维他连接剂（TOR）改善橡胶沥青储存稳定性试验研究

毋存粮， 王笑风， 吴靖江， 胡光胜， 张 永

（1.中国建筑第七工程局有限公司，郑州 450000； 2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450000；3.交通运输行业公路建设与养护技术、材料及装备研发中心，郑州，450000）

已有研究成果和工程应用经验表明，橡胶沥青技术不仅是实现废旧轮胎资源化、无害化循环利用的有效途径之一，而且具有良好的高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性能、抗老化性能和降噪功能，有助于延长路面使用寿命、节约维修养护资金、提升道路安全性和舒适性，具有良好的经济效益和环保效益［1］.

随着橡胶沥青技术在公路工程中的应用范围和规模不断扩大，逐渐发现橡胶沥青易离析、施工温度高、压实难度大等制约废胎胶粉改性沥青的问题，限制了橡胶沥青在工程中推广应用［2］. 近年来，为进一步改善橡胶沥青的路用性能和施工和易性，改性橡胶沥青技术受到众多科研机构和研究人员的关注［3-4］，其中维他连接剂（TOR）是一种常见的改性剂，对橡胶沥青的技术指标有明显的改善效果［5］. 周鑫［6］通过对基质沥青、橡胶沥青和TOR橡胶沥青进行压力老化、薄膜烘箱加热老化和紫外光老化三种不同的老化模拟试验，结果显示，TOR对橡胶沥青的分子结构类型并没有发生明显的影响，且促进了废胶粉颗粒与沥青的相容性，进一步改善了橡胶沥青的高温性能和低温性能，且抗车辙性能和抗疲劳性能比橡胶沥青有所提高. 肖鹏和张钦［7］对不同溶胀时间下的TOR橡胶沥青和普通橡胶沥青的黏度、针入度、软化点和延度进行试验，结果表明，与普通橡胶沥青相比，TOR橡胶沥青的黏度明显降低，改善了施工和易性，且在溶胀反应1 h后其黏度大大降低，施工和易性最佳. 张晓亮等［8］对不同胶粉掺量和掺加维他连接剂（TOR）后小轿车轮胎胶粉改性沥青性能的变化进行研究发现，TOR的掺加有助于促进废旧废胎胶粉在沥青的溶胀反应，提升橡胶沥青稳定性和沥青混合料的路用性能，而且对橡胶沥青ARAC-13级配混合料的路用性能提升明显优于普通沥青AC-13级配的混合料.

上述相关研究表明，TOR 对橡胶沥青的技术指标具有明显的改善效果，但是对橡胶沥青存储稳定性的研究相对较少. 本文通过对现场湿法橡胶沥青（RA）、TOR改性橡胶沥青（TRA）和工厂化生产的稳定橡胶沥青（FRA）三种不同橡胶沥青的软化点、黏度及车辙因子变化情况进行对比研究，从而确定TOR对橡胶沥青存储稳定性的影响.

1 原材料

1.1 基质沥青

本文采用70号A级道路石油沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）测试沥青性能，结果如表1所示，各项性能均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求.

表1 沥青性能指标Tab.1 Performance index of asphalt

1.2 废胎胶粉

所用废胎胶粉由南京东浩橡胶粉公司提供，细度为40目，相关技术指标检测结果如表2所示，满足《路用废胎硫化胶粉》（JT/T 797—2011）的要求.

表2 橡胶粉性能指标Tab.2 Performance index of rubber powder

1.3 维他连接剂（TOR）

维他连接剂（TOR）是一种以丁二烯为原料经加工而成的一种具高分子聚合物，全称为辛烯聚合物橡胶反应剂，其技术指标测试结果见表3.

表3 维他连接剂（TOR）技术指标检测结果Tab.3 Test results of technical indexes of the trans-polyoctenamer rubber modifier（TOR）

2 橡胶沥青加工工艺

本项目所用橡胶沥青的胶粉掺量均为基质沥青的20%，TOR掺量为橡胶粉质量的4.5%［9］，制备工艺完全相同，主要过程如下：

将基质沥青在170 ℃的环境中加热2 h后，按确定的比例倒入搅拌容器中，随后加入相应质量的废胎胶粉或TOR；采用高速剪切设备对混合物进行高速剪切搅拌，搅拌温度控制在（180±5）℃，搅拌速率控制在为2000～2500 r/min，搅拌时间为60 min；搅拌后放置在（170±3）℃的烘箱中保温发育45～60 min，即可制成所需的胶粉橡胶沥青或TOR橡胶沥青.

