发育时间对橡胶沥青性能的影响

冯业龙，李秋飞，张玉贞，李桂钊，丁其宇

(1.中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室，山东 青岛266580；2.江苏天诺道路材料科技有限公司)

发育时间对橡胶沥青性能的影响

冯业龙1，李秋飞2，张玉贞1，李桂钊1，丁其宇1

(1.中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室，山东 青岛266580；2.江苏天诺道路材料科技有限公司)

制备了不同发育时间的胶粉改性沥青样品，并通过动态剪切流变仪(DSR)和弯曲梁流变仪(BBR)等对其进行分析。用得到的高温指标(黏度、软化点、车辙因子等)和低温指标(延度、蠕变劲度)分析发育时间对胶粉改性沥青性能的影响。结果表明：胶粉改性沥青样品的高温性能和低温性能均较好；随发育时间的增加，胶粉和沥青的相容性变好，热储存稳定性变好，但温度敏感性变大，说明高温性能和低温性能有所下降。

改性沥青 发育时间 流变性 废胶粉 相容性

橡胶沥青的生产和应用具有一系列的优点，它不仅有利于废旧轮胎的回收利用，减少废胎对环境的危害，而且橡胶沥青具有优良的高低温性能、抗老化性能和抗疲劳性能，能够有效地延长路面使用寿命，降低路面灾害的发生[1-3]。胶粉改性沥青的制备过程大致可以分为溶胀、分散和发育3个阶段，发育时间对于改性沥青的生产至关重要。随发育时间延长，胶粉颗粒会发生溶胀和降解反应[4-5]，同时，沥青也会发生老化反应。因此，发育时间不同，橡胶沥青体系中胶粉的分散状态以及沥青的老化程度不同，进而得到的橡胶沥青的性质也不同。

结合常规指标，本研究着重使用动态力学分析方法，从流变性角度出发分析发育时间对改性沥青高温性能、低温性能、温度敏感性和储存稳定性的影响，并通过对比胶粉颗粒微观状态的变化，考察发育时间对胶粉和沥青相容性的影响。

1 实 验

1.1 原 料

基质沥青采用中海沥青(泰州)有限责任公司(简称中海泰州)90号重交通道路沥青，其基本性质见表1。胶粉采用30目橡胶粉，其基本性质见表2。

1.2 制备工艺

将基质沥青加热并搅拌，当温度升至190 ℃时，加入质量分数17%的胶粉，继续升温，并恒温在200 ℃。快速搅拌30 min，使胶粉颗粒充分溶胀；切换至剪切模式，调节剪切转速为5 000 rmin，剪切时间30 min，使胶粉颗粒在沥青中分散均匀；剪切结束后，切换至搅拌模式，并开始计时，此时发育时间记为0；当发育时间分别达到3，6，9，12 h时取样，并对相关指标进行检测。

表1 中海泰州90号重交通道路沥青基本性质

表2 30目胶粉基本性质

1.3 性能评价

采用布氏旋转黏度仪对胶粉改性沥青样品进行黏度分析。采用美国TA公司生产的动态剪切流变仪(DSR)对胶粉改性沥青样品进行流变分析，由于本研究使用的是30目胶粉，粒径较大，若仍选择1 mm平行板间距，颗粒本身会对分析结果产生较大影响，不能反映橡胶沥青的真实特性。因此，首先对发育时间为3 h时的样品分别使用1.0，1.5，2.0 mm 3种间距重复测定，结果表明，间距为1.5 mm时，分析结果平行性最好，故选择1.5 mm的平行板间距。采用美国TA公司生产的弯曲梁流变仪(BBR)对胶粉改性沥青样品进行低温性能测试。采用日本Olympus公司生产的荧光显微镜对胶粉改性沥青的微观状态进行分析。

