胶粉掺量对复合橡胶改性沥青流变特性的影响

李雨师，邹雯炆，杨 光，李长春

（1．中石油燃料油有限责任公司研究院，北京 100195；2．中石油燃料油有限责任公司，北京 100012； 3．秦皇岛中石油燃料沥青有限责任公司，河北 秦皇岛 066000）

1 研究背景

随着社会经济的发展，日益繁重的交通对沥青路面建设提出了更高的要求。为应对沥青路面车辙、开裂等问题，改性沥青应运而生，其中SBS 和胶粉是各个国家比较常用的改性剂［1－3］。SBS 加入基质沥青后，会在体系内形成空间网状结构［4－7］，进而增强沥青的抗压和抗车辙能力。将胶粉与SBS 改性沥青复合，胶粉与沥青发生物理共混和化学反应［8－10］。同时，部分胶粉颗粒填充在SBS 构建的空间网状结构内，进一步增强复合改性沥青的流变性能［11－13］。因此，这种复合改性后的沥青具有更强的高温稳定性、更好的抗裂性和抗疲劳性能［14－16］，并充分发挥复合改性沥青环保、美观、安全、降噪等优势［17－19］。然而，合理的复合胶粉改性沥青配方设计将进一步扩大改性剂的积极作用； 反之，若各原材料质量比不合理，改性沥青的性能将不升反降。

为研究胶粉掺量对复合橡胶改性沥青流变特性的影响，采用单因素控制变量法，固定90 号基质沥青∶SBS 的比例为80∶1，通过动态剪切流变（DSR） 试验分析胶粉掺量对复合橡胶改性沥青复数剪切模量（G*） 和车辙因子（G*/sinδ） 的影响，并结合改性沥青三大指标及黏度值确定复合橡胶改性沥青的最佳配方设计。

2 试验材料

2．1 原材料

沥青为90 号基质沥青，SBS 牌号为T6302，胶粉目数为40 目，各原材料的基本性质如表1 ～表3 所示。

表1 90 号基质沥青性能参数

表2 SBS 的基本性质

表3 废胶粉的基本性质

2．2 制备工艺

采用单因素控制变量考察了胶粉的掺量对复合改性沥青性能的影响。固定90 号基质沥青∶SBS 的比例为80∶1，添加不同比例份数的胶粉（C －R） （6，12，18，24） ，如表4 所示。

表4 复合改性沥青配方设计

在大量实验的基础上探索出SBS－胶粉复合改性沥青制备工艺如下：

1） 将基质沥青加热180 ℃，加胶粉升温至190 ℃～200 ℃，搅拌2 h。

2） 降温到180 ℃～190 ℃，加入SBS，该温度下剪切30 min。

3）180 ℃～190 ℃下，搅拌发育3 h （视黏度情况，如黏度高可适当提高温度） 。

3 试验方法与结果分析

3．1 实验方法

参照JTG E20—2011 公路工程沥青与沥青混合料试验规程，按表5 所示实验方法分析胶粉掺量对复合改性沥青使用性能的影响。

表5 复合改性沥青试验方法

3．2 胶粉掺量对复合改性沥青软化点和针入度的影响

分析胶粉掺量对复合改性沥青软化点和针入度影响，结果如表6 所示。根据表6 中数据绘制针入度和软化点变化趋势线，如图1 所示。针入度值越小，沥青高温性能越好；软化点值越大，表明沥青温度敏感性越好。由图1 可知，随着胶粉掺量的不断增加，复合改性沥青软化点不断增加，当胶粉质量比小于18 时，软化点上升幅度较小，当胶粉质量比大于18 时，软化点大幅增加；复合改性沥青针入度总体呈现逐渐减小的趋势，当胶粉质量比为6 ～12 和18 ～24 时针入度降低幅度很大，当胶粉质量比为12 ～18 时针入度降低幅度较小。综合考虑复合改性沥青高温性能和温度敏感性，胶粉质量比应为15 ～20。

表6 不同胶粉掺量的复合改性沥青软化点和针入度结果

图1 胶粉掺量对复合改性沥青软化点和针入度的影响

3．3 胶粉掺量对复合改性沥青G*值的影响

沥青的模量是指温度和荷载作用时间一定时，应力和应变的比值就是沥青材料的模量，该值的大小是表示沥青在外力作用下抵抗弹性变形的能力。沥青的模量越高表示沥青抵抗车辙能力越强。采用DSR 试验，分析胶粉掺量对复合改性沥青复数剪切模量（G*） 的影响，结果如表7 所示。根据表7 中数据绘制复数剪切模量（G*）变化趋势线，如图2 所示。

