废旧胶粉改性沥青流变性能及高温老化影响研究

张红波 张洪刚 袁海涛 黎柱强

【摘要：】为探究高温老化对废旧胶粉改性沥青流变性能的影响，文章基于动态剪切流变实验（DSR）与弯曲梁流变实验（BBR），研究了废旧胶粉改性沥青经不同温度RTFOT短期老化后的流变性能变化，并在同等条件下与SBS改性沥青进行了对比分析。结果表明：由于废旧胶粉改性沥青中含有较多的天然橡胶（橡胶烃），其低温抗裂性能、复数模量和抗车辙因子等高温流变性能优良，并且经老化后，废旧胶粉改性沥青抗老化性能优于SBS改性沥青。

【关键词：】废旧胶粉改性沥青;流变试验;复数模量;车辙因子;老化

0 引言

废旧汽车轮胎中富含橡胶，其胎源稳定、质量可控，制出的胶粉弹性、抗老化性优良，是制备路用橡胶改性沥青的理想材料。将废旧胶粉用于制备橡胶改性沥青，既可创造良好的经济效益，又能有效解决环境难题，引发了交通领域学者的广泛研究。高温老化是沥青混合料施工过程中不可避免的现象，其对沥青路面使用性能的影响不容忽视，因此对橡胶沥青的老化性能展开研究，对提高橡胶沥青路面施工质量及使用性能具有积极意义[1]。

李宁利等[2]经动态剪切流变实验研究发现，橡胶沥青老化后，弹性增强，高温抗变形能力增强，但复数模量和相位角的变化幅度小于基质沥青，抗老化性能优良。张琪[3]测试了橡胶沥青老化前后的性能变化，发现短期和长期老化作用后，橡胶沥青的高温抗变形能力提高，低温延展性、抗疲劳和抗老化性能均降低。曾文[4]研究了橡胶沥青RTFOT老化后的高温流变性能，结果表明，橡胶瀝青的复数剪切模量和车辙因子均随老化温度的升高或老化时间的延长而逐渐增大。杨永强等[5]发现随老化时间的延长和老化温度的升高，橡胶改性沥青软化点升高，活化胶粉/SBS复合改性沥青在不同老化时间、温度影响下的软化点变化幅度明显小于普通胶粉改性沥青和活化胶粉改性沥青。李怀玉等[6]研究表明，橡胶沥青老化后的针入度、延度减小，且这两个指标对老化温度、时间及压力的敏感度较高，但橡胶沥青抗老化性能优于SBS改性沥青。Li等[7]评估了热老化对微波活化橡胶改性沥青性能的影响，试验结果表明，老化后的橡胶沥青车辙因子和相位角受TFOT老化温度和时间的影响较为显著，其中老化时间的影响更显著。

综上所述，众学者对橡胶沥青高温老化特性进行了大量研究，得知橡胶沥青老化后，其高温抗车辙性能增强，低温抗裂性能减弱，性能变化幅度受老化时间、老化温度等的影响较为明显。然而，目前对废旧胶粉制备的橡胶沥青在高温老化条件下的流变性能变化特征及其与SBS沥青老化特征的对比研究较少。因此，本文基于动态剪切流变实验（DSR）、弯曲梁流变实验（BBR）对比废旧胶粉改性沥青和SBS改性沥青在不同温度RTFOT老化后的流变性能，探究高温老化对废旧胶粉改性沥青流变性能的影响，以期为废旧胶粉改性沥青的推广应用提供理论指导。

1 试样制备

试验基质沥青采用泰普克70#沥青，其性能指标如表1所示。胶粉采用直径0.9 m以上的大货车轮胎磨制，其性能指标如下页表2所示。

废旧胶粉改性沥青采用如下工艺制备：基质沥青加热至185 ℃，加入与基质沥青质量比为20%的胶粉混合搅拌40 min使其初步溶胀分散，再以3 000～4 000 rpm的速率高速剪切20 min，获得废旧胶粉改性沥青。为对比废旧胶粉改性沥青与SBS改性沥青性能差异及老化规律，测定二者基本性能指标，如表3所示。

2 弯曲梁流变试验

采用SHRP规范中规定的弯曲梁流变试验测定SBS改性沥青和废旧胶粉改性沥青的蠕变劲度S和蠕变速率m指标，评价沥青结合料的低温抗裂性能。试验采用弯曲梁流变仪，在-12 ℃和-18 ℃两种试验温度下进行对比研究。试验结果如表4所示。

根据SHRP技术要求，沥青结合料在60 s时的劲度模量越小，意味着结合料在低温下越能更好地适应变形而不开裂，较高的蠕变速率能较快地释放应力而不至于发生破坏。由表4的试验结果可知：（1）废旧胶粉改性沥青在-12 ℃、-18 ℃温度下劲度模量S≤300 MPa，蠕变速率m≥0. 说明废旧胶粉改性沥青在-12 ℃、-18 ℃温度下仍具有良好的低温抗裂性能，且其低温极限使用温度（低温等级）低于-18 ℃;（2）同等试验条件下，相对于SBS改性沥青，废旧胶粉改性沥青的劲度模量S更小，而满足技术要求的SBS改性沥青低温等级为-12 ℃，因此说明废旧胶粉改性沥青低温抗开裂性能优于SBS改性沥青。

3 动态剪切流变试验

常规路用性能指标是沥青性能的宏观体现，但往往难以从微观对其性能进行解释和区分，因此，借鉴SHRP计划中对沥青结合料的评价方法，利用动态剪切流变试验（DSR），分别对比两种不同改性沥青经不同温度RTFOT热氧老化后的高温抗车辙性能及低温抗裂性能，从而综合评价高温老化影响下，废旧胶粉改性沥青与SBS改性沥青的高低温性能优劣及衰变规律。

