紫外老化模式下橡胶沥青的高温蠕变特性研究

2021-06-12梁文辉

黑龙江交通科技 2021年5期

梁文辉

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030032)

1 引言

汽车工业在飞速发展的同时，每年产生大量的废旧轮胎，废旧轮胎造成了严重的环境问题。而废旧轮胎加工成橡胶粉用于制备橡胶沥青可实现资源再利用和绿色发展的理念。

橡胶沥青用于道路工程不可避免的会经受变化的环境作用，其中温度与紫外耦合引起的老化降低了橡胶沥青的路用性能。为了评价紫外老化对橡胶沥青的劣化作用，道路材料研究人员开展相应的科研工作，Wang等利用傅里叶红外光谱仪、扫描电镜等研究了在光老化前后橡胶沥青流变性能的变化及老化机理，提出使用环氧材料、层状双氢氧化物及维他连接剂作为改性剂可提高橡胶沥青的抗老化性能。Xiang等采用旋转薄膜烘箱模拟热氧老化条件，比较分析了橡胶沥青、SBS改性沥青及橡胶/SBS复合沥青老化前后流变性能变化，并阐述了热氧老化机理。Rasool等制备了SBS橡胶沥青，通过试验揭示了SBS橡胶沥青在热和紫外辐射后流变性能发生较大的变化，从形态学角度阐述了SBS与橡胶粉具有较好的相容性。肖鹏等研究了橡胶沥青紫外光老化后的性能变化，测试了紫外光老化后的橡胶沥青的疲劳因子、蠕变劲度和蠕变速率等性能指标。齐亚妮根据新疆地区的紫外强度，通过换算以室内模拟新疆地区紫外环境研究光氧老化对橡胶改性沥青路用性能的影响。王强等研究了橡胶沥青在紫外线(UV)老化过程中的结构与性能变化。

2 原材料性质及橡胶沥青的制备、老化

2.1 基质沥青

本文所使用的沥青为SK90#基质沥青，其基本性能指标见表1。

表1 SK90#基质沥青的基本性能指标

2.2 橡胶沥青的制备

本文所使用的橡胶粉为废旧子午轮胎经磨细加工制备而成，粒径为50目。首先，将加热后的SK90#基质沥青倒入容器中，称取基质沥青的质量，并控温加热至流体状态，温度控制在180±5 ℃，向加热的基质沥青中均匀倒入称量后的50目橡胶粉(外掺比例为20%)，在掺加橡胶粉的同时，利用搅拌器以500 r/min的速度搅拌至橡胶粉掺加结束。然后，在控制180 ℃的温度下，利用高速剪切机以5 000 r/min的速度剪切45 min，将高速剪切后的橡胶沥青控制温度为180 ℃，利用搅拌器以500 r/min的速度搅拌，发育60 min，即制备了橡胶沥青。

2.3 橡胶沥青的紫外老化

本文利用耐黄变试验机通过控制老化温度和老化时间对制备的橡胶沥青进行紫外老化，为了保证老化的均匀性，把180 ℃的橡胶沥青倒入老化盘中，并开启耐黄变试验机中的转盘，转速设定为5 r/min。鉴于我国道路所经受的高温范围基本在40～60 ℃，与橡胶沥青路面所处的高温范围一致，并且高温引起橡胶沥青的老化，因此选择高温范围两端的温度作为老化温度，即40 ℃和60 ℃。此外，环境中的紫外线照射引起橡胶沥青的老化，特别是对于新疆、青海等紫外线强度较高的地区，紫外老化作用更为突出。老化温度和老化时间的组合分别为老化温度40℃的老化时间为6 h, 老化温度60℃的老化时间为6 h。多组合紫外老化的橡胶沥青制样，以便利用动态剪切流变仪进行多应力蠕变恢复试验。

3 紫外老化橡胶沥青的高温蠕变特性

为了比较分析不同紫外老化组合条件下橡胶沥青蠕变性能的变化，本文利用动态剪切流变仪进行多应力蠕变恢复试验，测试温度为60 ℃，施加的应力水平分别为0.1 kPa和3.2 kPa，每个应力水平进行10个周期，每个周期10 s，分为1 s的蠕变阶段和9 s的卸载恢复阶段，最终的评价指标为变形恢复率R和不可恢复柔量Jnr。0.1 kPa和3.2 kPa的剪切应变测试结果见图1和图2。

图1 0.1 kPa的蠕变恢复

图2 3.2 kPa的蠕变恢复

由图1和图2可以看出，0.1 kPa和3.2 kPa两种应力水平下，紫外老化温度60℃的老化时间为6 h橡胶沥青其剪切应变大于紫外老化温度40℃的老化时间为6 h橡胶沥青的剪切应变，并且剪切应变均随加载时间的延长而增大。此外，0.1 kPa时两种紫外老化对应的剪切应变相差不大，而3.2 kPa时两种紫外老化对应的剪切应变差异增大，特别是在加载后期。恢复率R和不可恢复柔量Jnr的计算结果见表2。

表2 恢复率和不可恢复柔量计算结果

表2中的结果显示，两种应力水平下，紫外老化温度40℃的老化时间为6 h橡胶沥青的恢复率均大于紫外老化温度60℃的老化时间为6 h，但0.1 kPa应力水平的恢复率相差不大，而不可恢复柔量的变化规律则相反，说明紫外老化温度60℃的老化时间为6 h橡胶沥青的弹性减小，变形恢复减弱，降低了高温路用性能。此外，3.2 kPa的恢复率明显小于0.1 kPa的恢复率，而3.2 kPa的不可恢复柔量均大于0.1 kPa的不可恢复柔量，说明高应力水平更容易引起永久变形，降低路用性能。