胶粉性质对橡胶改性沥青性能影响研究

张明月， 蒋 恒， 苟宏伟

(长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410004)

0 引 言

随着《交通强国建设纲要》(以下简称《纲要》)的颁布，我国公路建设又迎来了新的发展契机。回望我国公路发展历程，截至2018年底，我国公路总里程达484.65万km，较上一年增长7.31万km，位居世界第一。《纲要》提出我国交通运输发展的重要任务之一是“绿色发展、低碳环保”[1]。早期公路建设存在能耗高、污染大的弊端，为迎合这一发展理念，公路建设者们陆续开发了许多节能环保的筑路材料、施工机具、施工工艺等，橡胶改性沥青技术就是其中的典型代表之一。其将废旧的橡胶轮胎重新利用，加工成为筑路材料——胶粉，并与沥青在高温条件下剪切、拌和，形成改性沥青胶结料，相比于传统的SBS改性沥青技术，这种方法节省了15%～20%的基质沥青[2]。

我国的橡胶改性沥青技术现处于起步和发展阶段，仍存在很多缺陷与不足。胶粉的目数与掺量是橡胶改性沥青技术的重要参数，但我国现有的规范、地标、指南等对胶粉性质的技术要求略显宽松，如对胶粉目数一般要求30～80目，胶粉掺量一般大于15%即可[3]。然而基于工程实践发现，不同目数与掺量的胶粉对改性沥青的性能有着重要影响，合理选择掺量与目数可有效提高沥青改性质量，同时节约成本，避免盲目性。为此，本文基于湿法工艺，对不同掺量与不同目数的橡胶改性沥青进行性能测试，探究胶粉掺量与目数对改性沥青性能的影响，以期为工程实际提供借鉴与指导。

1 原材料与制备工艺

1.1 沥青

本文选用东海牌70号基质沥青，其主要技术指标见表1。

表1 70号基质沥青技术指标

1.2 橡胶粉

本文选用四川中能橡胶粉有限责任公司所生产的40～80目橡胶粉(图1)，参考《橡胶沥青路面技术标准》(CJJ/T 273-2019)，其主要技术指标见表2。

图1 橡胶粉

表2 橡胶粉技术指标

1.3 橡胶改性沥青制备工艺

本文基于湿法工艺制备实验室用橡胶改性沥青(图2)，首先将基质沥青加热至160℃，然后加入相应质量和目数的橡胶粉，使用上海昂尼AE300L-P型实验室剪切乳化机在180 ℃条件下以1 000 r/min的速率高速剪切60 min，继续在180 ℃条件下溶胀15 min，最终得到所需的改性沥青。

图2 橡胶改性沥青制备

2 橡胶改性沥青机制

如图3所示，橡胶颗粒与沥青在高温剪切条件下混合，橡胶颗粒充分吸收沥青中的轻质组分而发生溶胀，使得沥青中其余饱和酚、芳香酚与沥青质的含量相对减少，提升了沥青的黏度。溶胀反应的同时，伴随着脱硫和降解，橡胶粉中的活性成分进入沥青胶体中，有助于改善沥青性能。另一方面，胶粉颗粒周围形成的凝胶膜沥青质含量高，可将分散于沥青中的橡胶颗粒，形成黏度较大的半固态连续相的体系[4]。

图3 橡胶改性沥青机制

3 胶粉目数对橡胶沥青性能的影响

我国橡胶沥青现行规范、地标与指南中尚未对胶粉目数做出详细规定，针对胶粉目数仅推荐了目数范围为30～80目，较为宽泛的范围势必给橡胶沥青的制备带来困扰。因此，为探究胶粉目数对橡胶改性沥青性能的影响，基于前述制备工艺，在20%胶粉掺量(质量分数，下同)条件下，对不同胶粉目数(40目、60目、80目)进行性能测试，结果见表3。

表3 不同橡胶粉目数橡胶改性沥青性能测试结果

由表3可知：

(1)胶粉目数的增大有助于提升橡胶改性沥青的高温性能。如图4a所示，当胶粉目数由40目增大至80目时，针入度降低4.5(0.1 mm)，软化点提升7.9℃，高温性能显著提高。究其原因在于，橡胶粉目数越大表明其粒径越小，橡胶粉颗粒越细，单位体积内橡胶粉颗粒数量大，比表面积提升，在相同胶粉掺量条件下胶粉与基质沥青溶胀反应更加充分，胶粉吸收沥青中轻质组分的速率加快，形成的三维空间网状结构物更加稳固，因而高温性能得以改善。

