废胶粉改性沥青高温性能和储存稳定性的研究

李国峰，陆江银，曹敏娜

（新疆大学石油天然气精细化工教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046）

随着交通量的迅速增长，对沥青性能提出了更高的要求，沥青原有的性能不能完全适应高等级公路的要求[1]。胶粉改性沥青具有良好的高低温性能、抗老化性能、抗疲劳性能、冬季柔性等[2]。

通常用软化点来衡量沥青材料的温度稳定性能，软化点的值与表示路面发软变形的程度相关联，通常认为，软化点高，热稳定性好，抗高温永久变形能力强。聚合物改性沥青的存储稳定性是指其在生产、存储和使用过程中不发生聚合物离析或降解的性质。胶粉改性沥青在高温液态存储过程中，由于胶粉的密度大于沥青的密度，在重力的作用下，沥青相中原来均匀分布的胶粉就会发生沉降离析现象。通常聚合物改性沥青的存储稳定性主要是由聚合物和沥青的相容性决定的，相容性越好，聚合物改性沥青越稳定[3]。

废胶粉改性沥青性能的影响因素主要体现在三方面，（1）原料基质沥青类型和胶粉的种类及掺加2量；（2）工艺条件反应温度、反应时间、剪切速率、发育方式、发育时间等；（3）添加剂，添加剂又可分为调和型和化学型两类，调和型一般仅能改变沥青的化学组分比例，化学型则能在沥青和聚合物间发生化学反应[4]。

在用废胶粉改性沥青工艺过程中，虽然影响改性沥青性能的主要因素变化趋势相似，但不同的基质沥青所选用的具体工艺条件却不同。本文研究了胶粉掺加量、工艺条件和添加剂对改性沥青的高温性能和储存稳定性的影响，同时确定了克拉玛依石化AH-110号沥青用胶粉改性的最佳工艺条件。

1 实验部分

1.1 主要原料

胶粉40目，武汉合得利有限公司产品；基质沥青，克拉玛依石化AH-110号沥青；TOR，南京杭廷商贸有限公司；多聚磷酸PPA，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 试样制备

基质沥青加热到175 ℃以上，将称取的胶粉和TOR依次缓慢徐徐加入沥青中，混合物料保持180℃搅拌溶胀，之后加入活化剂继续搅拌，然后将混合物料剪切，剪切速率为7 000 r/min，在搅拌发育前加入稳定剂，保持一定温度搅拌发育1.5 h，最后灌模。

1.3 性能测试

改性沥青的储存稳定性能依据我国交通部《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0661-2000改性沥青离析试验方法来测定：离析试验的上下部软化点差用来评价改性沥青的储存稳定性，差值越小稳定性越好，当此值绝对值≤2.5 ℃时，认为储存稳定性合格。软化点反映沥青高温使用条件下性能，用T0606-2000沥青软化点试验进行测定。

2 结果与讨论

2.1 废胶粉用量对胶粉改性沥青性能的影响

2.1.1 废胶粉用量对改性沥青软化点的影响

由图1、2所示:随着胶粉掺加量的增大，改性沥青的软化点增大，但增加的幅度逐渐降低；改性沥青软化点差随着胶粉掺加量的增加而增大，但增大幅度呈下降趋势，当胶粉加入量大于20%后，就趋于不变。

图1 废胶粉用量对改性沥青软化点的影响Fig.1 The influence of mixing amount of crumb rubber on the softening point of modified asphalt

2.1.2 废胶粉用量对改性沥青软化点差的影响

较小的胶粉掺量在沥青中易于分散，且能更好的与沥青相互作用。随着胶粉掺量的增加，胶粉与沥青的相容结合达到一种饱和状态，再增加胶粉掺量，改性效应减弱[5]，软化点增幅程度降低，并且超过饱和状态后部分胶粉在沥青中会形成胶粉团，胶粉颗粒不能充分与沥青作用从而降低了改性沥青的储存稳定性能。可知掺量过大，不但对软化点没有明显提高作用，还会使橡胶沥青的粘度增大，不利于泵送、铺路。在此条件下，胶粉改性沥青合适的掺配比例应控制在15%～20%之间。

图2 废胶粉用量对改性沥青软化点差的影响Fig. 2 The influence of mixing amount of crumb rubber on difference between softening points of modified asphalt

