TOR连接剂及胶粉含量对橡胶沥青性能的影响

穆建青

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

废胶粉作为废旧橡胶制品的主要产物，随着国内橡胶用量的增加，大量废橡胶积压难以有效利用，造成了资源浪费和环境污染[1-3]。橡胶沥青是将废胶粉在高温下与基质沥青溶胀并发生相应的交联反应制得的改性沥青[4]。相比于其他改性沥青，胶粉掺量大、橡胶沥青力学性能突出，橡胶沥青混合料路面行车舒适性良好，且抗滑降噪效果明显[5-6]。因此，研究不同改性剂对橡胶沥青性能的影响对橡胶沥青的应用推广有着重要的意义。

目前，改性橡胶沥青常用的改性剂主要以单一胶粉为主，也有部分研究人员研究过连接剂对橡胶沥青性能的影响[7]。但目前没有见到全面系统的研究连接剂对橡胶沥青性能的影响及宏观性能变化与微观化学键方面的关系[8]。本文将系统地从橡胶连接剂TOR对橡胶沥青性能影响方面进行研究，进而分析微观化学变化与宏观性能之间的关联性。

1 试验部分

1.1 原料及仪器

东海70号沥青，性能指标见表1。40目废胶粉，青岛沃达丰橡塑科技有限公司。维他连接剂（TOR），德国Degussa公司。

表1 东海70号沥青性能指标

1.2 橡胶沥青的制备

将基质沥青在110℃烘箱中恒温加热4 h，然后准确称量并加入到橡胶沥青制备装置中；加热温度控制在5℃/min～10℃/min，将沥青加热到180℃～190℃，并保持机械搅拌，搅拌速度控制在200～300 rpm，维持在180℃～190℃条件下5 min左右；按照一定比例加入一定量的废旧胶粉和维他连接剂TOR，保持温度180℃～190℃下搅拌120 min左右，转速控制在500～600 rpm。废旧胶粉和连接剂TOR的比例和加入量在实验结果中有说明，本试验中胶粉和TOR改性剂均按照外掺法计算。

1.3 沥青性能测试

改性橡胶沥青的针入度、软化点以及5℃延度、25℃弹性恢复和旋转黏度均按J TJ 052/T0604206标准测定。

1.4 沥青混合料性能测试

包括基质沥青和橡胶沥青的配合比设计、浸水马歇尔实验、动稳定度试验。

2 试验结果分析

本研究考察了胶粉含量和TOR含量对橡胶沥青性能的影响，其中考察胶粉含量是保持胶粉与TOR质量比不变，考察TOR连接剂用量时胶粉含量保持不变，其中胶粉和TOR用量为所占沥青质量的百分比（外掺法），试验结果如表2、表3所示。

从图1可以看出，保持TOR与胶粉质量比例不变的情况下，随着胶粉的增加橡胶沥青软化点先增大然后又小幅降低，基本维持在较高值。而25℃针入度则随着胶粉含量的增加先减小然后小幅上升，5℃延度和25℃弹性恢复则随着胶粉含量的增加先增大后减小。180℃黏度随着胶粉含量增加逐渐增大。除了180℃黏度以外，其余4个指标均在胶粉含量（外掺）为20%～22.5%之间达到了极值，180℃黏度在胶粉含量（外掺）为20%～22.5%之间有个小平台，然后又出现了陡升。从上述结果可以看出，随着胶粉含量的增加，废旧胶粉与沥青之间的化学反应逐步加深，当胶粉含量超过22.5%时，过量的废旧胶粉不能与沥青充分反应。因此，随着胶粉含量的增加刚开始，胶粉和TOR连接剂可以在高温下与沥青中的不饱和键发生加成反应形成网状结构，可以有效地提升橡胶沥青的软化点、5℃延度，但是随着交联程度的增加，橡胶沥青的流动性显著降低，导致25℃针入度下降明显，同时180℃黏度也快速增加。

