橡胶粉细度和掺量对橡胶沥青感温性能的影响研究

冯 波

（广西红河高速公路有限公司，广西 南宁 530022）

0 引言

随着汽车保有量的增加，汽车废旧轮胎数量也越来越多。废旧轮胎属难降解材料，将其填埋会造成土壤污染，而将其焚烧会产生严重的空气污染［1－2］。为实现废旧轮胎的二次利用，道路科研工作者提出将其磨细为橡胶粉后作为沥青改性剂制备橡胶改性沥青，此举在实现废物利用的同时能有效改善沥青性能［3－8］，因而对橡胶沥青进行研究具有重要意义。

吴春颖等对橡胶沥青的高温性能进行了研究，发现橡胶粉能明显提高沥青软化点和黏度，并降低其不可恢复蠕变柔量［9］；范斌卫等对橡胶沥青混合料的高温稳定性进行了研究，发现连续级配橡胶沥青混合料抗车辙性能优于间断级配，且矿物用量对抗车辙性能有重要影响［10］；何立平等研究了胶粉和硫磺掺量对橡胶沥青高温和低温性能的影响，发现胶粉和硫磺掺量提高时橡胶沥青高温性能提高，但低温性能下降［11］；陈保世对橡胶沥青混合料的水稳定性进行了研究，发现其水稳性能优于普通沥青混合料和SBS改性沥青混合料［12］；申爱琴等对橡胶沥青混合料的疲劳性能进行了研究，发现疲劳损失过程中其疲劳性能稳定下降，未出现明显失效现象［13］。

现有研究主要涉及橡胶沥青及其混合料的高温、低温、水稳和疲劳性能，对其感温性能影响因素的研究较为少见。为此，本文首先研究橡胶沥青感温性能评价指标的可靠性，进而研究橡胶粉细度和掺量对其感温性能的影响。

1 原材料

1．1 沥青

试验选用70＃基质沥青，主要技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40－2004）要求，如表1所示。

表1 70＃沥青主要技术指标表

1．2 橡胶粉

采用斜交轮胎常温粉碎研磨而成的橡胶粉，主要技术指标如表2所示。

表2 橡胶粉主要技术指标表

2 橡胶沥青感温性能评价指标研究

2．1 针入度指数

针入度指数是评价沥青感温性能的最常用指标，其通过测定多个温度下的沥青针入度值，按公式（1）在半对数坐标纸上求取针入度随温度变化的曲线斜率，进而根据公式（2）计算而来。其中针入度指数越大，沥青感温性能越好。

式中：P ——针入度（0．1mm）；

T——试验温度（℃）；

PI——针入度指数；

A、K——回归系数。

采用40目橡胶粉，制备掺量为18%的橡胶沥青，分别进行10℃、15℃、20℃、25℃和30℃条件下的针入度试验，并以10℃、15℃和20℃，15℃、20℃和25℃，20℃、25℃和30℃三组针入度试验结果计算针入度指数，结果如表3所示。

表3 不同针入度试验温度下的针入度指数计算结果表

由表3可知，采用不同温度条件下测试的针入度计算PI时，其差异较为明显，其中采用15℃、20℃和25℃时其PI绝对值最大，而采用20℃、25℃和30℃时其PI绝对值最小，前者约为后者的3．3倍，且三组温度条件计算的PI变异系数也达到－0．53，表明采用PI作为橡胶沥青感温性能评价指标的可靠性不高。分析原因可能是橡胶沥青为“海岛结构”，进行针入度试验时若针尖扎入橡胶颗粒会影响试验结果的准确性［14］。

2．2 粘温指数

粘温指数也常用于评价沥青感温性能，其通过测定多个温度下的沥青黏度值，按公式（3）计算而得。粘温指数表征黏度取两次对数后随温度变化取一次对数变化曲线斜率，其绝对值越大，沥青感温性能越差。

式中：VTS——粘温指数；

η1和η2——黏度（Pa·s）；

T1和T2——对应η1和η2的试验温度（℃）。采用40目橡胶粉，制备掺量为18%的橡胶沥青，分别进行135℃、150℃、165℃和180℃条件下的布氏黏度试验，并以135℃和150℃，150℃和165℃，165℃和180℃三组温度黏度试验结果计算粘温指数，结果如表4所示。

