胶粉颗粒分散溶胀工艺对沥青混合料的性能影响研究

张 莉，魏海伟，宗 海

（1.江苏省建筑工程质量检测中心有限公司，江苏 南京 210096；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；3.南京长江第四大桥有限责任公司，江苏 南京 210033）

胶粉颗粒分散溶胀工艺对沥青混合料的性能影响研究

张 莉1，魏海伟2，宗 海3

（1.江苏省建筑工程质量检测中心有限公司，江苏 南京 210096；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；3.南京长江第四大桥有限责任公司，江苏 南京 210033）

根据胶粉沥青形成机理，通过搅拌、剪切、胶体磨3种制备工艺、0.5 h、2 h、5 h、10 h 4种溶胀时间，制备7种胶粉沥青，进行针入度、软化点、延度、黏度测试，分析胶粉颗粒分散与溶胀情况对沥青性能的影响，试验结果表明分散颗粒细微、分散均匀、溶胀充分所获得的沥青性能最优。

胶粉沥青；分散；溶胀；性能

近年来，国内汽车保有量与日俱增，道路交通发展迅速，道路桥梁建设工程技术要求不断提高。大量观测试验路段结果表明，试验路段早期破坏严重，表现为车辙、剥落、拥包、推移等病害；更有研究表明，引起破坏的原因集中于结构、材料、施工这几个方面，其中材料是最重要的因素［1］。

目前，路面铺装材料主要有普通AH-70沥青、SBS改性沥青、胶粉沥青、环氧沥青。从性能上而言，环氧沥青最优，其次分别是胶粉沥青、SBS改性沥青、普通AH-70沥青；从经济性而言，胶粉沥青的价格便宜并且将橡胶变废为宝，SBS改性沥青较贵；从粘结性能而言，胶粉沥青属于高黏沥青，粘结性能优于SBS改性沥青和普通AH-70沥青，不易产生水损、剥落。然而，胶粉沥青的应用并不广泛，主要原因是制备技术不成熟，胶粉分散和溶胀工艺的不同对胶粉沥青性能影响较大。本文通过胶粉颗粒在沥青中不同分散方式与溶胀时间分析其性能变化规律［2-3］。

1 制备工艺

胶粉沥青的性能主要取决于胶粉在沥青中分散情况与胶粉吸收沥青中轻质组分溶胀情况。

1.1 分散工艺

胶粉沥青及其混合料起源于20世纪40年代，最初方案为直接将胶粉颗粒加入混合料中，制备工艺简单，胶粉的粒径较大并不能起到改性的效果，且胶粉用量仅为2%；之后研发了早期湿法，主要通过机械搅拌将沥青与胶粉搅拌制成含有胶粉颗粒的沥青，此工艺采用的胶粉颗粒稍小，溶于沥青中，但胶粉还是以颗粒的形式存在于混合料之中，混合料选用的级配必须是断级配材料，使其存在缺陷。因此，后期湿法开始被大力发展。各制备工艺分散仪器如图1所示。

后期湿法是将胶粉掺入沥青之中，然后通过剪切作用，适当地减少胶粉颗粒，试图将胶粉与沥青两个分散体合二为一。后期湿法制备的胶粉沥青中胶粉颗粒被分散得较小，与沥青发生溶胀作用更为显著。研究表明，经过后期湿法制备的胶粉沥青进一步增大了沥青的黏度，有助于高温稳定性的提高；另一方面，由于胶粉被剪切分散，溶于沥青的胶粉量增加到了15%左右，进一步提高了胶粉沥青的经济性［4］。

图1　 胶粉沥青各制备工艺分散仪器

1.2 溶胀工艺

沥青和胶粉均为非极性高分子物质，惰性较强，相互接触不会发生直接的化学变化，其混合反应过程非常复杂。胶粉在沥青中结构发生变化，橡胶分子与沥青分子相互作用在一起，使沥青胶体结构由胶质包裹沥青质形成的胶体转变为胶粉颗粒为中心形成的胶体，从而改善了沥青的性能［5-6］。

胶粉溶胀程度与其性能密切相关，当胶粉颗粒吸收沥青中轻质组分溶胀充分后，胶粉颗粒的铰链得以打开，与沥青融合成一个整体，增加了沥青的高温稳定性与低温抗裂性。影响溶胀的主要因素包括溶胀时间、溶胀温度、溶胀压强等。本文从时间与压强的影响下，分析了溶胀对性能的影响。

