废旧橡胶粉掺量对改性沥青路用性能的影响

韩　君，于晓飞，周德洪

(1 江苏宝利国际投资股份有限公司，江苏江阴 214422；2 上海交通大学 化学与化工学院，上海 200240)



废旧橡胶粉掺量对改性沥青路用性能的影响

韩君1，于晓飞2，周德洪1

(1 江苏宝利国际投资股份有限公司，江苏江阴 214422；2 上海交通大学 化学与化工学院，上海 200240)

采用废旧橡胶粉制备改性沥青，通过测试废旧橡胶粉改性沥青的路用性能指标研究橡胶粉的掺量对改性沥青各项性能的影响。结果表明，废旧橡胶粉能显著提高基质沥青的高温性能、改善其低温性能和温度敏感性，当废旧橡胶粉掺量为质量分数15%时改性沥青的综合性能最优。

废旧橡胶粉，改性沥青，路用性能

随着能源、资源和环保对经济发展压力的增大，发展循环经济的理念越来越被重视。作为世界橡胶消费和橡胶进口的大国，我国的废旧轮胎产量也位居世界前列，因此由废旧轮胎所造成的环境污染与资源浪费问题等日渐凸显[1]。2013年我国的废旧轮胎产量为1080万t，并以每年约6%的速度增长，预计到2020年废旧橡胶产量将达到2000万t[2-3]。因此，如何有效利用数量巨大的废旧橡胶、治理环境污染是全社会都应重视解决的大问题。将废旧橡胶应用于道路工程中是处理大量废旧橡胶制品的较佳选择，也是全球解决废旧橡胶污染的有效途径之一[4-5]。本文将不同质量分数的橡胶粉加入到基质沥青中，分别测定不同橡胶粉掺量下改性沥青的各种性能指标，并综合考虑给出较适宜的橡胶粉掺量。

1　试验部分

1.1原材料

废旧橡胶粉是指已经硫化交联的橡胶，其主要来源是废轮胎。从微观形貌分析其胶粉颗粒仍然保持着网状交联结构，交联点之间还保持着较长的柔性链段，同时还含有填料和防老剂等化学成分[6-9]。本文考虑到橡胶粉特性以及推广成本，拟采用40～80目的细碎橡胶粉颗粒来进行改性试验。

橡胶粉改性沥青的性质与基质沥青的各项指标有着密切关系。基质沥青的性质决定并影响橡胶粉改性沥青的配伍性或相容性。因此基质沥青标号的选择要结合沥青路面使用温度而定。本文选用韩国双龙70#沥青作为基质沥青进行废旧聚合物改性沥青性能的研究。

1.2废旧橡胶粉改性沥青的制备

废旧橡胶粉改性沥青的制备工艺参数主要包括废旧橡胶粉的烘干温度、烘干时间、基质沥青加热温度、搅拌速率、搅拌时间五个方面。结合国内外沥青改性经验及废旧橡胶粉性质，确定废旧橡胶粉的烘干温度为110℃，烘干时间为2h～3h，基质沥青加热温度为160℃，高速剪切速率为6000r/min，搅拌时间为150min。

2　结果与讨论

2.1废旧橡胶粉改性沥青的高温性能

图1是软化点与胶粉掺量的关系，从图中可以看出，废旧橡胶粉改性沥青的软化点随着橡胶粉的掺量增加而增大，胶粉掺量为5%时，软化点从49.5℃升高到51.5℃，胶粉掺量为10%时，软化点升至52.5℃升高速率有所减缓。当橡胶粉掺量在10%～15%时，改性沥青的软化点随胶粉含量的变化最为明显；当橡胶粉含量超过15%后，改性沥青软化点的升高幅度减缓，橡胶粉掺量为20%时，与基质沥青相比，其软化点提高了21.2%，高温性能得到很大改善。

图1　软化点与胶粉掺量的关系

图2是当量软化点T800与橡胶粉掺量的关系图，从图中可以看出，随着橡胶粉掺量的增加，橡胶粉改性沥青的当量软化点显著增加，当掺量为10%时，T800由基质沥青的47.1℃增加到了51.2℃，当掺量达到20%时，其当量软化点较基质沥青提高了11.7%，沥青的高温性能得到了很大的提高。在橡胶粉掺量低于15%时，T800随橡胶粉用量的增加而增大的速率相对较大；当橡胶粉用量超过15%后，T800递增速率显著下降，这表明过多的胶粉用量对沥青的高温改善作用不再有明显的提高。

图2　T800与橡胶粉掺量的关系

2.2废旧橡胶粉改性沥青的低温性能

图3是延度与橡胶粉掺量的关系图，从图中可以看出，基质沥青的低温延度值仅为3.3cm，几乎为脆性断裂，其低温性能较差。随着橡胶粉掺量的增加，胶粉改性沥青的低温性能明显提高。当胶粉掺量大于5%时，胶粉沥青的延度急剧增大；当废旧橡胶粉掺量为10%时，其低温延度值为7.4cm；当胶粉掺量增至15%时，其低温延度值也随之增加到9.5cm，约是基质沥青的低温延度值两倍；当掺量大于15%时，延度值上升趋势减缓。分析认为，这是因为废旧胶粉颗粒与沥青中的胶质结合在一起形成的分散质，在适当的温度下搅拌，可使其与沥青质界面充分结合，同时促进分散质进一步均匀混合。当橡胶粉掺量大于的15%时，橡胶粉颗粒数量接近饱和，在分散质中便形成胶粉小团粒，而多余的橡胶粉小团粒的内部橡胶粉粒子之间几乎没有结合力，与沥青界面不能充分结合或接触，对沥青的粘结性不起作用；当这种小团粒增多时反而会使沥青的延度下降，过多的胶粉掺量对低温抗裂能力无益。当掺量为20%时，延度值较掺量为15%时变化量很小，说明当橡胶粉掺量过多时对改性沥青的低温性能并无明显的改善效果。