表2 不同胶粉含量的橡胶沥青性能参数

表3 不同TOR含量的橡胶沥青性能参数

图1 胶粉含量对橡胶沥青性能的影响

图2 TOR对橡胶沥青性能的影响

当胶粉含量超过22.5%后，过量的胶粉不能完全参加反应，导致交联剂的交联度相比于20%和22.5%的时候有所降低，这从25℃弹性恢复和5℃延度性能可以看出，交联结构的增加或者改性剂在沥青中可以有效地充分溶胀形成交联结构对延度和弹性恢复有显著提升，软化点也因为改性沥青中网状结构的存在有所提升，这也是SBS改性沥青在延度和弹性恢复方面相比于基质沥青有效提升的主要原因所在。而TOR改性橡胶沥青中随着废旧胶粉含量的增加出现了类似于SBS改性沥青的现象，各项性能显著提升，针入度有所降低，这反应了胶粉含量低于22.5%时，随着胶粉和TOR含量增加，交联网状结构在逐步加深，进而使得各项性能有所提升。当胶粉含量超过22.5%时，并没有出现类似于SBS改性沥青性能提升到一定值后达到平衡状态，而是出现了下滑。这说明随着胶粉含量的增加，导致胶粉与TOR和沥青之间不能形成更紧密交联结构，导致橡胶沥青交联结构连续性差，胶粉以半交联状态或者颗粒状态分散在沥青中，而沥青也没有充分地发生反应。因此，当胶粉含量过高时反应沥青高温流动性的针入度反而有所提升，而体现改性沥青中交联程度的软化点、延度和弹性恢复反而有所降低。这也进一步印证了胶粉的最佳参配比例为20%～22.5%之间。而180℃延度随着胶粉含量超过22.5%时出现了进一步跃升，说明多余的胶粉在高温剪切下发生了溶胀，但是未能有效地形成网状结构，所以在众多关联指标中，只有180℃黏度提升明显，其余指标均有所降低。而当胶粉含量达到20%时各项性能均已非常接近最佳值，因此确定的最佳胶粉含量为20%。

从图2可以看出，当废旧胶粉含量（20%）保持不变时，随着TOR含量的增加，橡胶沥青软化点、5℃延度、25℃弹性恢复均出现了先增加后减小的趋势，而25℃针入度随着TOR含量的增加出现了快速降低然后达到一个较为稳定的值，180℃黏度随着TOR含量的增加先迅速增加然后在较高水平保持稳定。TOR在改性橡胶沥青中主要起到了加深胶粉与沥青之间反应的作用。因为，TOR中含有大量活泼的不饱和双键，而一般橡胶制备过程中都要经过硫化，胶粉中含有的硫可以与TOR和沥青中不饱和双键发生加成反应，形成空间交联结构。而胶粉中硫含量有限，且胶粉由于其反应活性相对较低，TOR反应活性高，一般多集中于胶粉表面。加长反应时间也在一定程度上促进了胶粉的溶胀，有助于交联反应的进行，但是由于沥青中的芳香份和沥青质对胶粉的溶胀达到一定程度进一步增加的传质传热效率降低，所以即使胶粉含量继续增加或者TOR含量继续增加对橡胶沥青内部交联反应也不会进一步加强。从图2中可以看出，当TOR添加量达到一定值后，各项指标并没有显著提升。

而且相比于基质沥青，胶粉改性沥青性能方面均有所提升，尤其在软化点、弹性恢复和延度方面提升明显，说明橡胶沥青相比于基质沥青而言，性能有了明显提升，尤其在高温性能方面。

3 结论

a）胶随着胶粉含量的增加，橡胶沥青的各项性能先增加后降低，胶粉的最佳添加量为20%～22.5%（外掺法），综合性能和性价比而言20%更合适。

b）TOR的加入极大地提升橡胶沥青的性能，且随着TOR含量的提升，橡胶沥青性能有所提升，当TOR达到0.8%时性能达到了最佳值。