表7 不同胶粉掺量的复合改性沥青复数剪切模量（G*）结果

图2 胶粉掺量对复合改性沥青G*的影响

由图2 可以看出，相同胶粉掺量下，复合改性沥青的G*值随温度的升高而明显下降； 相同温度下，增加胶粉掺量使得复合改性沥青的G*值不断增加。不同胶粉掺量下复合改性沥青的模量－温度曲线拟合公式如表8 所示。由表8 可以看出，复合改性沥青的复数剪切模量随温度的升高呈指数型下降，且相关度非常高。

表8 不同胶粉掺量下复数剪切模量随温度的变化规律

基于复合改性沥青的G*值可以发现，当胶粉的质量比大于15 时，沥青具有较高的复数剪切模量和优异的抗车辙能力。

3．4 胶粉掺量对复合改性沥青G*/sinδ值的影响

SHRP 计划中引入DSR 测量的G*/sinδ作为评价沥青抗车辙能力的指标，要求原样沥青不低于1．0 kPa，旋转薄膜烘箱后残留沥青不低于2．2 kPa。G*/sinδ值越大表示沥青抗车辙能力越强。不同胶粉掺量的复合改性沥青G*/sinδ结果如表9 所示，根据表9 中数据绘制G*/sinδ变化趋势线，如图3 所示。

表9 不同胶粉掺量的复合改性沥青G*/sinδ 结果

图3 胶粉掺量对复合改性沥青G*/sinδ 的影响

由图3 可看出，同一胶粉加量下，复合改性沥青的G*/sinδ值随温度的升高而明显下降； 同一温度下，随胶粉掺量的增加，沥青的车辙因子明显增加。不同胶粉掺量下，复合改性沥青车辙因子－温度曲线的拟合公式如表10 所示。由表10 可以看出，复合改性沥青的G*/sinδ值随温度的升高呈指数型下降，且相关度非常高。

表10 不同胶粉掺量下复合改性沥青车辙因子随温度的变化规律

基于复合改性沥青的G*/sinδ可以发现，当胶粉的质量比大于15 时，复合橡胶改性沥青具有优异的抗车辙能力。

3．5 胶粉掺量对复合改性沥青延度的影响

分析胶粉掺量对复合改性沥青延度的影响，结果如表11 所示。根据表11 中数据绘制延度变化趋势线，如图4 所示。延度值越大，表明沥青低温抗裂性能越好。由图4 可知，复合改性沥青的延度随胶粉掺量的增加而增大，且在低掺量范围（6 ～12） 内延度增加幅度更明显。

图4 胶粉掺量对复合改性沥青延度的影响

表11 不同胶粉掺量的复合改性沥青延度结果

3．6 胶粉掺量对复合改性沥青黏度的影响

不同胶粉掺量下，复合改性沥青黏度值如表12 所示。根据表12 中数据，取沥青黏度的双对数和温度的对数绘制黏温曲线，如图5 所示。由图5 可知，沥青黏度的双对数与温度的对数呈线性关系。胶粉的掺加使复合改性沥青的高温黏度变大，对施工产生不利影响，所以胶粉的掺量不宜过大。从复合改性沥青黏温关系来看，胶粉质量比应不大于20。

表12 不同胶粉掺量的复合改性沥青黏度结果

图5 复合改性沥青的黏温曲线

综合3．2 ～3．6 节所述，胶粉的掺加对复合改性沥青的抗压和抗车辙能力是有利的，但兼顾施工指标和低温抗裂性，胶粉的质量比应为15 ～20。

4 结论

1） 本文所选用的基质沥青和改性剂各项指标均符合规范标准，这为后期复合改性沥青的制备奠定了良好的基础。

2） 采用单因素控制变量考察了胶粉的掺量对复合改性沥青性能的影响。基于三大指标：旋转黏度、复数剪切模量（G*） 和车辙因子（G*/sinδ） 确定最佳复合改性沥青配方设计。

3） 固定90 号基质沥青∶SBS 的比例（80∶1） ，胶粉的掺加有助于提高复合改性沥青的抗压和抗车辙能力，但兼顾施工指标和低温抗裂性能，胶粉的质量比应为15 ～20。