橡胶改性沥青储存稳定性试验研究

何 亮 黄晓明 马 育 庄大新 马 涛

(1东南大学交通学院，南京210096)(2重庆交通大学理学院，重庆400074)

废轮胎橡胶沥青以其良好的耐温变性能、抗疲劳和抗滑性能、降低路面噪音和筑路成本以及废物循环利用的优势受到筑路界的高度关注;但是橡胶沥青的高黏度、易离析和高温储存稳定性差等特性仍然对施工造成很大的限制，制约着橡胶沥青路用技术的发展［1-3］.为了解决以上难题，人们尝试从改善沥青与橡胶粉的相容性入手用胶粉脱硫等方法制备稳定型橡胶沥青.文献［4-5］用微观分析证明了脱硫橡胶粉对橡胶沥青相容性和稳定性的改善;文献［6］用橡胶沥青加脱硫剂的方法制得脱硫橡胶沥青，发现其在胶粉掺量较高时储存稳定性会得到改善;文献［7］直接用脱硫胶粉制得脱硫橡胶沥青，发现胶粉目数超过40目时储存稳定性反而不好.但是对脱硫橡胶沥青储存性能变化规律的研究很少.

从研究方法来看，规范上只用了离析试验来评价改性沥青储存稳定性［8］;文献［9］指出，需要开发新的仪器来测量改性沥青的存储稳定性，以分析160～180℃高温范围内长时间存储和机械搅拌等因素的影响;文献［10］提出一种溶解度方法评价橡胶沥青的储存稳定性.

综合借鉴以上研究，本文制作了脱硫橡胶沥青与普通橡胶沥青，分别研究了其静态储存与加机械搅拌2种情况，分析了在不同储存时间和不同储存温度下两者的性能变化，并用测力延度试验评价了2种橡胶沥青热储存过程中低温力学性能变化.

1 试验概况

1.1 试验材料

基质沥青为70号A级道路石油沥青(中国石油化工总公司);脱硫橡胶粒约5目(福建省金泉建设集团有限公司)，比普通橡胶粉松软而富有弹性，如图1(a)所示;普通橡胶粉为常温研磨法生产的废胎胶粉，40目(福建省金泉建设集团有限公司)，如图1(b)所示.

图1 橡胶颗粒外形

1.2 橡胶沥青制备与主要技术指标

橡胶沥青制备采用湿法工艺，将相同2份基质沥青加热到180～185℃，分别加入20%的普通橡胶粉(外掺)和20%脱硫橡胶粒(外掺)，各自均采用高速剪切机进行搅拌，速度为1 000 r/min，反应时间为60 min.制得橡胶沥青如图2所示，主要技术指标如表1所示.

普通橡胶沥青(AR)表面较粗糙有明显颗粒凸起，其性能指标均满足ASTM橡胶沥青技术标准(D 6114—97);脱硫橡胶沥青(DRA)表面较光滑，未发现原始橡胶颗粒存在，除黏度很低外其他指标均满足要求，表明脱硫橡胶沥青有极好的施工和易性.

图2 本文方法制备的橡胶沥青

表1 橡胶沥青测试结果

1.3 橡胶沥青中橡胶颗粒的变化

由于胶粉粒径对橡胶沥青的性能产生影响［7，11］，而本文所用胶粉不同，粒径也不同，为了排除橡胶粒径的影响，考虑到脱硫胶较普通废胶粉软，较易于切碎，本文采用了高速剪切工艺制备橡胶沥青.剪切后的橡胶颗粒通过相应的橡胶沥青经溶剂洗脱后获得.

图3 橡胶沥青中洗脱出来的橡胶颗粒

图3是用本文方法制备的橡胶沥青经溶剂洗脱得到的橡胶颗粒照片图.由图3看出，尽管脱硫橡胶粉的原始颗粒粒径较大，但经高速剪切制备工艺后，脱硫橡胶沥青中的胶粉粒径却明显小于普通废胶粉粒径.这是因为脱硫橡胶较软，较容易剪碎;而普通废橡胶较硬，经剪切后粒度变化较小.因此，脱硫胶粉的较大粒径不会在2种橡胶沥青性能的比较中产生不利影响.

图3也说明，脱硫橡胶粒在沥青里大多分散成无定形的细小物质，而普通橡胶沥青溶胀后仍然保持其原有的颗粒核心.