2 结果与讨论

2.1 发育时间对高温性能的影响

2.1.1 发育时间对黏度的影响 加入沥青中的胶粉首先会吸收轻组分发生溶胀，使体系黏度急剧增大。但随发育时间的延长，胶粉颗粒会发生脱硫降解反应[6]，颗粒逐渐变小且分布疏松。由于开始取样时制备时间已较长，故本研究中改性沥青样品均处于降解及以后的阶段，没有出现黏度增大的现象。为了反映沥青介质的老化情况，增加了基质沥青老化的空白实验，取样时间点与胶粉改性沥青取样点相同。对所得样品进行黏度分析，结果见图1。由图1可见：随发育时间的延长，基质沥青的黏度逐渐增大，说明在胶粉发育过程中，基质沥青一直在老化；而胶粉改性沥青的黏度则表现出先降低后升高的变化趋势。其原因可能是：当发育时间不足9 h时，橡胶沥青体系中以胶粉颗粒的降解反应为主，胶粉颗粒不断变小，导致体系黏度降低；当发育时间过长时，基质沥青的老化反应严重，又使体系黏度升高。

图1 黏度随发育时间的变化

2.1.2 发育时间对软化点的影响 图2为胶粉改性沥青软化点随发育时间的变化。由图2可见，软化点的变化规律与黏度的变化规律相同，随发育时间的延长，软化点先降低后升高。结合2.1.1可知，胶粉的降解导致软化点降低，沥青的老化又使其升高，但升高幅度较小。说明延长发育时间后，胶粉改性沥青的高温性能有所下降。

图2 软化点随发育时间的变化

2.1.3 发育时间对车辙因子G*/sinδ的影响 车辙因子表示沥青材料的抗永久变形能力，车辙因子越大，表明沥青的流动变形能力越小，越有利于抵抗车辙变形的产生[7-9]。试验中采用25 mm直径平行板，1.5 mm厚平行板间距，保持应变为10%，角速度为10 r/s，对胶粉改性沥青样品进行温度扫描，结果见图3。由图3可见：当发育时间一定时，随温度升高，车辙因子逐渐降低；当温度一定时，随发育时间的延长，车辙因子先降低后升高，如在82 ℃时，3，6，12 h取样样品的车辙因子均大于1 kPa，而9 h样品的车辙因子略小于1 kPa，说明发育前期橡胶沥青的高温抗车辙性能较好。分析12 h样品的车辙因子大于1 kPa的原因，同样是由于沥青老化所致，老化后沥青变硬，使得高温抗车辙性能有一定的回升。

图3 不同温度下车辙因子随发育时间的变化

2.2 发育时间对低温性能的影响

2.2.1 发育时间对延度的影响 图4为胶粉改性沥青延度随发育时间的变化。由图4可见，随发育时间的延长，延度逐渐降低。结合2.1.1可知，胶粉改性沥青发育过程中，基质沥青不断老化，导致延度降低。说明延长发育时间会使改性沥青的低温性能有所下降。

图4 延度随发育时间的变化

2.2.2 发育时间对蠕变劲度的影响 沥青的低温性能通常可以由蠕变劲度S和蠕变速率m表示。其中S表示沥青样品在低温下的劲度，其值越小表示低温下所受应力越小，越不易断裂；m表示沥青样品释放应力的速率，其值越大表示释放越快，抗低温开裂性能越好[10]。SHRP规范要求，60 s时的S≤300 MPa，m≥0.3。对不同发育时间的胶粉改性沥青样品进行老化，测定老化前后S和m的变化，结果见表3。由表3可见，老化前后沥青样品在-18 ℃时均符合SHRP规范要求，说明胶粉改性沥青低温性能较好。

表3 老化前后的低温性能

图5为老化前后样品的-18 ℃与-24℃时S的差值，图6为在-18 ℃与-24℃下测得的样品老化前后的S的差值。由图5可见，随发育时间的延长，-18 ℃与-24℃时的S的差值逐渐变大，说明随发育时间延长，改性沥青样品抵抗低温的能力减弱，对温度的敏感性增强。由图6可见，在同一温度下，老化前后S的差值随发育时间的延长也逐渐变大，说明延长发育时间后，胶粉改性沥青样品的抗老化能力减弱。