3 橡胶沥青储存稳定性试验及结果分析

规范［10］中一般采用软化点差作为指标对聚合物改性沥青的存储稳定性进行评价. 但是，橡胶沥青比传统的SBS 改性沥青结构更加复杂，采用单一的软化点差作为评价指标可能无法对其稳定性进行准确评价.因此，试验过程中将装有橡胶沥青试样的盛样管和架子一起放入（163±5）℃的烘箱中静置（48±1）h后，取盛样管顶部和底部的试样进行软化点试验，同时进行布氏旋转黏度、动态剪切流变（DSR）试验，以便根据软化点、黏度和车辙因子变化情况对橡胶沥青的存储稳定性进行综合评价.

3.1 软化点差试验

软化点是表征沥青高温稳定性的指标之一，软化点越高，说明橡胶沥青等温黏度越高，高温稳定性越好. 通过测定相同环境条件下，加热相同时间的同一盛样管上部和下部的橡胶沥青试样的软化点，并计算相对应的软化点差，可以用以评价不同橡胶沥青的离析情况，具体试验结果见表4及图1所示.

由表4 及图1 的软化点离析试验结果可得：

图1 不同橡胶沥青软化点差平均值Fig.1 Average values of softening point differences of different rubber asphalt

表4 不同橡胶沥青软化点差试验结果Tab.4 Results of softening point differences of different rubber asphalt

1）现场湿法橡胶沥青RA 的软化点差最大（6.3 ℃），工厂化生产的橡胶沥青FRA的软化点差最小（2.0 ℃），TOR改性橡胶沥青TRA的软化点差居中（4.6 ℃），初步说明TOR的掺入有助于减轻橡胶沥青的离析现象，提高橡胶沥青的存储稳定性.

2）相同的生产工艺和试验条件下，掺加TOR的橡胶沥青TRA 的软化点差比普通橡胶沥青RA 降低约27%，说明TOR 的加入使得橡胶沥青的稳定性得到明显提高，这是因为TOR具有双键结构，它可以使胶粉表面的硫元素与基质沥青中沥青质的硫元素相互交联形成链状和环状聚合物，从而使橡胶沥青形成网状结构，以改善橡胶粉与沥青之间的相容性，提高橡胶沥青的稳定性能.

3.2 黏度差试验

黏度指标是橡胶沥青最重要的指标之一，它主要反映橡胶沥青在荷载作用下抵抗剪切变形的能力，黏度越大，抵抗剪切变形的能力越强，但是随着橡胶沥青的黏度增大，沥青混合料的施工温度升高，压实难度增加，施工和易性变差，不便于工程应用. 因此，在工程应用中，为确保橡胶沥青混合料良好的路用性能和良好的施工和易性，橡胶沥青的黏度一般控制在1.0～5.0 Pa·s范围内［11］.

基于黏度在橡胶沥青的路用性能和施工和易性方面的重要意义，本文采用标准的布洛克菲尔德黏度计对三种经过离析后的橡胶沥青试样在175 ℃下黏度进行试验，测得上部和下部试样的布氏黏度，并以黏度差（上下部黏度差的绝对值）作为改性橡胶沥青储存稳定性的评价指标，试验结果如表5，黏度差平均值如图2所示.

表5 不同橡胶沥青布氏黏度差试验结果Tab.5 Results of Brinell viscosity differences of different rubber asphalt 单位：mPa·s

图2 橡胶沥青布氏黏度差平均值Fig.2 Average values of Brinell viscosity differences of rubber asphalt

1）橡胶沥青在长时间加热储存后，都会发生不同程度的离析现象，盛样管下部试样的黏度明显高于上部，这主要是因为橡胶沥青发生离析时，胶粉颗粒在重力作用下向下沉淀，使得下部沥青中胶粉含量增加，上部沥青胶粉含量减少，从而使下部橡胶沥青的黏度增大［12］.

2）三种橡胶沥青中，普通橡胶沥青RA 黏度差平均值最大，离析最为严重；TOR 改性沥青TRA 次之，工厂化的稳定橡胶沥青FRA 最小，与软化点差的试验结果一致，进一步说明TOR能够改善现场湿法橡胶沥青的存储稳定性.

3）TOR改性沥青TRA的黏度差比普通橡胶沥青RA的黏度差减小约63.2%，TOR橡胶沥青TRA的存储稳定性显著提升，原因在于普通橡胶沥青中橡胶粉在沥青中以物理溶胀为主，化学反应为辅，主要通过胶粉物理溶胀后体积增大来使得橡胶沥青黏度增加，在长时间存储时，易发生离析［13］. TOR 加入后，在橡胶粉发生溶胀的过程中，借助TOR的双键加剧了胶粉与基质沥青间的化学反应，形成更加稳定的环状和链状聚合物. 在胶粉物理溶胀和胶粉、TOR、基质沥青三者间的化学反应的双重作用下，使得橡胶粉与沥青的相容性得到改善，橡胶沥青的储存稳定性得以提高.