试验过程为：（1）分别对原样废旧胶粉改性沥青（AR）、原样SBS改性沥青进行163 ℃、173 ℃、183 ℃的旋转薄膜短期老化;（2）对原样沥青、老化沥青进行DSR动态剪切试验，采用应力控制模式，施加10 rad/s频率的正弦振荡荷载，试验温度为50 ℃～85 ℃;（3）采集相位角、复数模量、车辙因子等试验指标。

3.1 相位角

在高温条件下，相位角δ越小，表明该材料弹性成分所占比例越大，即具有较好的抵抗高温变形的能力。不同老化程度改性沥青相位角随扫描温度的变化规律如图1所示。

由图1可知：

（1）除SBS原样沥青外，其余老化条件下的沥青相位角总体随着扫描温度的升高而增加。分析认为：随着温度的升高，沥青中软化点较低的轻质组分逐渐挥发而丧失弹性，使得沥青整体弹性成分相对减少，黏性成分相对增加，从而使其相位角增大。

（2）废旧胶粉改性沥青的弹性明显优于SBS沥青。废旧胶粉改性沥青在同等老化条件下的相位角均明显小于SBS沥青，甚至小于SBS原样沥青，说明废旧胶粉改性沥青的弹性优于SBS沥青。

（3）随老化温度的升高，两种沥青粘弹性特征的变化规律截然相反。相同扫描温度下，随老化温度的升高，SBS沥青相位角总体逐渐增大，而废旧胶粉改性沥青相位角总体逐渐减小，说明短期老化过程中，SBS沥青弹性成分明显减少，而废旧胶粉改性沥青弹性成分不减反增，这说明高温老化后废旧胶粉改性沥青弹性恢复能力明显增强。分析认为：SBS沥青高温老化后原有网状结构被破坏，对基质沥青的束缚效果减弱，导致SBS沥青弹性被削弱;而废旧胶粉改性沥青高温老化后轻质组分减少，废旧胶粉老化降解，使得沥青质与胶质增加，并与橡胶颗粒形成回弹变形能力较强的凝胶体。

3.2 复数模量与车辙因子

动态剪切流变试验中采用周期性的应力或应变的振荡，这种模式可表征沥青路面在车载条件下流变性能的变化，复数模量G*和车辙因子G*/sinδ均可用于评价沥青的高温抗车辙性能，因此将二者合并分析。不同老化程度改性沥青复数模量随扫描温度的变化规律如图2所示。不同老化程度改性沥青车辙因子随扫描温度的变化规律如图3所示。

由图2、图3可知：

（1）沥青是一种感温材料，温度升高时，沥青从高弹态向粘流态转化，复数模量和车辙因子会逐渐降低。在本文试验中，随扫描温度的升高，两种改性沥青的复数模量和车辙因子均下降，即抗车辙能力下降，但原样及老化废旧胶粉改性沥青的复数模量与车辙因子普遍大于SBS改性沥青。

（2）根据SHRP的研究结论，原样沥青的车辙因子应≥1.0 kPa，原样SBS改性沥青的车辙因子在扫描温度约为80 ℃时降至1.0 kPa，而原样废旧胶粉改性沥青的车辙因子在扫描温度达到85 ℃后依然为2.4 kPa。

（3）经短期老化的沥青在高温等级条件下车辙因子应≥2.2 kPa。SBS改性沥青在经历163 ℃、173 ℃和183 ℃短期老化后，分别在扫描温度为72 ℃、74 ℃和74 ℃时对应的车辙因子达到2.2 kPa，即SBS改性沥青的高温等级为72 ℃。废旧胶粉改性沥青在经历163 ℃、173 ℃和183 ℃的短期老化后，在82 ℃下其车辙因子约为4.5 kPa，仍>2.2 kPa，故废旧胶粉改性沥青的高温等级为82 ℃。因此，废旧胶粉改性沥青高温抗车辙性能优于SBS改性沥青。

4 结语

本文通过动态剪切流变及弯曲梁流变实验，对比废旧胶粉改性沥青與SBS沥青经不同温度高温老化后的流变性能。结果表明：同等老化条件下，相较于SBS沥青，废旧胶粉改性沥青的蠕变劲度较小，低温抗裂性较优，相位角较小，复数模量与车辙因子较大，表现出更多的弹性特质，高温抗车辙性能较好，抗老化性能更优。

[1]文思源.废旧轮胎胶粉改性沥青热老化性能研究[J].公路交通技术，2016，123（2）：34-39.

[2]李宁利，赵新坡，孙吉书，等.老化对橡胶沥青高温流变性能的影响[J].公路，2015，60（2）：165-168.

[3]张 琪.老化条件下温拌胶粉改性沥青流变和微观特性研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2020.

[4]曾 文.不同老化模式下橡胶沥青的高温流变性能研究[J].内蒙古公路与运输，202 185（5）：15-17，25.

[5]杨永强，康秉铎，郭海东，等.活化胶粉/SBS复合改性沥青短期老化性能[J].长安大学学报（自然科学版），202 205（5）：23-33.

[6]李怀玉，张洪刚，袁海涛.不同老化条件对橡胶沥青性能的影响对比研究[J].西部交通科技，2020，152（3）：8-9，31.

[7]Li B，Zhou J，Zhang Z，et al.Effect of Short-Term Aging on Asphalt Modified Using Microwave Activation Crumb Rubber[J].Materials，2019，12（7）：36-37.