1.4 性能测试

1)静态储存的稳定性试验 将制备的样品放入长14 cm，直径2.5 cm的铝管中，在163℃下直立放置不同的时间，或在不同的温度下放置48 h，然后把试管分成上、中、下3段，测试管中上、下2段样品软化点与70℃车辙因子之差.

2)机械搅拌的稳定性试验 将制备的样品放入高11 cm，直径9 cm的不锈钢杯中(半杯)，在163℃下放置不同的时间，或在不同的温度下放置48 h，然后将不锈钢杯中样品加热到180℃用搅拌器搅拌5 min使其完全均匀，测试样品的针入度、软化点、弹性恢复和黏度的前后变化情况.

3)低温力学性能稳定性试验 采用测力延度试验方法测试不同储存条件下2种橡胶沥青低温时在外力作用下的应力-应变关系，评价热储存过程中其低温抗开裂性能的变化情况.样品制作与性能稳定性试验相同.

2 试验结果分析

2.1 橡胶沥青静态储存稳定性分析

2.1.1 储存时间对橡胶沥青离析的影响

将普通橡胶沥青和脱硫橡胶沥青各自放入铝管中，在163℃下分别放置6，12，24和48 h，上、下2段样品的软化点差及70℃车辙因子差如图4所示.由图4看出，随着储存时间的增加普通橡胶沥青与脱硫橡胶沥青的软化点差值及70℃车辙因子差值都逐渐增大，但脱硫橡胶沥青的差值远大于普通橡胶沥青，说明在该温度下，脱硫橡胶沥青的离析情况要严重得多.这与文献［7，11］的研究结果相同，橡胶沥青中胶粉尺寸超过40目后颗粒越小，越不易稳定.这是由于胶粉粒径减小，表面积增大，与沥青的接触面积也相应增大，胶粉粒子很容易吸收沥青中轻组分而溶胀，在温度升高时，溶胀的细微橡胶颗粒很容易流动变形，产生离析.

图4 储存时间对橡胶沥青稳定性影响

图4中还发现，脱硫橡胶沥青和普通橡胶沥青在储存12 h后软化点差和车辙因子差都基本趋于稳定，说明此时离析已经到了一个平衡状态.

2.1.2 储存温度对橡胶沥青离析的影响

图5 储存温度对橡胶沥青稳定性影响

将普通橡胶沥青和脱硫橡胶沥青各自放入铝管中在 140，150，163，170，180 ℃下分别放置48 h，上、下两段样品的软化点差与70℃车辙因子差如图5所示.由图5可见，脱硫橡胶沥青的软化点差和70℃车辙因子差在所有试验温度下均比普通橡胶沥青的大得多.但脱硫橡胶沥青的软化点差随温度的变化较小;普通橡胶沥青的软化点差和车辙因子差在140～150℃之间较小，超过150℃后随温度升高而增大，163℃时软化点差已超过聚合物改性沥青技术要求2.5℃.2种橡胶沥青的车辙因子差在140～163℃之间随温度升高而增加，163℃以后则趋于稳定.

以上试验结果分析表明，在静态储存的离析实验中脱硫橡胶沥青的稳定性远不如普通橡胶沥青.

2.2 考虑机械搅拌的橡胶沥青稳定性分析

2.2.1 储存时间对橡胶沥青性能稳定性的影响

将普通橡胶沥青和脱硫橡胶沥青各自放入不锈钢杯中，在 163 ℃下分别放置 6，12，24，48 h，然后搅拌均匀，得到的针入度、软化点、弹性恢复和黏度如表2所示.

表2 储存时间对橡胶沥青稳定性的影响

表2数据表明:2种橡胶沥青在163℃，48 h以内储存，除了黏度外其他指标都能满足技术要求.随着储存时间的增长，2种橡胶沥青的25℃针入度都逐渐增加，但普通橡胶沥青的增长幅度更大;2种橡胶沥青的软化点都无明显变化;2种橡胶沥青的弹性恢复都是先减小后增大，并且储存48 h时各自的增减量都相同，均为4%;2种橡胶沥青的175℃黏度都随储存时间的延长而逐渐减小，这可能是由于橡胶沥青在高温下降解，分子量降低所造成.脱硫橡胶沥青的黏度衰减幅度比普通橡胶沥青要小很多，可能是因为脱硫橡胶与沥青之间产生的化学结合，部分抵消了橡胶沥青分子量的降低.

