胶粉掺量对胶改沥青及其混合料性能影响研究

孙玉浩， 王国清， 王庆凯

(1.河北工业大学，天津　300400;　2.河北省道路结构与材料工程技术研究中心， 河北 石家庄　050091)



胶粉掺量对胶改沥青及其混合料性能影响研究

孙玉浩1， 王国清1， 王庆凯2

(1.河北工业大学，天津300400;2.河北省道路结构与材料工程技术研究中心， 河北 石家庄050091)

为了探究胶粉掺量对胶改沥青及其混合料路用性能的影响，提出35%、50%等高掺量的胶改沥青的制备方法，试验分析了胶粉掺量对胶改沥青性能的影响。采用马歇尔方法设计了胶改沥青混合料，探究其高低温、水稳定性及四点弯曲疲劳性能。借助AMPT，进一步研究了胶粉掺量对混合料动态模量、重复剪切流动、间接拉伸蠕变性能的影响。结论表明，相较于常规沥青混合料，高掺量胶改沥青混合料的高低温性能、水稳性性能优异；高掺量胶改沥青混合料的疲劳性能优异，且随着胶粉掺量增加，胶改沥青混合料疲劳性能提升；胶粉掺量的增加会带来胶改沥青混合料动态模量降低，剪切流动速率降低，-10 ℃蠕变柔度增加。

胶改沥青； 高掺量； 疲劳寿命； 百万次当量应变； 剪切流动速率； 动态模量； 蠕变柔度

0　前言

废旧轮胎胶粉作为改性剂掺入沥青中是一种国际公认的废旧轮胎环保处理方法，其优点在于不但解决了废旧轮胎的环保问题，而且提升了改性沥青的性能。胶改沥青在我国已推广使用多年，在提高路面质量、降低行车噪音、延长路面使用寿命效果等方面效果显著[1-4]。

研究及实践表明[5，6]，胶粉加入不同等级的沥青中，沥青的高温稳定性、低温柔韧性以及低温抗裂变性能等指标都得到明显改善。在不使用外加剂的情况下，仅利用物理互溶的方法制备的胶粉改性沥青胶粉的最佳掺量为20%左右[7，8]，掺量增大则会由于胶粉颗粒过多而不能参与化学反应，进而发生结块、凝团现象，从而降低改性沥青性能。研究发现[9]，通过改进工艺，在沥青中加入添加剂，如硫化剂、增塑剂等，可大大提升胶粉掺量，并有效提升改性沥青性能。随着公路行业的发展，研究胶粉掺量的提高对胶改沥青及其混合料的性能影响具有很高价值。

本文提出加大改性沥青中胶粉掺量的新工艺，制备了掺量为35%、50%的胶改沥青。采用马歇尔方法设计了胶改沥青混合料，并通过高低温性能测试、水稳定性测试及四点弯曲疲劳实验，与普通沥青混合料、SBS改性沥青混合料进行对比。借助AMPT，进一步研究了胶粉掺量对混合料动态模量、重复剪切流动、间接拉伸蠕变性能的影响，讨论高掺量胶粉改性沥青及其混合料路用性能，为相关研究提供参考。

1　原材料及改性沥青制备方法

1.1原材料

原材料包括70#基质沥青、四档不同粒径集料(0～3、3～5、5～10、10～15 mm)，各项技术指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTJF40 — 2004)技术要求的规定。

关于胶粉的选择，有研究表明天然橡胶对沥青性能的改善程度比合成橡胶更好,斜交胎中含有更多的天然橡胶和碳黑、硫磺,可以改善沥青的耐久性、耐磨性、粘性和温度稳定性等，综合经济与性能考虑，选用30目斜交轮胎胶粉。

