粉胶比对橡胶沥青胶浆高温性能的影响研究

韦 达，王 晨（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）



粉胶比对橡胶沥青胶浆高温性能的影响研究

韦 达，王 晨
（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017）

填料是影响橡胶沥青胶浆及混合料的重要影响因素，为了研究不同粉胶比对橡胶沥青胶浆高温性能的影响，文章选择石灰岩矿粉作为填料，粉胶比掺量为0.2、0.4、0.6、0.8，胶浆高温性能的评价指标选择破坏温度和零剪切黏度（ZSV），通过DSR试验对不同胶浆进行研究。试验结果表明：随着粉胶比的增加，橡胶沥青胶浆的破坏温度和ZSV值均逐渐变大，而且增大幅度较大，橡胶沥青胶浆的高温性能得到明显的改善；利用环境扫描电镜对胶浆进行扫描，从微观上分析了橡胶沥青胶浆高温性能的改善机理。

粉胶比；橡胶沥青胶浆；高温性能；动态剪切流变仪

沥青混合料的高温稳定性不但取决于矿料骨架，而且取决于沥青结合料阻碍沥青混合料发生剪切变形的牵制作用。通常情况下，沥青结合料对混合料的抗车辙能力贡献达到40%［1］，尤其对于密实型的密级配沥青混凝土，粗集料呈悬浮结构状态，相互嵌挤作用相当有限，沥青结合料的高温劲度具有更为重要的作用。因此，矿物填料与沥青组成的胶浆高温流变性能就成为决定沥青混合料高温性能的重要因素。

国外使用经验表明，废旧轮胎粉制成的橡胶沥青混合料应用于路面，可以有效改善路面的使用状况，提高路面平整度，延长路面寿命，降低噪音，增加路面的美观度。但橡胶沥青在应用过程中也逐渐出现了高温性能改善不明显、水损害等问题，有的路面甚至出现了车辙［2］。按照胶浆理论，沥青胶浆是决定沥青混合料各项路用性能的主要构成因素［3］，填料是影响橡胶沥青胶浆及混合料的重要影响因素，本文将研究矿粉掺量对橡胶沥青胶浆高温性能的影响。

1　原材料

1.1道路石油沥青

采用韩国双龙70#道路石油沥青，根据规范及SHRP试验方法，对其进行性能检测，试验结果如表1所示。

表1　70#道路石油沥青的性能检测结果

1.2橡胶粉

采用的废胶粉是江苏常州生产的货车轮胎胶粉（20目），以废旧轮胎为原材料，在常温下经过粉碎、分离、除金属、筛选等活化和脱硫等一系列工序处理制成的黑色粉末状物质［4］。

1.3填料

采用的矿粉为实际工程中使用的石灰岩矿粉。按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）相关试验的要求进行试验，其基本技术性能测定结果如表2所示。

表2　矿粉的基本技术性能测定结果

所用矿粉外观无团粒结块，制备胶浆的矿粉都是过0.075 mm筛以下的矿粉。

1.4橡胶沥青胶浆的制备

选取外掺18%的橡胶粉作为改性剂，将20目的橡胶粉分3次缓慢加入到70#道路石油沥青中制备橡胶沥青，其中搅拌温度控制在（175±5）℃，搅拌速率控制在1 000转/min，拌制时间约为45 min［5］。在制备好的橡胶沥青中人工加入矿粉，采用人工搅拌，不断搅拌到橡胶沥青胶浆混合料均匀即可［6］。由于不同矿粉掺量对橡胶沥青胶浆高温性能影响不同，本文分别选择0.2、0.4、0.6、0.8矿粉粉胶比（矿粉质量/橡胶沥青质量）的橡胶沥青胶浆。

2　试验方法

2.1破坏温度

SHRP中提出采用动态剪切流变仪（DSR）测定沥青胶结料的复数模量（G*）和相位角（δ）来评价沥青胶结料的粘弹特性。对于沥青路面而言，希望沥青路面在温度较高时具有足够的弹性，以便于路面恢复变形，因而G*越大、δ越小越好。因此，Superpave中规定原样沥青车辙因子至少为1.0 kPa［7］。而矿粉作为橡胶沥青胶浆的组分之一，对胶浆的车辙因子有必然的影响。因此定义当未老化的沥青胶浆G*/ （sinδ）=1.0 kPa时的温度为破坏温度［8-9］。因为G*/ （sinδ）越大越好［10-12］，所以破坏温度越大越好。通过频率扫描试验得到10 rad/s时的车辙因子。

2.2零剪切黏度

零剪切黏度是指在某一温度下直接测得或推算得到剪切速率达到或接近0时的黏度，用来表征材料黏度特性，是材料本身固有的属性，所以又称为绝对黏度。高温下车辙变形是一个缓慢的过程，因此用零剪切黏度来评价橡胶沥青胶浆的高温性能比较合理。得到零剪切黏度的方法有很多［13］，本文采用C.Desmazes［14］等人提出的蠕变恢复试验法得到橡胶沥青胶浆的零剪切黏度。张肖宁［15］等人研究发现只有剪应力不超过牛顿流体范围，胶结料才能达到稳定的粘流状态。C.Desmazes等人发现只有蠕变应力不高于30 Pa时，沥青才能获得足够低的剪切速率进入牛顿流体区域。因此，试验采用25 Pa的应力，60 ℃的温度，蠕变1 000 s，恢复1 h。