图5 -18 ℃与-24℃时S的差值随发育时间的变化

图6 老化前后样品S的差值随发育时间的变化

2.3 发育时间对温度敏感性的影响

将胶粉改性沥青样品的流变参数与实验温度采用公式lgG=AlgT+C进行回归分析，式中：G分别代表G′，G″，G*/sinδ；G′为弹性分量；G″为黏性分量；T为温度；A为lgG对lgT回归直线的斜率，可以用来评价沥青的温度敏感性，A的绝对值越大，表示沥青在该温度范围内对温度越敏感；C为常数[11-12]。图7为胶粉改性沥青线性回归后斜率A值随发育时间的变化。

由图7可见：当发育时间一定时，A的绝对值由大到小的顺序为：G′>G*/sinδ>G″，说明弹性分量对温度最敏感，而黏性分量最不敏感；无论对弹性分量G′、黏性分量G″还是车辙因子G*/sinδ，随发育时间的延长，A的绝对值均逐渐增大。说明随发育时间的延长，胶粉改性沥青样品的温度敏感性增强。

图7 斜率A值随发育时间的变化

2.4 发育时间对相容性的影响

通过荧光显微镜能够清晰地观察到胶粉改性沥青的微观状态，胶粉呈棒状或条状结构均匀分散在沥青中[13-14]。图8为胶粉改性沥青的微观状态随发育时间的变化。由图8可见，随发育时间的延长，胶粉颗粒在沥青中发生降解反应，颗粒逐渐变小，且分散状态由紧密变为疏松，说明胶粉和沥青的相容性越来越好。但发育时间为9 h和12 h的胶粉改性沥青微观状态差别不大，因为发育时间9 h的样品黏度最低，可认为胶粉颗粒降解完全，此后发育过程中，胶粉颗粒状态基本不变。

图8 胶粉改性沥青的微观状态随发育时间的变化

2.5 发育时间对储存稳定性的影响

图9为离析软化点差值随发育时间的变化。由图9可见，随发育时间的延长，胶粉改性沥青样品的离析软化点差值先减小后增加。结合2.4节结果可知，延长发育时间后，胶粉和沥青的相容性变好，进而提高了胶粉改性沥青的热储存稳定性。

图9 离析软化点差值随发育时间的变化

3 结 论

(1) 胶粉改性沥青的高温性能和低温性能均较好。但延长发育时间后，高温性能和低温性能均有所下降，且在发育过程中一直伴随着基质沥青的老化。

(2) 随发育时间延长，胶粉改性沥青的温度敏感性变大，但相容性变好，热储存稳定性变好。

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INFLUENCE OF SWELLING TIME ON PROPERTIES OF RUBBER POWDER MODIFIED ASPHALT

Feng Yelong1，Li Qiufei2，Zhang Yuzhen1，Li Guizhao1，Ding Qiyu1

(1.ChinaUniversityofPetroleum(EastChina)，Qingdao，Shandong266580；2.JiangsuTiannuoRoadMaterialsTechnologyCompanyLimited)

A series of crumb rubber modified asphalt samples was prepared with different swelling times and analyzed by dynamic shear rheomter and bending beam rheometer.The influence of swelling time on properties of crumb rubber modified asphalt though analysis of high temperature parameters (viscosity，soft point，rutting factor) and low temperature parameters (ductility，creep stiffness).The results show that the properties of the modified asphalt were improved both at high and low temperature by adding rubber power into base asphalt，the compatibility and storage stability is better.However，the temperature sensitivity goes up as extending the swelling time，indicating slightly decrease of properties both at high and low temperature.

modified asphalt； swelling time； rheological property； rubber power； compatibility

2016-08-29； 修改稿收到日期： 2016-10-26。

冯业龙，硕士研究生，研究方向为橡胶沥青。

张玉贞，E-mail：fylupc@163.com。