1.2改性沥青制备方法

按照文献[9]中的方法制备改性沥青如下：

① 将70#基质沥青升温至160～180 ℃

② 投入胶粉、脱硫剂、软化剂至反应釜中，保持反应釜温度不低于180 ℃

③ 使用高速剪切机(BME100LT)将沥青高速剪切10～20 min，使胶粉充分溶解于沥青中，并加入硫化剂和硫化促进剂进行硫化，将化学能、热能与机械能相互合理配置，从而增强胶粉与沥青的化学反应。

④ 剪切完成后，保持温度使其充分发育30～60 min，以达到最好的改性效果。

简要流程如图1所示。

图1　胶粉改性沥青制备流程Figure 1　Produced process of rubber powder modified asphalt

2　结果与讨论

2.1改性沥青性能试验

将制备出的改性沥青进行性能测试，采用针入度、软化点、延度、弹性恢复以及布氏旋转黏度5个指标可以全方位反映改性沥青的主要性能[10]。结果如表1所示，从中可以看出: 随着胶粉掺量的增加，胶粉改性沥青性能变化明显，具体表现为：

① 相比20%掺量胶粉改性沥青，高掺量胶粉改性沥青延度更大，可能原因是加入改性剂后，胶粉颗粒交联程度增大，使线性结构的胶粉分子重新交联成立体网状结构，故延度有一定程度提高。

② 高掺量胶粉改性沥青软化点大幅升高，主要是由于随着胶粉掺量增加，胶粉的溶胀反应加大，改性沥青由溶胶型沥青转变为溶凝胶型沥青，从而性能得到改善，感温性下降。

③ 从表中可以看出，高掺量胶粉改性沥青粘度较大，这是由于胶粉掺量高，沥青中轻质组分被吸收，胶粉颗粒移动困难；改性剂中有硫化剂和硫化促进剂，可以使胶粉分子交联成网状结构，增大了改性沥青粘度。

④ 由于添加剂和沥青中轻质组分挥发，故TFOT后，高掺量胶粉改性沥青质量变化较大。

从沥青胶结料实验结果来看，大掺量胶粉改性沥青性能不同于常用20%掺量的胶粉改性沥青，究其原因，可能有： ①室内试验进行大掺量胶粉改性沥青制备时，尝试了20%、35%、40%、50%等多个掺量，从室内试验结果对比情况来看，当胶粉掺量大于35%后，胶粉沥青会发生相反转，胶粉的性能会大大影响沥青整体性能，也便表现出与常规20%掺量沥青不相同的特点。②另外，当掺量进一步提升时，制作工艺会有所不同，在沥青中添加了多种改性剂、交联剂、增塑剂，会发生更多的化学改性作用，而常规20%掺量的胶粉改性更依赖于物理改性，故宏观上表现为沥青整体性能的不同。

表1 胶粉改性沥青性能Table1 Rubberpowdermodifiedasphaltperformance检验项目20%胶改沥青35%胶改沥青50%胶改沥青延度,5℃/mm针入度/(0.1mm)软化点/℃180℃布氏粘度/(Pa.s)弹性恢复/%TFOT后质量变化/%针入度比/%1220214551676874.588.5*2.44.34.5898577-0.31-0.652-0.718847679 注:*甘油法测量。

2.2胶粉改性沥青混合料设计及性能评价

2.2.1级配类型的选择及混合料组成设计

根据相关资料，制备性能优良的沥青混合料必须满足以下条件：

① 保证主骨架充分嵌挤，从而获得良好的内摩擦力。

② 沥青充分填充骨架空隙，且具有较大的粘结强度。

由于胶粉掺量大，高掺量胶粉改性沥青中有部分游离胶粉颗粒，且经过溶胀作用体积增大，所以混合料中需要足够的空间来容纳胶粉，避免溶胀的胶粉颗粒对混合料粗骨料产生干涉现象(见图2)，故采用间断型级配。参照《废轮胎胶粉沥青及混合料技术标准》，进行级配设计，并根据《路沥青路面施工技术规范》进行马歇尔实验，确定高掺量胶粉改性沥青最佳油石比为6.1%，具体方法不再赘述。同时，选择油石比6.5%作为对比试验。