2 试验材料与试验方案

2.1 试验材料

（1）沥青

沥青选用AH-70普通沥青，其技术指标如表1所示。

表1　 AH-70沥青技术性能试验结果

（2）胶粉

胶粉颗粒为安徽生产，其大小包括20目、40目、60目、80目。经过文献研究与室内试验测试，表明60目胶粉颗粒可取得较理想的效果。本文选取60目胶粉进行室内研究。

2.2 试验方案

2.2.1 胶粉沥青制备

为分析溶胀与分散两种工艺对胶粉沥青各指标的影响，选用控制变量法，测试在不同工艺下，胶粉沥青溶胀不同时间后各性能指标变化规律。其中胶粉掺量为20%，并加入添加剂0.5%，试验方案如表2所示。

表2　 胶粉沥青制备方案

2.2.2 胶粉沥青指标测试

分别考虑不同分散工艺、溶胀时间，室内自制了7种不同制备工艺所产生的胶粉沥青。按照《公路沥青及其混合料试验规程》要求，进行胶粉沥青的三大指标（包括针入度、软化点、延度）及黏度测试，分析胶粉不同分散情况与溶胀情况对沥青性能的影响。

3 试验结果分析

3.1 分散工艺对沥青性能影响

分别采用机械搅拌、高速剪切、胶体磨3种分散工艺在溶胀30 m in后，制得1#、5#、7# 3种沥青，进行针入度、软化点、延度、黏度试验。试验结果如表3所示。

表3　 不同分散工艺制得3种沥青各性能试验数据

由表4可知，采用不同分散工艺，相同分散时间制得的3种胶粉沥青性能表现出不同的发展规律。其中，针入度与机制沥青相比均有降低，1#针入度降低了21.0%，5#降低了14.5%，7#降低了11.3%，另外由针入度测试平行数据可知，7#的离散性最小，5#其次，1#离散较大。由此可知，胶体磨的分散效果最均匀，且存在于沥青中的颗粒形式最细微。软化点试验结果与基质沥青相比均有提高，1#提高了19.8%，5#提高了15.4%，7#提高了5.8%，主要原因是胶粉的加入吸收了沥青中的轻质组分增加了沥青的黏度，分散后胶粉存在颗粒越大，其吸收能力越差，其吸收的轻质组分供溶胀使用，与沥青不存在交换，以单独颗粒形式存在于沥青中；颗粒越小，胶粉的吸收能力越大，其溶胀更充分，与沥青融合为一体，与沥青可形成介质交换，其吸收的轻质组分绝大部分仍存在于沥青中。因此，胶体磨分散效果最佳，其软化点提高较少，与其它两种相比，提高程度相差了10%以上，胶体磨的分散效果有质的差别。延度试验结果表明1#较基质沥青低，3#和7#较基质沥青高，主要是胶粉颗粒的掺入破坏了沥青原铰链，经分散后，以微颗粒的形式存在，由于胶粉的高弹性，增加了沥青低温性能各性能指标如图2 5所8示。

图2　　分散工艺对沥青各指标影响

3.2 溶胀工艺对沥青性能影响

采用机械搅拌工艺分别溶胀0.5 h、2 h、5 h、10 h制得1#、2#、3#、4# 4种沥青，进行针入度、软化点、延度、黏度试验。试验结果如表4所示。

表4　 不同溶胀时间制得4种沥青各性能试验数据

由表4可知，随着溶胀时间的增加，制得的4种胶粉沥青各性能表现出不同的较有规律的发展变化。针入度随着溶胀时间的增加而提高；软化点随着溶胀时间的增加而降低；延度随着溶胀时间的增加而增大；黏度随着溶胀时间的增加而减小。主要原因是胶粉在高温下发生溶胀反应，不断吸收沥青中的轻质组分，打开胶粉的铰链，发挥其高弹特性，增加沥青性能。各性能变化规律如图3和图4所示。

