粒在基質(zhì)瀝青中吸收輕質(zhì)油份，逐漸發(fā)生融脹，在攪拌時(shí)間達(dá)到2小時(shí)時(shí)，膠粉顆粒已經(jīng)基本融進(jìn)瀝青中，與瀝青的界面開始模糊。另外，膠粉顆粒在攪拌半小時(shí)和攪拌

36、2小時(shí)下的狀態(tài)差別很大，而在1小時(shí)和2小時(shí)的差別顯著減小。同時(shí)，考慮到基質(zhì)瀝青在高溫?cái)嚢柽^程中的老化情況，建議室內(nèi)制備膠粉改性瀝青時(shí)的攪拌時(shí)間最好控制在1小時(shí)左右。在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以先大致確定拌和溫度，并根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果確定拌和時(shí)間，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況進(jìn)行調(diào)整。 存儲(chǔ)方式膠粉瀝青是膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青的混溶體系，該體系相對(duì)不穩(wěn)定，主要由于膠粉顆粒溶脹之后的密度大于自由瀝青，會(huì)逐漸沉淀。但是，由于溶脹后的膠粉顆粒之間通過凝膠膜相互連接而構(gòu)成相對(duì)的連續(xù)相，所以下沉速度較為緩慢，為此可以加入適量的延展油來(lái)延緩膠粉瀝青在儲(chǔ)存過程中的離析現(xiàn)象?？傮w來(lái)說，膠粉改性瀝青很難長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，而且不能通過類似于常

37、規(guī)的高聚物改性瀝青的膠體穩(wěn)定手段來(lái)增強(qiáng)其穩(wěn)定性，通常采用現(xiàn)場(chǎng)改性的方式進(jìn)行生產(chǎn)，隨用隨配，在現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)存時(shí)還必須加以攪拌來(lái)防止沉淀離析。 4 室內(nèi)制備工藝確定根據(jù)對(duì)膠粉瀝青改性機(jī)理及性能影響因素的試驗(yàn)研究，可以定性認(rèn)為：在不摻加混溶助劑的前提下，膠粉顆粒需要在熱瀝青中充分熔脹發(fā)發(fā)育后才能達(dá)到良好的改性效果，由于膠粉顆粒在180190熱瀝青中熔脹時(shí)間約為60分鐘左右，因此，拌和反應(yīng)時(shí)間應(yīng)大于60分鐘；同時(shí)，膠粉顆粒在吸收瀝青輕質(zhì)組分熔脹后，會(huì)在膠粉顆粒周圍形成凝膠膜，如果剪切或攪拌速度過快，將影響或破壞凝膠膜的發(fā)育，從而改變膠粉改性瀝青的混溶體系組成結(jié)構(gòu)。參考滬蓉西高速公路膠粉瀝青的現(xiàn)場(chǎng)加工工藝：采

38、用常溫粉碎法斜交胎膠粉顆粒，先在混溶罐中用7000r/min高速剪切機(jī)攪拌6min，然后打入反應(yīng)罐簡(jiǎn)單攪拌裝置攪拌45min，攪拌速率速率為500800r/min，生產(chǎn)溫度為180。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量室內(nèi)試驗(yàn)比選后，確定膠粉瀝青的室內(nèi)制備工藝：采用常溫粉碎法斜交胎膠粉，膠粉粒徑為40目，摻量為外摻20%，基質(zhì)瀝青采用70#A級(jí)瀝青，攪拌溫度控制在180190之間，先用5000r/min高速剪切機(jī)攪拌10分鐘，再用簡(jiǎn)單攪拌機(jī)攪拌60分鐘，攪拌速率為8001000r/min，使膠粉顆粒充分熔脹發(fā)育。室內(nèi)所確定的膠粉瀝青的室內(nèi)制備工序及參數(shù)如圖1所示。常溫粉碎法斜交胎膠粉粒徑：40目摻量：外摻20

39、%70#A級(jí)基質(zhì)瀝青溫度：1801905000r/min高速剪切攪拌時(shí)間：10min溫度：1801901000r/min簡(jiǎn)單攪拌時(shí)間：60min溫度：180190成品膠粉瀝青圖1 膠粉瀝青室內(nèi)制備工序及參數(shù)示意圖采用常規(guī)指標(biāo)及SHRP體系中的指標(biāo)對(duì)試驗(yàn)室內(nèi)制備的膠粉瀝青進(jìn)行檢測(cè)，由檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，根據(jù)上述加工工藝所制備的膠粉瀝青具有優(yōu)良的性能（試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表4和表5所示），從而驗(yàn)證該工藝適合于膠粉瀝青的改性機(jī)理，可以用來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。表4 室內(nèi)制備膠粉瀝青的常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)技 術(shù) 指 標(biāo)單位試驗(yàn)結(jié)果軟化點(diǎn)（環(huán)球法）58.5175旋轉(zhuǎn)粘度Pa.s1.35離析，48h軟化點(diǎn)差6.125彈性恢復(fù)%85RTFOT后殘留物質(zhì)量損失%0.10針入度比（25）%79延度（5）cm8.8表5 室內(nèi)制備膠粉瀝青的SHRP指標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)溫度試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)要求動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（DSR）車轍因子G*/sin（kPa）761.78試驗(yàn)溫度下，10rad/s，G*/sin1.0kPa821.0