基质沥青添加反应型活性橡胶改善性能的研究

刘 平， 刘国涛

(云南省建设投资控股集团有限公司，云南 昆明 650501)

工业磷酸盐矿物在生产过程中产生的大量副产品磷酸盐废弃物不仅占用了土地，而且造成严重的资源浪费[1]。磷酸盐废弃物经过改性形成的有机改性活性矿物(activated mineral binder stabilizer，简称为AMBS)可应用于公路工程中，不仅能提高道路材料结构性能，而且能减少资源浪费，符合绿色低碳和环境保护的政策，具有显著的社会效益[2]。

反应型活性橡胶是在有机改性活性矿物的基础上，按照一定的比例，选择AMBS和橡胶粉掺入70#基质沥青中，经过热拌合活化形成的一种合成橡胶添加剂[3]。以色列研究开发的反应型活性橡胶的组成为：62%橡胶颗粒、22%软沥青及16%AMBS。在所有材料被加入拌和设备反应后，再添加10%AMBS，以防止产品再次凝结。研究[4-5]表明：反应型活性橡胶比传统单纯胶粉具有优势，它可以有效提高沥青混合料的疲劳性能和高温稳定性，兼顾了活性矿物和橡胶沥青的良好路用性能。其中，橡胶颗粒包含着大量的无机材料(填充物、硫化物及不同的稳定剂)。在高温时，橡胶颗粒与沥青反应，有效提高了沥青胶结料的性能。此外，AMBS有机硅含有有机疏水长链，其与橡胶颗粒连接并分散在沥青内部，形成网络互连结构，改善了沥青混合料的高温性能。同时，从混合料的微观结构上看，可为提高沥青混合料的性能做出一定的贡献[6]。

1 试验方案设计

1.1 试验内容

1) 反应型活性橡胶沥青的常规性能

采用70#石油沥青作为沥青胶浆的基质沥青，掺入10%,20%和30%活性橡胶，分别研究反应型活性橡胶沥青的针入度、延度及软化点等常规性能，分析不同掺量活性橡胶对70#基质沥青性能影响的变化规律，其试验结果见表1。

表1 反应型活性橡胶沥青常规性能试验Table 1 Routine performance test of activated rubber asphalt

2)反应型活性橡胶沥青的高温性能

采用动态剪切流变(dynamic shear rheometer，简称为DSR)试验和多应力重复蠕变(muti-stress creep and recovery，简称为MSCR)试验，对活性橡胶沥青高温性能进行研究。

DSR试验：采用动态剪切流变仪，得到抗车辙因子G*/sinδ。MSCR试验：采用“加载和卸载”的间歇加载模式，模拟行车荷载应变累积过程，研究沥青在重复单向荷载下的累计变形情况[7]。

在蠕变应力100 Pa和3 200 Pa条件下，应变恢复率相对差异Rdiff和不可恢复蠕变柔量相对差异Jnr-diff的计算公式分别为：

(1)

(2)

式中：R100和R3200分别为100 kPa和3 200 Pa蠕变应力下的平均应变恢复率；Jnr100和Jnr3200分别为100 kPa和3 200 Pa蠕变应力下的平均不可恢复蠕变柔量。

3) 反应型活性橡胶沥青的低温性能

采用弯曲梁蠕变仪(bending-beam rheometer，简称为BBR)，测定沥青混合料的低温性能。根据美国公路战略研究计划(strategic highway research program，简称为SHRP)，采用蠕变劲度模量S和变形速率m，反映沥青路面在经过5～10 a后的低温性能[8]。其中：蠕变劲度模量表示沥青抵抗荷载的能力；变形速率反映沥青的应力松弛特性。

1.2 试验材料制备

反应型活性橡胶添加剂的方法为：采用150 ℃烘箱对基质沥青进行高温加热，保证其具有良好的流动性。将基质沥青保持在140～160 ℃，使用高速剪切机，将已称量的活性橡胶缓慢倒入加热沥青中，连续搅拌30 min，以确保活性橡胶在沥青中分布均匀。得到制备好的活性橡胶与70#基质沥青的复合反应型活性橡胶沥青。

