废胎胶粉和天然胶乳改性沥青的老化和流变性能研究

收稿日期：2024-03-14

作者简介：张贺吉（1988—），男，本科，工程师，研究方向：道路桥梁建设与管理。

（漯河市公路工程建设总公司，河南 漯河 462300）

摘 要：【目的】研究废胎胶粉和天然胶乳改性沥青的耐老化和流变性能。【方法】利用天然橡胶（Natural Rubber，NR）胶乳和废胎胶粉（Crumb Rubber，CR）制备橡胶沥青，通过针入度、软化点、延度和动态剪切流变试验，对比分析基质沥青和橡胶改性沥青老化前后常规性能和流变性能。【结果】结果表明，CR和NR胶乳的加入降低了橡胶沥青的针入度等级，提高了橡胶沥青的软化点和延度。与常规沥青相比，CR掺量高达8%，NR胶乳掺量高达4%时，橡胶沥青的复数模量和抗车辙性能均得到了显著提高。【结论】CR和NR胶乳的加入可提高改性沥青的总体性能，改善沥青路面的耐久性。

关键词：道路工程；废胎胶粉；天然胶乳；改性沥青；老化；流变性能

中图分类号：U414" " "文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）09-0088-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.09.018

Aging and Rheological Properties of Crumb Rubber and Natural Rubber Latex Modified Asphalt

ZHANG Heji

（Luohe Highway Engineering Construction Corporation，Luohe 462300，China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the aging resistance and rheological properties of crumb rubber and natural rubber latex modified asphalt. [Methods] Natural rubber （NR） latex and crumb rubber （CR） were used to prepare rubber asphalt， and the conventional and rheological properties of matrix asphalt and rubber modified asphalt before and after aging were compared and analyzed by penetration， softening point， ductility， and dynamic shear rheological tests. [Findings] The results show that the addition of CR and NR latex reduces the penetration grade of rubber asphalt， and increases the softening point and ductility of rubber powder asphalt. Compared with conventional asphalt， when the CR content reaches 8% or the NR latex content reaches 4%， the complex modulus and anti-rutting performance of rubber asphalt are significantly improved. [Conclusions] The addition of CR and NR latex can improve the overall performance of modified asphalt and improve the durability of asphalt pavement.

Keywords： road engineering; crumb rubber; natural rubber latex; modified asphalt; aging; rheological properties

0 引言

车辙病害是导致沥青路面结构失效的重要因素，为提高路面抗车辙性能，常使用高性能改性沥青［1］。目前，沥青改性剂大多为化工聚合物产品，常规改性剂价格较高。废胎胶粉是由废旧轮胎加工而成的沥青改性剂，可改善沥青高低温性能、耐疲劳性能等综合性能，且实现废旧轮胎资源化循环利用，比常规化工类沥青改性剂更加绿色环保。天然胶乳是一种可再生天然沥青改性剂。近年来，由于天然胶乳长期供大于求，其价格大幅降低，作为沥青改性剂成本显著降低［2］。已有诸多关于废胎胶粉和天然胶乳改性沥青的相关研究。Al-Mansob等［3］对环氧化NR改性沥青的物理性能和流变性能进行了研究。结果表明，随着NR的加入，基质沥青的感温性增强。在高温和中温条件下，沥青的抗车辙性能和抗疲劳性能均得到提高，最佳NR用量为基质沥青质量的6%；Wen等［4］采用NR粉作为沥青的改性剂，研究发现NR提高了改性沥青的黏度和弹性特性，其具有改善车辙和抗疲劳性能的潜力。NR作为沥青改性剂的最佳用量为基质沥青质量的7%；Sani等［5］研究了NR改性沥青的流变性能和微观结构特性，结果表明NR改性沥青的车辙性能较基质沥青改善。谭荷等［6］研究了天然胶乳改性沥青的制备工艺和基本性能。此外还有关于天然橡胶改性沥青黏弹性特征［7］、废胎胶粉改性沥青等方面的相关研究［8-9］。但关于废胎胶粉和天然胶乳改性沥青的相关研究主要集中于两者对沥青的单独改性作用，对比废胎胶粉和天然胶乳改性沥青效果的研究较少。因此，本研究分别制备废胎胶粉和天然胶乳改性沥青，通过针入度、软化点、延度和动态剪切流变试验，对比分析天然橡胶胶乳和胶粉对基质沥青和橡胶改性沥青老化前后常规性能和流变性能的影响，研究废胎胶粉和天然胶乳改性沥青的耐老化和流变性能。

1 材料与试验方法

1.1 材料

本研究采用市售AH-70基质沥青进行制样。采用NR胶乳和CR作为改性剂制备橡胶沥青。使用的CR的颗粒尺寸为0～1.0 mm。

以基质沥青为基准，分别以4%、6%和8%的NR和CR制备橡胶沥青。为获得均匀的橡胶沥青，采用高速剪切混合仪，在160 ℃的混合温度下，以3000 r/min的剪切速率将CR与基质沥青混合0.5 h。将NR胶乳也逐渐加入基质沥青中，然后在较低的剪切速率800 r/min下混合0.5 h，混合温度为160 ℃。最后，将样品小心存放，进行RTFOT短期老化和流变性能测试。

1.2 试验方法

旋转薄膜烘箱（RTFOT）试验和常规性能试验。RTFOT试验参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中的T0610—2011 沥青旋转薄膜加热试验。常规性能试验为针入度、软化点和延度试验，试验方法参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）。