图2　级配曲线图Figure 2　Grading curve

2.2.2性能评价

路面损毁主要为车辙、低温开裂、水损坏，故从高温性能、低温性能、水稳定性3个方面来评价混合料性能，并且选用常用的SBS改性沥青混合料、70#基质沥青混合料作为对比，如表2所示。表2中4种混合料均为各自最优配比组合，相比之下：

① 2种高掺量胶粉改性沥青混合料的动稳定度均大于常规SBS改性沥青，而在最佳油石比时胶改沥青混合料动稳定度最大，这主要是由于高掺量胶粉改性沥青提高了混合料的粘聚力，故高温性能突出，可以有效应对实际路用情况中的车辙病害。

② 高掺量胶粉改性沥青低温性能良好。改性沥青中胶凝膜可以裹附在集料表面，使集料之间更加紧密。当温度降低时，溶胀的胶粉颗粒会发生收缩，从而吸收一部分能量，缓和混合料的低温开裂。

③ 可以看到油石比6.1%、6.5%的高掺量胶粉改性沥青混合料劈裂强度均大于100%，而且后者大于前者，异于常见改性沥青混合料，其原因有待进一步探究。

表2 性能验证结果Table2 Performanceverificationresults混合料类型油石比动稳定度/(次·mm-1)低温弯曲/με冻融劈裂/%70#基质沥青混合料4.2965128381.2SBS改性沥青混合料4.24492256891.250%掺量胶粉改性沥青6.161413175106.050%掺量胶粉改性沥青6.550004350128.1

2.2.3胶粉改性沥青混合料疲劳性能

沥青路面长期经受车轮荷载作用，使路面结构强度逐渐下降。当其超过一定次数的时候，路面就会出现裂纹，产生疲劳破坏。所以对改性沥青混合料进行四点疲劳实验，从而测试其疲劳性能。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，将轮碾成型沥青混合料板块试件切割成尺寸为380 mm×50 mm×63.5 mm的小梁试件并进行应变控制疲劳试验，实验方案如表3所示。

表3 4点弯曲疲劳试验方案Table3 Four-pointbendingfatiguetest混合料类型试验温度/℃加载波形试验频率/Hz应变水平试验次数20%掺量胶粉改性沥青10偏正弦波10400、500、6006SBS改性沥青10偏正弦波10400、500、600635%/50%掺量胶粉改性沥青10偏正弦波10400、500、6006

在双对数坐标系中，将测试结果绘成图3所示。并根据以往研究[11]可知： 在双对数坐标系下，应变大小与疲劳寿命呈现函数关系，对其进行线性回归，如表4所示。

从图3和表4的结果可以看出: 35%掺量胶改沥青混合料疲劳性能基本上与SBS改性沥青混合料的疲劳性能相当。百万次当量应变值由大到小依次为50%掺量胶粉改性沥青混合料>35%掺量胶粉改性沥青混合料>SBS改性沥青混合料>20%掺量胶粉改性沥青混合料，也即在各自最佳油石比情况下，50%掺量胶粉改性沥青混合料能够承受更大的荷载，适合重交通路面，寿命更长，疲劳性能更好。

图3　双对数坐标下沥青混合料疲劳曲线图Figure 3　　　　Double logarithmic coordinates asphalt mixture fatigue curve

有关实验表明: 胶粉的掺量是决定胶粉改性沥青疲劳性能最主要因素[12]，胶粉改性沥青本身就与有很好的抗疲劳能力，且其粘度大，高掺量下不会发生析漏，沥青膜、胶凝膜厚度高，所以集料与沥青之间更加紧密，形成一体结构抵抗外力。因为其采用了间断型级配，粗骨架结构可以容纳更多的改性沥青，其中经过溶胀作用吸收轻组分的胶粉颗粒体积增大了30%～40%，具有很好的弹性，在受到外荷载循环作用下，可以起到缓震的作用，对路面性能也有很好的改善作用。根据相关研究，沥青混合料的疲劳性能与高温性能往往是矛盾的，但是根据高温性能实验、四点疲劳实验，发现高掺量胶粉改性沥青混合料不仅动稳定度较高，而且百万次应变也最大，即同时具有很好的抗车辙性能与抗疲劳性能。