图3　延度与橡胶粉掺量的关系

图4是T1.2与胶粉掺量的关系图，由图中可以看出，随着橡胶粉掺量的增加，废旧橡胶粉改性沥青的当量脆点有所降低，表明沥青的低温性能得到显著改善。在0～10%的胶粉掺量时，当量脆点随胶粉掺量的增加呈下降趋势，胶粉掺量增至10%时，当量脆点达到最低值-11.5℃。当胶粉掺量在10%～15%时，改性沥青的当量脆点呈增长趋势，当掺量大于15%后，其当量脆点不再变化。当胶粉掺量达到20%时，改性沥青的当量脆点为-10.2℃，较基质沥青的-9.4℃还是有一定的改善作用。

图4　T1.2与胶粉掺量的关系

2.3废旧橡胶粉改性沥青的温度敏感性

本文采用针入度指数PI来评价改性沥青的温度敏感性。对不同温度条件下测试的针入度值取对数，令y=lgP，x=T，按式(1)进行y=a+bx的直线回归，求取针入度温度指数AlgPen。

lgP=K+AlgPen×T

(1)

式中：T—不同试验温度，相应温度下的针入度为P；K—回归方程的常数项a；AlgPen—回归方程系数b。

按式(1)进行回归计算时必须进行相关性检验，当温度条件为3时，直线回归相关系数R不得小于0.997(置信度95%)，否则试验无效。然后，确定沥青的针入度指数PI，并记为PIlgPen。用已测得改性沥青针入度值计算得到生物PI值结果如表1所示。

表1　橡胶粉改性沥青的针入度与针入度指数

从表1可以看出，沥青经橡胶粉改性后，针入度指数有很大的提高，加入5%的橡胶粉，基质沥青的PI值由-1.42875增加到-1.04478，增加了近30%，但还不满足PI值在-1～+1范围的要求。当橡胶粉掺量为10%时针入度指数首先达到最大值-0.76923，也进入要求范围，这时与基质沥青相比PI值增大了46%，这表明橡胶沥青的感温性能得到很大的改善。橡胶粉掺量在0～10%时对沥青的PI值影响更显著，超过10%之后，PI值增加幅度急剧减缓，随橡胶粉产量的增加PI值几乎不再变化，表明过多的橡胶粉掺量对沥青的温度敏感性不再有明显的改善作用。因此，橡胶粉掺量最低不宜低于10%。

3　结论

(1)废旧橡胶粉改性沥青的高低温试验表明，基质沥青中加入一定量的橡胶粉提高了沥青的高、低温性能，降低了其温度敏感性能。可以明显地改善沥青路面夏季高温车辙冬季受冻开裂的问题。

(2)废旧橡胶粉的掺量对废旧橡胶粉改性沥青性能的影响较基质沥青自身性能的影响大，结合改性沥青的高、低温性能以及温度敏感性能，本文从生产与经济方面综合考虑，制备废旧橡胶粉改性沥青时，废旧胶粉的最优掺量为15%。

(3)采用废旧橡胶粉改性沥青，可明显增强路面的抗病害能力并延长道路的养护维修周期，减少二次投入。

(4)用废旧橡胶粉改性沥青，不仅可以提高基质沥青的使用性能，还能有效回收利用废旧橡胶，减少“黑色污染”，保护生态环境，具有良好的社会效益。

[1] 张正甫，刘玉松，蔡光华，等.废旧轮胎在道路工程中的研究进展[J]. 2015，48(2)：361-368.

[2] 张丽萍，邱欣，薛亮，等.废旧轮胎橡胶改性沥青混合料路用性能的室内试验[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2005，21(4)：293-296.

[3] 黄卫东，吕伟民，李套岭.国外聚合物改性沥青的研究与应用[J].国外公路，1999，19(4)：44-49.

[4] 杨志峰，李美江，王旭东.废旧橡胶粉在道路工程中应用历史和现状[J].公路交通科技，2005，22(7)：19-22.

[5] 汪水银，郭朝阳，彭锋.废胎胶粉沥青的改性机理[J].长安大学学报：自然科学版，2010，30(4)：34-38.

[6] 王旭东，李美江，路凯冀，等.橡胶沥青及混凝土应用成套技术[M].北京：人民交通出版社，2008.

[8] 袁德明，刘冬，廖克俭.废旧橡胶粉改性沥青研究进展[J].合成橡胶工业，2007，30(2)：159-162.

[9] Heitzman M. Design and construction of asphalt paving materials with crumb rubber modifier[J]. Transportation Research record，1992，1339：1-8.

Effect of the Rubber Crumb Content on the Pavement Performance of Modified Asphalt

HAN Jun1，YU Xiao-fei2，ZHOU De-hong1

(1 Jiangsu Baoli International Investment CO.，Ltd.，Jiangyin 214422，Jiangsu，China；2 Shanghai Jiaotong University，Institute of Chemistry and Chemical Engineering，Shanghai 200240，China)

In order to improve the performance of waste rubber crumb modified asphalt，we adopted rubber powder to prepare modified asphalt. And we evaluated the performance of rubber powder modified asphalt through the high temperature performance，elastic recovery，low temperature performance and temperature sensitivity index. The research result showed that when the content of powder was 15%，the rubber modified asphalt had the optimal performance.

waste rubber powder，composite modified asphalt，road performance

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