2 试验结果与分析

2.1 反应型活性橡胶沥青的性能

1) 针入度

针入度反映沥青的相对粘度。反应型活性橡胶沥青针入度试验的结果如图1所示。

图1 反应型活性橡胶沥青针入度试验Fig.1 The penetration test of activated rubber asphalt

从图1中可以看出，掺入10%活性橡胶后，复合活性橡胶沥青的针入度从72(0.1 mm)下降到55(0.1 mm)，针入度明显降低。其原因是：橡胶颗粒与AMBS组成网状互联结构；同时，在活性橡胶掺量增加至30%后，因网状互联结构的存在，沥青针入度维持在某一水平，不再降低。

2) 延度

沥青延度是评定沥青塑性的重要指标，反应型活性橡胶沥青延度试验的结果如图2所示。

图2 反应型活性橡胶沥青延度试验Fig.2 The ductility test of activated rubber asphalt

从图2中可以看出，掺入10%活性橡胶后，70#基质沥青的延度(10 ℃，5 cm/min)从68 cm下降到10 cm，且沥青延度(15 ℃)也呈现相同的规律，表明：活性橡胶对沥青延度的影响较大。当活性橡胶掺量增加至30%时，延度不再降低。这与针入度指标呈现出相同的规律。其原因为：①活性橡胶中活性矿物、橡胶颗粒能够与沥青发生反应，形成网状结构；② 活性矿物的成分为二氧化硅，具有一定的刚性，从而使沥青的延度降低。

3) 软化点

沥青软化点用来评价沥青的粘度、高温稳定性及感温性，反应型活性橡胶沥青软化点试验的结果如图3所示。

从图3可以看出，掺入活性橡胶后，70#基质沥青的软化点得到明显提高。随着活性橡胶掺量的增加，软化点呈现线性增加趋势。表明：活性橡胶的掺入能够很大程度地改善沥青的软化点。

图3 反应型活性橡胶沥青软化点试验Fig.3 Softening point test of activated rubber asphalt

4) 60 ℃动力粘度

60 ℃动力粘度表示沥青抗车辙能力，反应型活性橡胶沥青60 ℃动力粘度试验的结果如图4所示。

图4 反应型活性橡胶沥青60 ℃动力粘度试验Fig.4 The viscosity of rubber asphalt at 60 ℃

加入活性橡胶后，沥青60 ℃动力粘度明显提高。随着活性橡胶掺量的增加，沥青60 ℃动力粘度呈指数增长趋势，且增幅相当明显。其原因是：活性橡胶与基质沥青形成网络结构增加了沥青的粘度，同时，活性橡胶以颗粒固体的形式存在。随着活性橡胶掺量的增加，沥青60 ℃动力粘度会不断增加。

2.2 反应型活性橡胶沥青的高温性能

2.2.1 动态剪切流变试验

车辙因子G*/sinδ是沥青高温性能的重要指标，反映沥青永久变形性能。其值越大，则抗车辙性能越高。DSR试验的结果见表2。

从表2中可以看出，无论是在老化前或老化后，随着活性橡胶的掺入，70#基质沥青的车辙因子逐渐增加。且活性橡胶的掺量越大，基质沥青的车辙因子越大，基质沥青的高温稳定性越好。表明：活性橡胶的掺入能够很好地提高基质沥青的高温性能。参考Superpave 规范[9]，按原样沥青的车辙因子G*/sinδ≥1.0 kPa、RTFOT老化后沥青的车辙因子G*/sinδ>2.2 kPa来划分沥青高温等级(peformance grade，简称为PG)的标准。对于70#基质沥青+活性橡胶，掺量20%和30%的活性橡胶沥青的高温等级由64 ℃分别升高至70 ℃和82 ℃，有效地改善了基质沥青的高温性能[5]。

