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废轮胎橡胶粉尺寸对橡胶改性沥青性能的影响研究.pdf
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1、0引言汽车工业的高速发展带来对橡胶轮胎的巨大需求,然而废旧轮胎的数量也快速增长。回收利用废旧轮胎的方案之一是将其制备为橡胶粉应用于沥青中,制备成橡胶改性沥青。橡胶粉可以直接(干法)添加到沥青混合物,或者可以先与沥青混合料形成改性沥青(湿法),再与集料混合形成沥青混合料1。与干法相比,湿法可提升沥青和橡胶粉的相容性,从而提升橡胶改性沥青的性能。然而,湿法制备橡胶改性沥青的过程中,橡胶粉与沥青的相互作用过程取决于各种材料的特性和加工条件2。目前,有研究者认为橡胶改性沥青制备过程的相互作用有2种机制,即物理溶胀和化学降解3-4。橡胶粉在沥青的溶胀过程经历了一个快速发展阶段,然后达到平衡状态;在相同的
2、橡胶-沥青相互作用时间下,混合温度越高,其膨胀率越大5-6。因此,橡胶粉颗粒的实际物理特性对膨胀现象具有重要作用,例如粒径越小,比表面积和长径比越大,改性沥青的黏度、软化点和弹性就越高,抗车辙性就越好。有学者研究表明:在任何情况下,达到平衡溶胀所需的时间与橡胶颗粒直径的平方成反比7。橡胶粉的尺寸和化学成分改变了其与沥青的相互作用方式,从而改变了橡胶改性沥青在使用寿命内的服役性能。然而,制造均匀尺寸的橡胶粉颗粒在实践中是不可行的;相反,橡胶粉由不同直径的颗粒组成,具有类似矿粉的级配特征。因此,更合适和实用的方法是研究橡胶粉级配的性能,而不是研究单个颗粒的行为。基于此,本文研究橡胶粉颗粒的大小对橡
3、胶改性沥青的物理、化学、流变和储存稳定性等性能的影响。1原材料和试验方法1.1原材料废旧橡胶粉选用30目和50目2种型号,采购自广西南宁某轮胎回收厂,该工厂通过研磨工艺回收重载汽车轮胎用于生产废旧橡胶粉。对废旧橡胶粉颗粒的组成进行筛分,绘制级配曲线图(如图 1 所示)。从图1可知,与50目橡胶粉相比,30目橡胶粉的级配组成中,大颗粒(0.6 mm)占据颗粒组成的40%左右。这意味着相比50目橡胶粉,30目橡胶粉具有更大的比表面积,可用于与沥青的相互作用。1009080706050403020100通过率(%)0.0750.30.150.61.18筛孔尺寸(mm)30目50目图1废旧橡胶粉筛分级
4、配曲线图废轮胎橡胶粉尺寸对橡胶改性沥青性能的影响研究张慎(广西路建工程集团有限公司,广西 南宁 530001)摘要:为对比研究不同目数废旧橡胶粉改性沥青的性能,选用30目和50目废轮胎橡胶粉,在室内制备橡胶改性沥青,开展常规性能试验和动态剪切流变性能试验。实验证明:与50目废旧橡胶粉相比,30目废旧橡胶粉改性沥青的物理性质较优,但180布式旋转黏度较高,不利于工厂泵送和现场施工;30目橡胶改性沥青与50目橡胶改性沥青的存储稳定性差异较小,但在存储过程中的橡胶颗粒状态有所区别;相比50目橡胶改性沥青,30目橡胶改性沥青的流变特性具有更好的弹性响应,更好的高温性能。关键词:道路工程;废旧橡胶粉;颗
5、粒大小;常规性能;流变特性中图分类号:TQ330.9文献标识码:A文章编号:1674-0688(2023)06-0064-04【作者简介】张慎,男,甘肃临洮人,任职于广西路建工程集团有限公司,工程师,研究方向:道路与桥梁工程。【引用本文】张慎.废轮胎橡胶粉尺寸对橡胶改性沥青性能的影响研究 J.企业科技与发展,2023(6):64-67.本期专题张慎.废轮胎橡胶粉尺寸对橡胶改性沥青性能的影响研究64采用 70#A 级沥青作为基质沥青,其技术指标见表1。表170#A级沥青技术指标检测指标25 针入度软化点15 延度60 动力黏度短期老化(RTFOT)质量变化残留针入度比10 残留延度单位0.1 m