图3　 针入度与软化点变化规律图

图4　 延度与黏度变化规律图

由图3和图4可知，针入度随溶胀时间的增加增长趋势先快后缓，对试验结果进行拟合，发现与对数曲线存在较好的相关性，拟合方程为：P=2.306 9lnt+ 50.594，主要原因是胶粉颗粒未剪切分散，比表面积较大，溶胀缓慢，开始阶段以单独颗粒形式存在沥青中，且由于未溶胀呈现出硬质材料特性，针入度变大；溶胀时间增长后，胶粉铰链打开，与沥青成为一个混合体，针入度有所下降。软化点随时间增加先降低迅速后降低缓慢，对测试点拟合，得到相关方程：SP=-0.584lnt+57.121。延度随着溶胀时间增加增长趋势先大后小，基本满足方程：D=5.062 9lnt+90.548，由方程可知，当胶粉掺入后，胶粉沥青的低温性能并不理想，较基质沥青低，主要是由于胶粉颗粒未溶胀，胶粉的高弹特性未得到发挥。结果表明，当采用机械搅拌6.5 h后，延度才满足基质沥青的要求，并在之后有所增长。黏度一开始降低，溶胀时间5 h后，基本保持不变。

为进一步研究溶胀对胶粉沥青各性能指标的影响，分析在较细颗粒下溶胀对沥青性能影响，实测5# 和6#数据如表5所示。

表5　 高速剪切下不同溶胀时间沥青各性能试验数据

由表6可知，高速剪切下，随溶胀时间的增长沥青各性能表现出与机械搅拌相似的规律。且由5#、6#和1#、2#比较发现，经剪切后，随着溶胀时间的增加各性能增加的幅度明显减低，由此可知，短时间的剪切分散所达到的效果更佳，同时也由于颗粒较细与高度动态效应下，加快了胶粉的溶胀。6#与7#比较更说明了，胶体磨剪切的巨大优势，在短时间内，实现了胶粉颗粒的分散与溶胀，各性能均优异。

4 结论

为研究胶粉颗粒在沥青中分散溶胀工艺对其性能的影响，分析不同剪切工艺与溶胀时间对性能的影响，通过室内试验获得以下结论：

（1）在适当的工艺条件下制得的胶粉沥青，各性能均较基质沥青提高，既增加了沥青的高温稳定性、又增强了沥青的低温抗裂性能，是一种性能良好、环保经济的改性沥青。

（2）试验结果表明，胶粉以微颗粒存在于沥青中时，制得的胶粉沥青有较优异的性能。微颗粒胶粉分散于沥青中可形成均匀稳定的体相，且微颗粒发生溶胀的时间较短，溶胀充分。

（3）分析表明，分散工艺对沥青的性能影响较为显著，而溶胀是否充分却是沥青性能变化的关键。在胶体磨剪切下，一方面磨细了胶粉颗粒，另一方面增加了胶粉与沥青的介质交换，均有助于溶胀的完成，可取得最优异的胶粉沥青。

［1］魏道新.半刚性基层沥青路面损坏模式与结构优化研究［D］.西安：长安大学，2010.

［2］马献忠.橡胶粉改性沥青的工艺研［J］.同济大学学报，2007 （6）：21-22.

［3］杨志峰，李美江，王旭东.废旧橡胶粉在道路工程中应用的历史和现状［J］.公路交通科技，2005，22（7）：19-22.

［4］Takallou H.B.，Takallou M. B. Effects of mixing time and temperature on the visco-elastic properties of asphalt rubber binder［C］∥Proceedings of the Asphalt Rubber 2003 Conference，2003.

［5］李廷刚.橡胶沥青微观机理研究及其公路工程应用［J］.公路交通科技，2010（1）：25-30.

［6］王真真.废旧橡胶粉改性沥青混合机理及实验研究［D］. 青岛：青岛科技大学，2012.

Study on Influence of Dispersion and Swelling Technology of Rubber Powder Granule on Asphalt Mixture Performance

Zhang Li1, Wei Haiwei2, Zong Hai3
（1. Jiangsu Testing Center for Quality of Construction Engineering Co., Ltd., Nanjing 210096, China; 2. CCCC Highway Consultants Co., Ltd, Beijing 100088, China; 3.Nanjing Yangtze River Fourth Bridge Co., Ltd, Nanjing 210033, China）

Based on the formation mechanism of crumb rubber asphalt, seven kinds of crumb rubber asphalts were made by three preparation process of stirring, shearing and colloid mill with four swelling time for 0.5 hours, 2 hours, 5 hours and 10 hours. Tests for penetration, softening point, ductility and viscosity were conducted to analyze effects of swelling and dispersion situation on the asphalt performance. The results showed that the crumb rubber asphalt had good performance when powder particles were small , well dispersed and swelling fully.

crumb rubber asphalt; dispersion; swelling; performance

U414

A

1672-9889（2016）04-0008-03

张莉（1981-），女，江苏扬州人，工程师，主要从事建筑结构、市政工程检测鉴定工作。

2015-09-24）