表2 反应型活性橡胶沥青的DSR试验Table 2 DSR test of activated rubber asphalt

2.2.2 多应力重复蠕变试验

MSCR试验研究的是车辆反复荷载对沥青累积变形的影响，反映了道路在行车荷载的实际作用情况，MSCR试验的结果见表3。

表3 反应型活性橡胶沥青的MSCR试验Table 3 MSCR test of activated rubber asphalt

从表3中可以看出：① 车辙是不可恢复应变积累形成的。不可恢复蠕变柔量是评价沥青高温抗变形能力的重要指标，即不可恢复蠕变柔量越小，沥青的抗变形能力越好。掺入30%活性橡胶后，复合活性橡胶沥青的Jnr100从6.780 0 减小至0.055 7，Jnr3200从7.239 0减小至0.507 4。且随着活性橡胶掺量的增加，不可恢复蠕变柔量逐渐减小，即可恢复变形逐渐增加。表明：活性橡胶的掺入使沥青的抗变形能力有较大程度的提高，达到改性沥青的效果。② 平均应变恢复率R表示可恢复弹性比例。平均应变恢复率随着活性橡胶掺量的增加而逐渐增加，即发生车辙的可能性逐渐降低。当掺入30%活性橡胶时，R100从0.33增加至89.26，达到普通改性沥青的效果。其原因是：活性橡胶与沥青发生反应，显著提高了沥青的粘度，同时，橡胶颗粒的弹性部分使得变形恢复充分。表明：活性橡胶能够提高沥青混合料的抗车辙性能和高温稳定性。③Jnr-diff表示不可恢复蠕变柔量的应力敏感性，Rdiff反映平均应变恢复率对应力的敏感程度。随着活性橡胶的增加，Jnr-diff呈指数增加趋势，而平均应变恢复率R对应力敏感性(Rdiff)呈线性减小趋势；由于活性橡胶在沥青内部形成网状互联结构，因此沥青混合料更稳定。

2.3 反应型活性橡胶沥青的低温性能

沥青的低温性能采用弯曲梁蠕变仪，测得蠕变劲度模量S和变形速率m。变形速率越大，则沥青的应力松弛性能越好。当温度下降而路面出现收缩时，沥青结合料的抗裂性能也就越好，反应型活性橡胶沥青弯曲梁蠕变试验结果见表4。

从表4中可以看出，蠕变劲度模量S随着活性橡胶的增加而逐渐减小，变形速率m则随着活性橡胶的增加而逐渐增加。按照S≤300 MPa、m≥0.300的技术要求，70#基质沥青掺入30%活性橡胶后，沥青胶结料的低温等级由-12 ℃升高至-18 ℃，提高了一个等级。表明：活性橡胶的掺入降低了沥青的劲度，改善了基质沥青的低温抗裂性能。

表4 反应型活性橡胶沥青BBR试验Table 4 BBP test of activated rubber asphalt

3 结论

1) 常规性能试验表明：随着活性橡胶掺量的增加，70#基质沥青的针入度和延度明显降低。当活性橡胶的掺量增加到30%时，基质沥青的针入度和延度维持在一定的水平，不再降低；而基质沥青的软化点呈线性增长趋势，基质沥青的60 ℃动力粘度呈指数增长趋势。活性橡胶的掺入能够显著提高沥青胶结料的高温性能。

2) DSR试验表明：活性橡胶的掺入对基质沥青的高温性能有较大程度的提高。当活性橡胶的掺量为20%和30%时，沥青PG高温等级由64 ℃分别升高至70 ℃和82 ℃，有效地改善了基质沥青的高温性能。

3) MSCR试验表明：随着活性橡胶掺量的增加，Jnr-diff呈指数增加趋势，而平均应变恢复率对应力敏感性(Rdiff)呈线性减小趋势；活性橡胶在沥青内部形成网状互联结构，使沥青高温抗变形能力有较大程度的提高，达到改性沥青的效果，使得沥青混合料更加稳定。

4) 低温性能试验表明：活性橡胶的掺入降低了沥青的劲度，改善了沥青的低温抗裂性能。在掺入30%活性橡胶后，其温度由-12 ℃升高至-18 ℃，提升了一个等级。