6、mcmPas%cm检测结果6546.3100192.1-0.01174.181.2试验方法1.2.1橡胶改性沥青制备方法将70#A级沥青加热到170,添加20%的沥青质量的废旧橡胶粉,采用高速剪切仪以1 000 rpm的剪切速度剪切搅拌60 min,并用锡纸封闭容器口,将剪切搅拌好的橡胶改性沥青在170 烘箱中保温30min,制得橡胶改性沥青。选用20%掺量的原因为橡胶改性沥青的橡胶粉掺量为 18%23%时具有较佳的性能。1.2.2试验方法(1)常规性能试验。常规性能试验主要包括针入度、软化点、弹性恢复以及储存稳定性,试验过程参考我国规范 公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20201
7、1)8中的相关要求。(2)按照 动态剪切流变仪测定沥青粘结剂流变特性的标准试验方法(ASTM D717515)9中的要求,开展频率扫描试验,试验温度为 5、15、25、40、60、80,加载频率为0.115 Hz,对每种沥青进行 3次重复的频率扫描测试。使用直径为8 mm和25 mm、间隙为2 mm和1 mm的平行板,其中5 和15 为8 mm的平板、2 mm 的间隙,其余温度为 25 mm 的平板、1 mm的间隙。在试验过程中,将应变设置为0.01%,防止沥青结合料超出线性黏弹性区域。2试验结果及分析2.1常规性能试验结果及分析常规性能试验结果见表 2,试验结果包括针入度、软化点、弹性恢复和
8、180 布式旋转黏度。由表2可知,掺加废橡胶粉后,橡胶改性沥青常规性能中,针入度降低、软化点和弹性恢复率增大,表明废橡胶粉提高了沥青的弹性能力。橡胶颗粒的大小对橡胶改性沥青的影响较大,30目的橡胶改性沥青的各项性能优于50目橡胶改性沥青,例如30目橡胶改性沥青的针入度和软化点分别为29.8 mm和64.5,而50目橡胶改性沥青的针入度和软化点分别为35.1 mm和60.1。橡胶颗粒大小的一个突出的影响表现在25 的弹性恢复和180 布式旋转黏度2个指标上。30目橡胶改性沥青的弹性恢复比50目橡胶改性沥青高 12.5%,前者表现出更大的弹性行为。然而,较细颗粒(50目)废橡胶粉对橡胶改性沥青有利
9、的方面是其黏度较低,较低的黏度有利于工厂泵送和施工,并能降低沥青混合料的出厂温度和压实温度,有利于节约能源消耗和实现环保排放。储存稳定性试验结果见表3。由表3可知:30目橡胶改性沥青的顶部/底部软化点之差为 3.2,而50 目橡胶改性沥青的顶部/底部软化点之差为3.4,表明废旧橡胶粉的颗粒大小对储存稳定性的影响不大。然而,30目橡胶改性沥青的顶部试样具有更高的软化点,这可能是由于30目橡胶改性沥青相比50目橡胶改性沥青具有更高的黏度所致。与50目橡胶改性沥青相比,更高的黏度不利于橡胶颗粒在管中向下迁移。由于橡胶含量高(20%),在烘箱中模拟储存期间,橡胶颗粒比重相较基质沥青更大,因此橡胶颗粒没
10、有足够的空间移动和迁移到管的底部,这解释了为何30目橡胶改性沥青顶部试样具有更高的软化点,而50目橡胶改性沥青底部软化点更高的试验现象。表3储存稳定性试验结果(单位:)检测部位顶部底部存储48 h软化点30目废橡胶粉改性沥青66.162.950目废橡胶粉改性沥青61.164.52.2动态剪切流变性能试验2.2.1频率扫描试验结果及分析5 和 80 的频率扫描试验结果如图 2至图 5所示。由图2至图5可知:试验温度为5 时,70#沥青的储存模量G和损失模量值G都随加载速率先快速检测指标25 针入度软化点弹性恢复180 布式黏度单位0.1 mm%Pas70#沥青6546.30.2930目废橡胶粉改
11、性沥青29.864.580.13.0150目废橡胶粉改性沥青35.160.171.21.91表2常规性能试验结果企业科技与发展,2023年,第6期,总第500期65增加而后线性增加。表明70#沥青的黏弹性对频率有很高的敏感性。与之类似的,橡胶改性沥青也显示出类似的上升趋势,但橡胶改性沥青的模量随频率的增加幅度和速率小于 70#沥青。表明废旧橡胶粉与70#沥青发生了充分的相互作用并对其进行了改性。在80 和低频条件下,未改性的70#沥青表现出一部分熔融状态(如图3所示)。此外,橡胶改性沥青相比70#沥青具有更大的复数剪切模量,而且具有一定的平台区。上述现象表明:废旧橡胶颗粒提升了70#沥青在高温
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