2.2 溶胀时间对胶粉改性沥青性能的影响

2.2.1 溶胀时间对胶粉改性沥青软化点的影响

由图3知，溶胀时间对软化点的影响趋势为先升后降，然后趋于平衡。溶胀时间为2 h时，软化点达到峰值。

图3 溶胀时间对改性沥青软化点的影响Fig.3 The influence of swelling time on the softening point of modified asphalt

2.2.2 溶胀时间对胶粉改性沥青软化点差的影响

由图4知，溶胀时间对于软化点差的影响趋势则是先大幅度下降，然后趋于平衡，溶胀时间为3 h时软化点差达最低值。一般来说溶胀时间越长，改性剂胶粉的熔融性越好，在沥青中分散的越均匀，利于两相融合，但是时间过长会影响生产效率，提高成本。在胶粉与沥青的溶胀过程中，溶胀时间为2 h时，有利于发挥胶粉改性沥青的高温性能，溶胀2 h后，胶粉进一步吸收基质沥青中轻组分，使胶粉和沥青的相容性得到进一步改善，增加了胶粉脱硫降解的程度，溶胀时间3 h，胶粉近于溶胀平衡。该试验条件下的最佳溶胀时间为2~3 h。

图4 溶胀时间对改性沥青软化点差的影响Fig.4 The influence of swelling time on difference between softening points of modified asphalt

2.3 剪切时间对胶粉改性沥青性能的影响

2.3.1 剪切时间对胶粉改性沥青软化点的影响

由图5知，随剪切时间增加，改性沥青软化点先增大后降低，在1.5 h处达峰值60.5 ℃。

图5 剪切时间对改性沥青软化点的影响Fig. 5 The influence of shear time on the softening point of modified asphalt

2.3.2 剪切时间对胶粉改性沥青软化点差的影响

由图6知，改性沥青软化点差随剪切时间的延长而降低，在1.5 h后略有升高，趋于平衡状态。其原因是在剪切过程中，胶粉部分脱硫和降解，一定程度上打破网络结构，胶粉和沥青进一步相互作用，故软化点呈上升趋势，软化点差呈下降趋势，在1.5 h时，体系处于平衡状态，继续剪切，胶粉则会出现过度脱硫降解，此外长时间高温会使沥青老化。剪切时间太短，胶粉与沥青混合不均匀，但剪切时间过长，胶粉会过度脱硫降解，沥青也会老化，会降低沥青的使用性能。在该条件下，适宜的剪切时间为1.5 h。

图6 剪切时间对改性沥青软化点差的影响Fig. 6 The influence of shear time on difference between softening points of modified asphalt

2.4 剪切温度对胶粉改性沥青性能的影响

2.4.1 剪切温度对改性沥青软化点的影响

由图7知，随着温度的升高，改性沥青的软化点先增大后降低，在185 ℃达最大值56.7 ℃。

图7 剪切温度对改性沥青软化点的影响Fig.7 The influence of shear temperature on the softening point of modified asphalt

2.4.2 剪切温度对胶粉改性沥青软化点差的影响

图8 剪切温度对改性沥青软化点差的影响Fig. 8 The influence of shear temperature on difference between softening points of modified asphalt

由图8知，当温度大于185 ℃后，软化点差随温度的升高而降低，同软化点随剪切温度的变化一致，185 ℃是转折温度。说明在低于185 ℃，胶粉和沥青的相互作用随温度的升高而相互增强。高于185 ℃后，随着温度升高，一方面，胶粉发生了更多的脱硫降解反应，物质网络由于橡胶与炭黑微粒分开而变松，胶粉中橡胶的抗拉强度和高弹性能就会降低，橡胶沥青的软化点就会降低，但更多脱硫降解导致较高的溶胀速率和溶胀程度，储存稳定性能得以提高；另一方面，在较高的剪切温度下会发生老化会使软化点降低。综合改性沥青的高温性能和储存稳定性，剪切温度选定在 186～189 ℃较为合适。

2.5 剪切速率对改性沥青性能的影响

2.5.1 剪切速率对胶粉改性沥青软化点的影响

由图9知，软化点随剪切速率的增加先降低，后达到平衡，10 000 r/min达到最小值56.3 ℃。由图10知，离析软化点差随剪切速率的增加而降低，10 000 r/min后降的幅度变大。同图9一致，10 000 r/min是个转折点。因为转速大于10 000 r/min后，沥青在机械剪切、挤压作用下，局部温度上升过快，剪切过程温度不易控制，故剪切速率不建议超出10 000 r/min。