2.2.2 储存温度对橡胶沥青性能稳定性的影响

将普通橡胶沥青和脱硫橡胶沥青各自放入不锈钢杯中，在 140，150，163，170，180 ℃下分别放置48 h，然后搅拌均匀，得到的针入度、软化点、弹性恢复和黏度如表3所示.

表3 储存温度对橡胶沥青稳定性的影响

由表3可知，2种橡胶沥青在储存过程中除黏度外都满足技术要求.随着储存温度的增加，2种橡胶沥青的25℃针入度都逐渐增加，但脱硫橡胶沥青的增长幅度较小;温度超过150℃以后2种橡胶沥青的软化点随贮存温度升高均略有降低;普通橡胶沥青的弹性恢复变化不大，而脱硫橡胶沥青弹性恢复逐渐增加;2种橡胶沥青的黏度都逐渐减小，但普通橡胶沥青的黏度减小幅度很大，而且在170℃变化开始明显.

以上试验结果分析表明在考虑机械搅拌的储存条件下脱硫橡胶沥青具有更好的性能稳定性.

2.3 橡胶沥青低温力学性能分析

将橡胶沥青性能稳定性试验中的样品在5℃进行测力延度试验，结果如图6所示.

由图6可知，无论是变化储存温度还是变化储存时间，普通橡胶沥青在拉力达到最大后的下降过程中都有很长一段的稳定过程，而脱硫橡胶沥青都没有.这可能是因为普通橡胶沥青中存在的橡胶颗粒核心独立发挥了加筋作用.在经历了低温沥青初期的弹性变形阶段后发挥了自身良好的韧性抗变形作用，脱硫橡胶沥青由于没有明显的橡胶颗粒核心只能整体发挥抗变形能力.下面重点分析测力延度实验的3个重要指标:曲线达到顶点的最大拉力(表征沥青的拉伸屈服力)、曲线断裂时的最大拉伸延度(表征沥青的拉伸延展度)和曲线包围的面积W(表征沥青的总拉伸功或黏韧性)［12］.

对比图6(a)和(b)可知，随着储存温度的增加，2种橡胶沥青的最大拉力均不断减小，普通橡胶沥青的最大拉伸延度不断增大，脱硫橡胶沥青最大拉伸延度总体增大，180℃稍有回落.在图6(c)和(d)中，随着储存时间的增加，2种橡胶沥青的最大拉伸延度都是先增大后减小，普通橡胶沥青的最大拉力不断减小，脱硫橡胶沥青的最大拉力是先增大后减小但幅度变化不大.这说明储存温度对2种橡胶沥青的低温拉伸屈服力和拉伸延展度的影响趋势基本相同，而储存时间的影响趋势则不尽相同.

图6 橡胶沥青测力延度图谱

将图6中的曲线用Origin软件积分，得到曲线包围的面积W，即总拉伸功如图7所示.从图7(a)可以看出，相同温度下随着储存时间的增加，普通橡胶沥青的总拉伸功先增大后减小，脱硫橡胶沥青总拉伸功逐渐增大且变化幅度远小于普通橡胶沥青;图7(b)中随着储存温度的增加2种橡胶沥青总拉伸功都不断减小，但普通橡胶沥青的变化值比脱硫橡胶沥青大.这也进一步说明了脱硫橡胶沥青的性能稳定性较好.

图7 橡胶沥青测力延度总拉伸功

3 结论

1)制备出了符合技术指标的普通橡胶沥青和低黏度其他满足技术标准指标的脱硫橡胶沥青，该脱硫沥青有极好的施工和易性.

2)经过高速剪切工艺，大颗粒的脱硫橡胶已被剪碎成无定形细小物质，其胶粉颗粒大小在2种橡胶沥青的性能比较中不产生影响;而普通橡胶粉的粒度剪切前后变化较小，仍然保持其原有的颗粒核心.

3)经高温静态储存后，脱硫橡胶沥青更易离析，其稳定性远不如普通橡胶沥青，如需储存，则使用前需搅拌均匀.

4)热储存橡胶沥青经机械搅拌混匀后，脱硫橡胶沥青的性能稳定性优于普通橡胶沥青.

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