3.3 动态剪切流变试验

熊萍［14］在对SBS 改性沥青的存储稳定性评价方法进行研究时，通过借鉴美国国家公路合作研究计划（NCHRP）的LAST法，提出了SBS改性沥青存储稳定性评价指标离析率Rs，并得出当-0.2≤Rs≤0.2时，改性沥青储存稳定性合格；超出此范围时，存储稳定性不合格. 其测定方法为：将加热后的SBS改性沥青倒入盛样筒中，在163 ℃的温度下静置72 h，然后分别取顶部1/3处和底部1/3 处的改性沥青进行动态剪切流变DSR 试验，测定车辙因子G*sinδ值，并计算离析率Rs，公式如下：

本文拟采用上述方法，采用车辙因子差和离析率指标对三种橡胶沥青的稳定性情况进行评价. 因此，采用Gemini II ADS 型动态剪切流变仪对三种橡胶沥青的车辙因子进行测试，试验温度为76 ℃，采用应变控制模式，加载频率为0.01～16 Hz，试验仪器如图3所示，试验结果如表6、图4及图5所示.

图3 Gemini II ADS型动态剪切流变仪Fig.3 Gemini II ADS-type dynamic shear rheometer

图4 改性橡胶沥青G* sin δ 差试验结果Fig.4 Results of G* sin δ differences of modified rubber asphalt

图5 改性橡胶沥青离析率Rs试验结果Fig.5 Results of Segregation ratios of modified rubber asphalt

表6 不同橡胶沥青车辙因子及离析率试验结果Tab.6 Results of rutting factors and segregation rates of different rubber asphalt

由表6、图4及图5可以看出：

1）在163 ℃的环境中存储72 h后，三种橡胶沥青试样上部的G*sinδ均明显小于下部，说明各橡胶沥青在长时间储存时，都容易发生离析，胶粉会在重力作用下向底部聚集，使得下部试样具有较高的G*sinδ，而上部的G*sinδ相对较低.

2）三种橡胶沥青的G*sinδ差结果排序为：RA＞FRA＞TRA，TRA的G*sinδ差最小，FRA的G*sinδ差居中，与前文软化点差和黏度差的结果有所不同，原因可能在于工厂化生产的稳定橡胶沥青FRA是经过长时间高速剪切和搅拌而形成的稳定体系，橡胶粉经剪切后粒度变小，但在沥青中仍以物理溶胀为主，而且胶粉与沥青间的化学反应也有所增强，短时间（48 h）存储稳定性较好，但长时间（72 h）存储时，仍然会因胶粉沉淀而发生离析［15］；TOR改性沥青TRA中，仍然有一部分橡胶粉在沥青中发生溶胀反应，但由于TOR的存在，也大大增加了橡胶粉与沥青间的化学交互作用，从而使TRA在长时间存储时，虽然发生了离析，但离析程度比FRA和RA轻［13］.

3）三种橡胶沥青的离析率Rs的大小排序为：RA＞FRA＞TRA. 试验结果与G*sinδ差试验结果一致，说明TOR的加入有助于改善橡胶沥青的离析状况，提高长时间热存储稳定性的效果更明显.

4 结论

本文通过对现场湿法橡胶沥青（RA）、TOR改性橡胶沥青（TRA）和工厂化生产的稳定橡胶沥青（FRA）三种橡胶沥青的储存稳定性进行试验研究，得到如下结论：

1）橡胶沥青经过较长时间热储时，都会发生不同程度的离析现象，胶粉颗粒在重力作用下向下沉淀，使得橡胶沥青下部胶粉含量增加，上部胶粉含量减少，从而使下部橡胶沥青的黏度增大，软化点提高，黏度增大.

2）经过加热存储的三种橡胶沥青中TOR改性橡胶沥青（TRA）的软化点差、黏度差和离析率均小于现场湿法橡胶沥青（RA），说明TOR能够有效改善橡胶沥青的存储稳定性.

3）与工厂化生产的稳定橡胶沥青（FRA）相比，在存储时间为48 h时，TRA的软化点差和黏度差较大，说明离析程度比FRA严重；存储时间为72 h时，TRA的车辙因子G*sinδ和离析率反而减小，说明离析程度比FRA轻. 因此，当存储时间较长时，维他连接剂TOR对橡胶沥青的稳定性改善效果更显著.