橡胶粉改性沥青及沥青混合料高温性能试验研究

魏学成

(永升建设集团有限公司, 新疆 克拉玛依 834000)

橡胶粉改性沥青及沥青混合料高温性能试验研究

魏学成

(永升建设集团有限公司, 新疆 克拉玛依 834000)

为了改善道路沥青的路用性能，选择橡胶粉对基质沥青进行改性处理，制备橡胶粉改性沥青。研究了不同掺量条件下，改性沥青的针入度、软化点、弹性恢复、布氏粘度，进而评价其高温性能；同时分别对AC — 13型和SMA — 13型橡胶粉改性沥青混合料进行车辙试验，评价改性沥青混合料的高温稳定性。研究表明，适量橡胶粉可以改善基质沥青及沥青混合料的高温性能，最佳掺量为15%，且SMA — 13型混合料比AC — 13型混合料具有更好的高温稳定性。

橡胶粉； 改性沥青； 沥青混合料； 高温性能

0 引言

橡胶粉是由废旧橡胶轮胎磨细制得，简称CRM，橡胶粉改性剂中的聚合物能够吸收沥青中的油分，使沥青体积发生膨胀，从而改善沥青混合料的稳定性[1]，因此橡胶粉改性沥青是一种优质的新型聚合物改性复合材料。常用的SBS改性剂价格较高，而橡胶粉改性剂以其优异的环保、节能、经济等优点被国内外许多学者所推崇。研究表明[2]，在沥青中加入橡胶粉改性剂，不仅可以有效改善沥青路面的路用性能，而且可以缓解废弃轮胎带来的污染问题，提高资源利用率。

目前国内外许多研究学者对橡胶粉改性沥青及其混合料开展了一些列的研究。Labib[3]等人研究了不同胶粉掺量条件下沥青的性能，研究表明，按一定的比例在基质沥青中加入胶粉后，基质沥青的流动性等施工和易性得到改善，而且使用这种改性沥青铺筑沥青混凝土路面，可以减缓车辙、冻害等常见病害。近年我国许多学者也一直致力于橡胶粉改性沥青的生产工艺及其性能研究，叶智刚[4]、黄彭[5]等人基于橡胶粉沥青的改性机理，探讨了改性沥青的制备工艺如搅拌温度、搅拌时间和搅拌速率等对沥青工作性能的影响，当采用机械搅拌时，橡胶粉聚合物颗粒均匀分散在基质沥青中，吸收沥青中的油分，出现溶胀现象，从而提高橡胶粉改性沥青的高温性能。本文选择5%、10%、15%、20%、25%等不同掺量的橡胶粉掺入基质沥青中，研究改性沥青及沥青混合料的高温性能，为其在路面工程中的应用打下理论基础。

1 原材料及试验方法

1.1 试验原材料

试验选择克拉玛依90#基质沥青，主要性能技术指标符合JTG F40 — 2004《公路沥青路面施工技术规范》中的相关要求，试验按照JTJ052 — 2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中相关要求进行，检测结果见表1。

表1 90#基质沥青技术性能指标

选用60目的橡胶粉作为改性剂，橡胶粉的主要物理化学性能指标如表2所示，其检测项目均符合相关国家标准要求。

表2 橡胶粉改性剂主要性能指标

粗集料采用玄武岩，细集料采用河沙，物理化学性能均满足沥青面层用集料的相关要求。填料采用干燥矿粉，无团粒结块现象，表观密度2.67 g/cm3。

1.2 改性沥青制备工艺

改性沥青制备过程中的搅拌时间、搅拌速率和搅拌温度等都影响改性剂对沥青的改性效果，试验采用沥青的改性工艺如下：称取一定比例的橡胶粉改性剂放入烘箱内烘干备用，同时在170 ℃条件下将基质沥青放入烘箱内脱水备用；将温热的基质沥青放入改性剂中搅拌20 min至橡胶粉改性剂和基质沥青充分混合；在剪切速率为7000 r/min，剪切温度为180 ℃的条件下，将混合沥青剪切60 min后放入180 ℃的环境中溶胀1～2 h；将混合均匀的沥青加热用玻璃棒搅拌一段时间，直至沥青中无气泡，此时制备即为橡胶粉改性沥青。

1.3 试验方法

按照《橡胶粉沥青及沥青混合料设计施工技术指南》中相应的沥青试验规范测试橡胶粉改性沥青及沥青混合料性能。橡胶粉掺量选择5%、10%、15%、20%、25%，按照改性工艺制备不同配方的沥青分别测试其针入度、软化点、弹性恢复和布氏粘度等高温性能，选择车辙试验测试沥青混合料的高温稳定性能，制作级配为AC — 13和SNA-13的混合料，由马歇尔试验确定最佳石油比为4.9%，改性沥青混合料在35 ℃时成型，试件为300 mm×300 mm×50 mm的车辙板。

2 实验结果及分析

2.1 橡胶粉掺量对改性沥青高温性能的影响

沥青为粘弹性材料，当温度升高时，沥青胶体结构会由弹性体变为塑性体，此时沥青的劲度模量降低，抵抗变形能力降低，用于路面时更易出现车辙病害。沥青的针入度是用来评价沥青稠度的指标，针入度越大表明沥青越软，在一定程度上可以反映沥青的粘度特性。软化点反映了沥青的高温稳定性和沥青的粘度。弹性恢复一般用来评价橡胶粉类改性沥青在拉伸后恢复变形能力，同时也可以用来反映改性沥青的弹性增加的程度，在测定改性沥青受拉后可恢复至原始值的百分率。在沥青受拉发生变形时，弹性性能较好的沥青发生的变形会在一定时间后恢复过来，不容易产生永久变形，因此弹性恢复可以用来衡量路面沥青在受力后恢复变形的能力。综上所述，选择针入度、软化点、弹性恢复和布氏粘度来衡量改性沥青的高温性能。其中不同橡胶粉掺量下的改性沥青高温性能测试结果如表3所示。