2.3环境扫描试验（ESEM）

ESEM是环境扫描电子显微镜（Environmental Scanning Electron Microscope）的英文缩写。在它物镜的下极靴处装有一压差光阑，使得在保证电子枪区高真空的同时，允许样品室内有气体流动，最高达50 Torr。它能在高真空HV、低真空LV和环境这3种工作方式下工作，除具备传统SEM的功能外，还可在很低真空（1～20 Torr）相当于环境的方式下直接观察新鲜的生物样品。

目前对于评价沥青高温性能的方法已经比较成熟，但是对于评价沥青胶浆高温性能的方法尚不明确。本文采用破坏温度、零剪切粘度对掺加矿粉（粉胶比为0、0.2、0.4、0.6、0.8）的橡胶沥青胶浆进行高温流变性评价及分析。其中，两种评价方法的试验数据均是通过美国TA-AR1500EX型动态剪切流变仪DSR得到的，25 mm平行板间距均取3.5 mm。

3　试验结果分析

3.1破坏温度试验结果与分析

通过对不同橡胶沥青胶浆进行不同温度下的频率扫描试验（40～80 ℃，步长为10 ℃），确定不同温度下10 rad/s时的车辙因子。然后建立车辙因子对数log（G*/（sinδ））与温度T的半对数关系曲线图，对得到的曲线进行回归分析，如图1所示。

根据拟合的回归直线，得到不同橡胶沥青胶浆在G*/（sinδ）=1.0 kPa时的破坏温度（如表3所示）。据破坏温度评价不同橡胶沥青胶浆的高温性能。

表3　不同矿粉橡胶沥青胶浆的破坏温度 ℃

从表3可以看出，不同橡胶沥青胶浆的车辙因子与温度的半对数曲线相关性很高，均大于0.99，添加矿粉制备的橡胶沥青胶浆随着粉胶比的增加，破坏温度逐渐增大，表明橡胶沥青胶浆的高温性能逐渐得到改善。尤其是粉胶比为0.8时的破坏温度比橡胶沥青的破坏温度增加了20.1%。

3.2零剪切黏度试验结果与分析

通过对不同橡胶沥青胶浆进行蠕变及蠕变恢复试验，其中，柔量与时间的关系如图2所示。

图2　不同矿粉粉胶比下橡胶沥青胶浆的蠕变及蠕变恢复试验结果

表4　不同矿粉橡胶沥青胶浆在蠕变恢复阶段的ZSV Pa·s

从图2和表4可以看出，随着粉胶比的增加，橡胶沥青胶浆在蠕变恢复阶段的ZSV逐渐变大。当粉胶比为0.8时的ZSV值约是粉胶比为0.25时的10倍，说明随着粉胶比的增加，橡胶沥青胶浆的高温性能明显提高。

3.3环境扫描试验（ESEM）试验结果与分析

对不同橡胶沥青胶浆进行环境扫描试验（ESEM），扫描照片如图3所示。

图3　不同矿粉粉胶比下橡胶沥青胶浆的ESEM图（左为0.4，右为0.8）

从图3可以看出，添加矿粉的橡胶沥青胶浆光滑、细腻，矿粉被橡胶沥青裹覆均匀，这正是因为矿粉与沥青会发生体积增强作用和物化反应。而随着粉胶比的增加，沥青与矿粉生成的“结构沥青”数量增多，形成的相体结构更加稳定，粘附作用更强，从而使橡胶沥青胶浆的高温性能更好。

4　结论

通过破坏温度和零剪切黏度2个指标对不同橡胶沥青胶浆的高温性能进行评价，得到以下结论：

（1）随着矿粉粉胶比的增加，橡胶沥青胶浆的破坏温度和蠕变恢复阶段的零剪切黏度均逐渐变大，而且增加的幅度比较大，橡胶沥青胶浆的高温性能得到明显的改善。

（2）由ESEM图可以看出，添加矿粉的橡胶沥青胶浆光滑、细腻，矿粉被橡胶沥青裹覆均匀，这正是因为矿粉与沥青会发生体积增强作用和物化反应。而随着粉胶比的增加，沥青与矿粉生成的“结构沥青”数量增多，形成的相体结构更加稳定，粘附作用更强，从而使橡胶沥青胶浆的高温性能更好。

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Study on Influence of Filler-asphalt Ratio on High Temperature Performance of Crumb Rubber Modified Asphalt Mortars

Wei Da， Wang Chen
（JSTI Group， Nanjing 210017， China）

Filler was an important factor which influenced the crumb rubber modified asphalt mortar and its mixture. In order to study different filler-asphalt ratios' effect on high temperature performances of mortar， this paper chose limestone as the filler，and filler-asphalt ratio was 0.2，0.4，0.6，and 0.8. Fail temperature and ZSV were selected as mortar high temperature performance evaluation index through DSR test. The test results showed that with the increase of filler-asphalt ratio， fail temperature and ZSV value of the mortar increased gradually， and the amplitude was larger. High temperature performance of the mortar were improved obviously. It analyzed the improvement of mortar from the microcosmic mechanism， by using environmental scanning electron microscopy to scan those mortars.

filler-asphalt ratio； crumb rubber modified asphalt mortar； high temperature performance； dynamic shear rheometer

U414

A

1672-9889（2016）02-0015-04

韦达（1978-），男，江苏江都人，工程师，主要从事项目前期和规划工作。

（2015-09-28）