图9 剪切速率对改性沥青软化点的影响Fig. 9 The influence of shear rate on the softening point of modified asphalt

图10 剪切速率对改性沥青软化点差的影响Fig.10 The influence of shear rate on difference between softening points of modified asphalt

2.5.2 剪切速率对胶粉改性沥青软化点差的影响

从图9、10中的数据看出，剪切速率大于7 000 r/min后，对改性效果没有很明显的改善。因此，剪切速率为7 000～8 000 r/min即可。

2.6 添加剂对改性沥青体系的影响

TOR（VESTENAMER）白色颗粒，是一种辛烯聚合物橡胶反应剂。这种反应剂是一种具有双键结构的聚合物，它可以将硬沥青质和软沥青质中的硫与橡胶粉表面的硫交联起来形成一大片环状物和链状聚合物组成的网状结构[6-8]。

PPA是化学改性有效而又经济的添加剂，它能改善沥青的高温性能和粘弹性，PPA和沥青中许多官能团反应，它打破沥青质聚集体，使沥青质较好的分散在软沥青质相中[6,7]。

2.6.1 TOR对改性沥青高温性能和储存稳定性影响

从图11可以看出，在软化点方面，TOR橡胶沥青和不加TOR橡胶沥青的数据相比，前者较后者略高，但基本上处于同一水平，说明TOR能够提高橡胶沥青高温性能，但对高温性能的改善程度不大。

图11 TORTOR对改性沥青的软化点和软化点差的影响Fig.11 The influence of TOR on the softening point and difference between softening points of modifiedA—不加TOR; B—加TOR asphalt

在软化点差方面，可以看出，TOR橡胶沥青的软化点差是8.1 ℃，比不加TOR橡胶沥青低2.1 ℃。表明 TOR加入对橡胶沥青的高温储存稳定性能有一定的改善。

2.6.2 PPA对改性沥青高温性能和储存稳定性能的影响

图12 PPA对改性沥青性软化点和软化点差的影响Fig.12 The influence of PPA on the softening point and difference between softening points of modified asphaltA—不加TOR; B—加TOR

从图12可以看出在软化点方面，加入PPA橡胶沥青和不加PPA橡胶沥青的数据相比，前者较后者略高，说明PPA能够提高橡胶沥青高温性能，在路面使用温度范围内具有较好的抗车辙能力。在软化点差方面，加入PPA橡胶沥青比常规橡胶沥青的值低，表明PPA的加入可改善橡胶沥青的高温储存稳定性能。

2.7 基质沥青对改性沥青高温性能和储存稳定性的影响

作为橡胶沥青的主要原料，基质沥青从多方面影响被改性后的性能。沥青的性质取决于原油的性质和生产加工工艺，不同来源的沥青会有一定的性质差异。在此对比了克拉玛依石化AH-110沥青和塔河石化AH-110沥青在用胶粉改性后的性能差异。

图13 不同基质沥青对改性沥青软化点和软化点差影响Fig.13 The influence of different matrix asphalts on the softening point and difference between softening points of modified asphaltA—克拉玛依石化AH-110改性沥青; B—塔河石化AH-110改性沥青

由图13知，塔河石化沥青改性后的软化点远远高于克拉玛依石化改性沥青改性后的软化点，知塔河石化沥青改性的粘度远高于克拉玛依石化的沥青改性；塔河石化沥青改性的离析软化点差也明显低于克拉玛依石化改性沥青，其值为 0.3 ℃＜2.5 ℃合格，高温储存稳定。说明塔河石化沥青比克拉玛依石化沥青容易改性，就高温性能和高温储存稳定性而言可制备出合格的产品。基质沥青类型对改性后沥青的性能有重要的影响。

3 结 论

（1）胶粉掺加量对改性沥青的高温性能和储存稳定性有重要影响，适宜的胶粉掺量为沥青质量的15~20%。

（2）工艺条件对胶粉改性沥青的高温性能和储存稳定性有一定的影响，适宜的溶胀时间2~3 h，剪切时间1.5 h，剪切温度186~189 ℃，剪切速率7 000~8 000 r/min。

（3）使用添加剂TOR和多聚磷酸PPA，都可不同程度改善胶粉改性沥青的高温性能和储存稳定性。

（4）基质沥青的类型对胶粉改性沥青的性能有决定性的影响。

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