表4 改性沥青混合料疲劳方程与百万次应变Table4 ResultsofOneMillionEquivalentStrainandFatigueEquation混合料类型应变疲劳方程百万次应变20%掺量沥青混合料y=-7.1155x+24.254,R2=0.9599367.62SBS改性沥青混合料y=-7.1167x+24.701,R2=0.9971424.4235%掺量胶粉改沥青混合料y=-8.0248x+27.137,R2=0.9014430.5750%掺量胶粉改沥青混合料y=-8.0808x+28.176,R2=0.9160555.01

以上试验证明: 在各自合适的级配及油石比情况下，高、低温、水稳定性能及抗疲劳性能均优于常用SBS改性沥青混合料。高掺量胶粉改性沥青混合料有实际路用能力，有大规模推广的潜力。

此外，表4中数据显示，35%掺量和50%掺量胶粉改性沥青混合料疲劳性能不同，因此有必要探究胶粉的掺量对混合料其他路用性能的影响。

2.2.4胶改沥青混合料动态模量

动态模量是模拟汽车动荷载的加速度比较大情况下，路面结构和材料的响应特征，为应力幅度与应变幅度的比值。本实验对高掺量胶粉改性沥青混合料进行了动态模量实验，限于篇幅，仅列出20 ℃及50 ℃条件下实验结果，见图4和图5所示。

图4　频率对动态模量的影响(20 ℃)Figure 4　Frequency influence on dynamic modulus (20 ℃)

图5　频率对动态模量的影响(50 ℃)Figure 5　Frequency influence on dynamic modulus (50 ℃)

从试验结果可以看出: 胶粉改性沥青混合料的动态模量随着加载频率的增加而增大。但是随着荷载频率的增加，其动态模量增大的速率有明显减小的趋势，因为在频率很高时，沥青混合料的粘性已不再明显，主要表现为弹性性质，这时材料本身性质是影响动态模量的主要因素。在同等加载频率作用下，温度越高，动态模量越低，这主要是因为，在温度较高时，沥青混合料主要表现为粘弹性体，因而动态模量会降低。

50%掺量的胶粉改性沥青混合料动态模量始终小于35%掺量的胶粉改性沥青混合料，这是因为掺量越大，改性沥青中游离的胶粉颗粒越多，使得混合料呈现出更多弹性体性质。

2.2.5重复剪切流动性能

重复剪切流动试验是对试件施加重复的剪切荷载，测试其抵抗重复剪切能力，模拟路面车辙的发展过程。荷载波形为半正弦波，施荷时间0.1 s，间歇0.9 s，再依次施加多级荷载，记录每次荷载作用塑性变形εp，主要以重复剪切流动速率来考虑混合料永久变形的发展速率。重复剪切流动速率越大，永久变形发展速率越快，相应的路面上车辙的发展速率可能更快，更容易出现流动。

将两种混合料制备的试件在55 ℃、0.7 MPa偏应力、138 kPa围压作用下进行试验，对结果进行分析，如表5所示。对比剪切流动速率可以看出，50%掺量的混合料抗车辙能力略优于35%掺量。即在相同油石比下，随着胶粉掺量增加，混合料永久变形发展速率减缓，发生流动破坏风险较低。

表5 高掺量胶粉改性沥青混合料重复剪切试验结果Table5 Highcontentrepeatedsheartestresultsofrubberpowdermodifiedasphaltmixture混合料类型试件密度油石比/%剪切流动速率b35%胶粉改性沥青混合料2.4296.10.1752.42550%胶粉改性沥青混合料2.4206.10.1402.426