表3 不同掺量橡胶粉改性沥青高温性能测试结果

改性沥青高温性能随橡胶粉掺量变化的变化规律如图1所示。

图1 橡胶粉掺量对针入度、软化点、弹性恢复和 布氏粘度的影响曲线

由图1a中可以看出，随橡胶粉掺量的增加，改性沥青的针入度降低，在掺量超过15%后，针入度减小变缓。图1b中随橡胶粉掺量增加，软化点增大，且软化点变化接近线性。由图1c中可以看出，在橡胶粉掺量小于5%时，弹性恢复急剧增加，当掺量超过5%后，弹性恢复增速变慢。图1d中布氏粘度随橡胶粉的增加而增加，变化曲线近似指数关系。以上指标变化显示，橡胶粉改性沥青的高温稳定较好。

沥青是由高分子组成的胶体结构，当温度升高时，沥青中的分子链和改性剂聚合物更容易结合，使沥青的分子量增大，软化点升高。橡胶粉是一种聚合物改性剂，加入基质沥青后一方面吸收了沥青中的一些组分，使沥青产生溶胀现象，进而比表面积增加，吸附能力增强，软化点增高，针入度减小；另一方面，橡胶粉颗粒较细，填充在基质沥青之间，增加其粘度，增大其弹性恢复，进而提高基质沥青的高温性能。

研究表明，当沥青的软化点大于65 ℃时 沥青路面才会保证一定的高温抵抗变形的能力，故由图1b中可以看出，改性沥青中橡胶粉的掺量应大于15%。图1c显示，在橡胶粉掺量小于15%时，改性沥青的弹性恢复较小；在15%点弹性恢复急剧增大；15%～25%时，改性沥青的弹性恢复开始变缓，故橡胶粉掺量为15%时为其弹性恢复变化转折点。同时为满足施工过程中的和易性，沥青的粘度要求小于5 Pa·s，由图1d可得在实验所选掺量范围内均可以达到要求。综上所述，为满足沥青高温性能的各项指标，橡胶粉的最佳掺量为15%。

2.2 橡胶粉改性沥青混合料车辙试验

为评价橡胶粉改性沥青混合料的高温稳定性能，采用国产车辙试验仪对掺量为15%的橡胶粉改性沥青进行车辙试验，以动稳定度作为评价指标，以60 min内所产生的车辙深度作为参考值，试验结果见表4。

表4 改性沥青混合料车辙试验结果

由表4和图2中可以看出，对AC — 13型和SMA — 13型混合料而言，橡胶粉加入基质沥青后，改性沥青混合料的动稳定度分别提高了695%和436%，车辙深度减小，故在基质沥青中加入橡胶粉后，沥青混合料的高温性能得以改善。对同一种混合料类型来说，改性沥青的车辙深度明显减小，使橡胶粉改性沥青混合料的抗车辙性能得到很大的提高，从而提高了混合料的高温稳定性。

图2 改性沥青混合料车辙试验结果

对于SMA — 13型混合料来说，基质沥青和改性沥青的车辙试验动稳定度和车辙深度与AC — 13型混合料的测试结果变化相似，但是AC — 13型混合料的动稳定度和车辙深度均低于同种沥青种类下的SMA — 13型混合料，即SMA — 13型混合料比AC — 13型混合料具有更好的高温稳定性。这是因为SMA — 13型混合料采用的是间断级配，集料之间相互粘结后整体性较好，且矿粉填充在集料和沥青之间，增加混合料的粘结性，使其表面性能较好，从而使SMA — 13型基质沥青混合料和橡胶粉改性沥青混合料的动稳定度值和车辙深度较高，高温稳定性较好。

3 结论

1) 随橡胶粉掺量的增加，改性沥青的针入度降低，软化点增大，弹性恢复增加，布氏粘度增加，即加入橡胶粉可以改善沥青的高温稳定。

2) 综合实际路面工程需要，为满足沥青高温性能的各项指标，橡胶粉的最佳掺量为15%。

3) 在基质沥青中加入橡胶粉后，沥青混合料的高温性能得以改善，且间断级配SMA — 13型混合料比AC — 13型混合料具有更好的高温稳定性。

[1] Nahas N C, Bardet J, Eckmann B, et al. Polymer modified asphalts for high performance hot mix pavement binders[J]. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, 1990, 59: 509-525.

[2] 刘贞鹏,王晶, 陆芳,等.橡胶粉与SBS复合改性沥青高温性能试验研究[J].道路工程,2016(4):6-9.

[3] Labib M E, Chollar B H, Memon G M. Compatibilizer for crumb rubber modified asphalt[P].U.S. Patent:6478951,2002-11-12.

[4] 叶智刚, 张玉贞. 废胶粉改性沥青溶解度的判别与比较[J]. 中国建筑防水, 2004 (12): 14-16.

[5] 黄彭, 吕伟民, 张福清, 等. 橡胶粉改性沥青混合料性能与工艺技术研究[J]. 中国公路学报, 2001 (S1): 4-7.

1008-844X(2017)02-0123-04

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