流变性能测试。采用动态剪切流变，平行板直径8 mm，间隙2 mm。试验温度范围在20～40 ℃之间。对所有未老化和RTFOT短期老化后的基质沥青和橡胶沥青进行控制应变模式和标准加载频率为10 rad/s的温度扫描试验。

2 结果与讨论

2.1 常规性质

2.1.1 针入度。基质沥青和橡胶沥青在未老化和短期老化条件下的针入度试验结果如图1所示。与未改性沥青的基质沥青相比，CR和NR改性的橡胶沥青均表现出更低的针入度值。然而，与NR相比，CR在未老化和短期老化下更有效地降低了针入度值。8%的CR使基质沥青针入度等级由80～100提高到50～60，8%的NR使基质沥青针入度等级由80～100提高到60～70。但短期老化后两者针入度均为40～50。这表明CR和NR对橡胶沥青针入度等级有显著影响。这种针入度的降低有利于提高橡胶沥青在中温下的性能，并表明沥青混合料的耐久性和性能会增加。

2.1.2 软化点和延度。CR和NR改性沥青在未老化和短期老化条件下的软化点和延度测试结果如图2所示。所有的橡胶沥青在未老化和老化条件下都表现出比未改性沥青更高的软化点。一方面，这表明CR和NR在沥青改性中的应用可提高沥青软化点。随着CR掺量的继续增加，CR改性沥青的软化点先增加后降低，CR掺量至4%时最大。另一方面，随着NR掺量的增加，NR改性沥青的软化点不断提高。未老化条件下，8%NR的软化点提高幅度最大，达54.8 ℃，而8%CR的软化点为43.7 ℃。8%掺量下，短期老化条件下，CR和NR的软化点分别为47.6 ℃和55.2 ℃。可以看出，CR和NR老化前后的软化点相差不大。

当CR含量增加到6%时，延度值降低。相比之下，NR的加入提高了沥青的延度值，并且随着NR含量的增加延度值也随之增加。这表明NR改性沥青的中温抗变形能力优于CR改性沥青。因此，与CR改性沥青相比，NR改性沥青具有更好的中温抗裂性能。

2.2 流变特性

2.2.1 等时线图。改性沥青复数模量随试验温度的变化如图3所示。可以看出，与未改性沥青相比，橡胶沥青的复数模量增大。同时观察到，与NR相比，CR改性沥青在未老化和老化条件下的复数模量显著增加，而NR改性沥青在未老化沥青中也表现出复数模量的增加，但在老化沥青中降低。这可归因于橡胶与沥青之间良好的化学相互作用。与CR相比，NR改性沥青老化后的复数模量较低，表明NR具有提高沥青抗老化性能的能力。

橡胶沥青复数模量的增加表明，由于CR和NR胶乳的加入，未改性沥青的黏弹性能得到了增强。这提高了橡胶沥青的硬度。这种复数模量的增加可以转化为刚度的增加，进一步增强了抗车辙性能。同时观察到，在高掺量和较高温度下，橡胶沥青的复数模量有较高的增长，这也表明沥青中橡胶含量的增加可以提高沥青的抗永久变形能力。

改性沥青相位角随测试设定的变化如图4所示。由图4可知，所有基质沥青和橡胶沥青的相位角均随着试验温度的升高而增大。与基质沥青相比，橡胶沥青具有较低的相位角。此外，与CR改性沥青相比，NR改性沥青在短期老化前后具有较低的相位角，这可归因于NR的特殊性质。这表明CR或NR橡胶的加入显著降低了改性沥青的相位角，使改性沥青弹性的增强。这种胶化沥青相位角的降低也表明，中温下胶化沥青黏弹性特性的改善可提升其性能。

2.2.2 抗车辙性能。根据Superpave规范，采用车辙因子（G*/sinδ）来预测未改性和橡胶沥青的抗车辙性能。Superpave规范对车辙因子的最低要求为：未老化沥青G*/sinδ≥1 kPa，短期老化沥青G*/sinδ≥2.2 kPa。改性沥青车辙因子随试验温度变化如图5所示。与基质沥青相比，CR改性沥青和NR改性沥青均具有较高的车辙因子。这可能是由于它们的高相容性以及橡胶在沥青基体中的相互作用。与NR改性沥青的车辙因子相比，CR改性沥青在未老化和老化条件下的车辙因子显著增加。这表明用CR改性的橡胶沥青具有更高的抗永久变形能力。

所有掺加CR和NR的改性沥青老化前G*/sinδ≥1kPa，老化后G*/sinδ≥2.2 kPa，在未老化和老化条件下均满足Superpave对车辙因子的要求。与CR改性沥青相比，老化后NR改性沥青的车辙因子更低，表明NR改性沥青具有更好的抗老化性能。

3 结论

本研究采用CR和NR胶乳作为沥青改性剂，评价了改性沥青的常规性能和流变性能，结论如下。

①在基质沥青中加入CR和NR会造成胶化沥青针入度值的降低和软化点的升高。此外，沥青的延度随着CR的加入而减小，随着NR的加入而增大。沥青硬度增强，CR和NR的加入改善了沥青在不同温度下的黏弹特性。

②CR改性沥青和基质沥青相比，NR改性沥青老化敏感性较低。CR改性沥青的抗车辙性能随CR掺量的增加而提高，而NR改性沥青的抗车辙性能随NR掺量的增加先提高后降低，在NR掺量为4%时达到最大值。

③与常规沥青相比，CR和NR胶乳的加入可提高改性沥青的总体性能，改善沥青路面的耐久性。

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