2.2.6间接拉伸蠕变试验

蠕变柔度是间接拉伸蠕变试验的重要指标，可以用来评价沥青混合料的抗低温开裂能力，-10 ℃蠕变柔度越大，说明在低温情况下混合料越柔，刚度越小，混合料低温缩裂的可能性越小。两种掺量的胶粉沥青混合料低温性能数据见表6所示，从中可以看出: 50%掺量的混合料柔度较35%大，即前者的低温性能要好于后者，这与低温小梁试验结果相吻合。

表6 不同掺量混合料蠕变柔度试件Table6 Differentdosageofmixturecreepcompliancespecimen混合料类型密度/(g·cm-3)油石比/%柔度/(10-3×MPa-1)35%胶粉改性沥青混合料2.4126.10.0372.4022.41450%胶粉改性沥青混合料2.4186.10.0752.402

2.2.7施工和易性问题

对于掺量较高的胶粉改性沥青混合料，施工困难是需要考虑的最大的问题之一。随着胶粉掺量的增加，胶粉改性沥青的布氏粘度增大，最大达4.5，会对施工造成一定程度上的困难。目前拟采用的措施是:

① 从改进施工机械方面和施工工艺下手，可能的方法是实现拌合、摊铺联合机组作业。

② 继续优化改性沥青的制备工艺，选择更加合适的添加剂、降粘剂，在保证其他性能不发生较大改变的情况下，降低粘度。

3　结论

① 胶粉掺量较高时，改性沥青性能变化明显，主要表现为：延度、针入度、粘度增大，软化点升高。

② 相较于SBS改性沥青混合料，50%掺量胶粉改性沥青混合料高、低温及水稳定性较好，冻融劈裂比大于100%，异于常规改性沥青混合料。

③ 35%掺量胶粉改性沥青混合料抗疲劳性能与常规SBS改性沥青混合料相近，相同的疲劳次数下，百万次当量应变值随着胶粉掺量的增加而增大，故较高掺量的胶粉改性沥青混合料抗疲劳性能更好。

④ 高掺量胶粉改性沥青混合料的动态模量随着加载频率的增加而增大，但是当荷载频率超过10 Hz后，其动态模量增大的速度有明显减小的趋势。且温度越高，混合料动态模量越低。35%掺量胶改沥青混合料的动态模量大于50%掺量胶改沥青混合料。

⑤ 在相同油石比下，随着胶粉掺量增加，混合料永久变形发展速率减缓，发生流动破坏风险较小。蠕变柔度增大，低温性能有所提升。

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Effects of Rubber Powder Modifier Contents on Asphalt and Mixture Performance

SUN Yuhao1， WANG Guoqing1, WANG Qingkai2

(1.Hebei University of Technology, Tianjin, 300400, China;2.Hebei Road Structure and Material Engineering Technology Research Center, Shijiazhuang,Hebei 050091, China)

To investigate effects of rubber powder modifier contents on asphalt and mixture performance, two rubber powder modifier contents referred as 35% and 50% were selected and modified asphalt was produced. By means of high and low temperature performance experiments, water stability test, and four-point bending fatigue experiment, the performance of asphalt mixture designed by Marshall method were explored. Based on AMPT, further comparisons were conducted comprising dynamic modulus, repeated shear flow, and indirect tensile creep test. Results show that, high content rubber modified asphalt mixture performs higher mechanics properties, so as fatigue resistant. With rubber modifier content increases, fatigue life and creep compliance at -10 ℃ increase, in reverse dynamic modulus and repeated shearing flow rate decrease.

rubber modified asphalt; high content; fatigue life; one million times equivalent strain; shearing flow rate; dynamic modulus; creep compliance

2016 — 06 — 28

孙玉浩(1992 — )，男，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事橡胶与改性沥青材料研究。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0265 — 05