(2)胶粉目数的增大有助于提升橡胶改性沥青的低温性能。如图4b所示，当胶粉目数由40目增加至60目时，延度提高36 mm，继续增大至80目时，延度继续提升28 mm，在此范围内，延度的提升与目数几乎呈线性关系。这是因为橡胶粉与沥青的拉伸模量相差较大，当延度仪对沥青进行拉伸时，沥青的横向变形较大，若橡胶颗粒越大，则胶粉在沥青中的流动性越差，拉伸过程中沥青与胶粉的界面应力集中现象越明显，越容易发生断裂，因此，目数越大，胶粉颗粒越细，越有利于提高橡胶改性沥青的低温性能。

(3)胶粉目数的增大不利于橡胶改性沥青的弹性恢复能力。如图4c所示，当胶粉目数由40目增大至80目时，橡胶改性沥青的弹性恢复能力下降9个百分点，这是因为橡胶粉本身弹性特征远远优于沥青，橡胶粉目数增大后，粒径减小，与沥青反应加剧，降解和脱硫现象增加，减少了橡胶中的弹性成分，因而导致改性沥青的弹性恢复能力降低。

图4 胶粉目数对沥青性能影响

4 胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响

胶粉掺量是橡胶改性技术的关键参数之一，我国相关规范、地标、指南中对胶粉掺量的规定一般为大于15%即可。然而根据工程实践经验发现，当胶粉掺量过高时，沥青的黏度偏大，不利于施工。因此，为掌握胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响，本文基于前述制备工艺，采用80目橡胶粉，分别对不同胶粉掺量(5%、10%、15%、20%、25%、30%)的改性沥青进行性能测试，结果见表4。

表4 不同橡胶粉掺量橡胶沥青性能测试结果

由表4可知：

(1)随着胶粉掺量的增加，橡胶沥青的高温性能逐步提升，增速先快后慢。如图5a所示，当胶粉掺量由5%增加至20%时，针入度下降8.4(0.1mm)，软化点提升8.5℃，高温性能显著提升，这是由于当胶粉掺量较少时，随着掺量的增加，沥青与胶粉的溶胀反应越加充分完全，胶粉颗粒间的作用加强，形成较为稳定的空间网状结构物以提升沥青性能，但是当掺量超过20%后，高温性能出现波动，甚至小幅下降，表现为当掺量增加至30%，相较于20%掺量时软化点降低1.3℃，究其原因在于沥青中有限的轻质组分无法满足与过量胶粉的反应，因而表现为高温性能的小幅下降。

(2)随着胶粉掺量的增加，橡胶沥青低温性能先提升后下降。如图5b所示，当胶粉掺量由5%增加至20%时，5℃延度升高115(0.1mm)，低温性能显著提升，这就表明沥青与胶粉反应后内部形成的空间网状结构物有利于改善沥青的柔韧性，低温性能得以提升；继续增加掺量至30%，5℃延度降低21(0.1mm)，低温性能小幅下降，造成该现象的原因在于过量的胶粉无法充分反应完全，将以大颗粒形式存在于沥青中，且分散不均匀，在延度仪试模拉伸过程中容易在沥青与胶粉颗粒界面产生应力集中现象，不利于改善低温性能。

(3)随着胶粉掺量的增加，橡胶沥青弹性恢复能力逐步提升，当掺量高于20%后，提升幅度有限。如图5c所示，当胶粉掺量由5%增加至20%时，弹性恢复率提升27个百分点；继续增加至30%，弹性恢复率仅提升3个百分点。究其原因在于，一方面胶粉颗粒与轻质组分的反应间接提升了沥青中沥青质的含量，另一方面基质沥青本身弹性恢复率低，橡胶颗粒弹性足，二者共同作用提升了改性沥青的弹性特征和黏稠度，但是过量胶粉对上述性质的改善作用明显不足。

图5 胶粉掺量对沥青性能影响

5 结 论

基于湿法橡胶沥青制备工艺，分别制备不同胶粉目数与不同胶粉掺量的改性沥青并测试其基本性能，得出以下结论:

(1)随着胶粉目数的增加，橡胶沥青高温性能、低温性能均显著提高，但不利于改善沥青的弹性恢复能力。

(2)在一定范围内，胶粉掺量增加可改善沥青的高温性能、低温性能与弹性恢复能力，但是在掺量超过20%后，橡胶沥青的高温性能与弹性恢复能力提升幅度有限，低温性能出现小幅下降。

(3)从工程实际角度出发，在规范范围内，考虑施工和易性与经济性，推荐胶粉目数为80目、胶粉掺量为20%。