表4 不同黏度试验温度下的粘温指数计算结果表

由表4可知，采用不同温度条件下测试的黏度计算VTS时，其差异较PI明显减小，其中采用150℃和165℃时其VTS绝对值最大，而采用135℃和150℃时其VTS绝对值最小，前者约为后者的1．3倍，且三组温度条件计算的VTS变异系数为－0．11，约为PI变异系数的1／5，表明采用VTS作为橡胶沥青感温性能评价指标时可靠性明显较PI高。

2．3 复数模量指数

近年来相关学者逐渐提出采用复数模量指数评价沥青感温性能，其通过DSR测定一定温度范围下的沥青复数模量，按公式（4）计算而得。复数模量指数表征复数模量取两次对数后随温度变化取一次对数变化曲线斜率，其绝对值越大，沥青感温性能越差。

式中：GTS——复数模量指数；

G＊——复数模量（Pa）；

T——试验温度（℃）。

采用40目橡胶粉，制备掺量为18%的橡胶沥青，采用DSR进行28℃～82℃范围温度扫描试验，测定其复数模量随温度变化的曲线斜率。试验采用应力控制模式正弦波加载，频率10rad／s。分别以28℃～46℃、46℃～64℃和64℃～82℃三组温度范围复数模量试验结果计算复数模量指数，结果如表5所示。

表5 不同复数模量试验温度下的复数模量指数计算结果表

由表5可知，采用不同温度范围测试的复数模量计算GTS时，其差异较PI和VTS均明显减小，其中采用28℃～46℃时其GTS绝对值最大，而采用64℃～82℃时其GTS绝对值最小，前者仅较后者高7．4%，且三组温度范围计算的GTS变异系数仅为－0．04，分别约为PI和 VTS变异系数的1／13和1／3，表明采用GTS作为橡胶沥青感温性能评价指标的可靠性明显较PI和VTS高。因而推荐采用GTS评价橡胶沥青感温性能。

3 橡胶粉细度和掺量对橡胶沥青感温性能的影响

3．1 影响趋势研究

为分析橡胶粉细度和掺量对橡胶沥青感温性能的影响，分别采用40目、60目和80目橡胶粉，掺量为14%、16%、18%、20%和22%制备橡胶沥青，进而采用DSR进行28℃～82℃温度扫描试验，计算出其GTS如表6所示。

表6 不同橡胶粉细度和掺量下橡胶沥青GTS试验结果表

由表6可知：随着橡胶粉细度的增加，橡胶沥青感温性能逐渐被改善，且细度超过60目时改善效果更加明显。各个橡胶粉掺量下橡胶粉目数提高时，GTS绝对值均有不同程度下降：其中橡胶粉细度由40目增加至60目时，5个橡胶粉掺量下对应的GTS平均值绝对值下降4．2%；而细度由60目增加至80目时，GTS平均值绝对值下降8．9%。这是因为橡胶粉掺量不变，细度增加时其比表面积增大，在沥青中橡胶粉吸收轻质组分溶胀的能力增强，沥青质等重质组分含量增加，故感温性能得到改善。

随着橡胶粉掺量的增加，橡胶沥青感温性能逐渐被改善，但掺量超过20%后改善效果降低。各个橡胶粉目数下橡胶粉掺量提高时，GTS绝对值均有不同程度下降：其中橡胶粉掺量由14%增加至20%时，3个橡胶粉目数下对应的GTS平均值随橡胶粉掺量变化的曲线斜率为0．091；而掺量由20%增加至22%时，斜率仅为0．045。这是因为一方面橡胶粉掺量增加时其吸收轻质组分溶胀使沥青中重质组分比例提高；另一方面橡胶沥青中沥青部分比例减少，橡胶部分比例增多，而橡胶本身对温度的敏感性低于沥青，故感温性能得到改善。

3．2 影响显著性研究

为进一步分析橡胶粉细度和掺量对橡胶沥青感温性能影响的显著性，对表6中数据进行双因素方差分析，结果如表7所示。

表7 橡胶粉细度和掺量对橡胶沥青GTS影响方差分析结果表

由表7可知，橡胶粉细度和掺量对应的F值分别为376．20和273．88，明显高于两者对应的F临界值4．46和3．84，表明橡胶粉细度和掺量均对橡胶沥青感温性能有显著影响。同时橡胶粉细度对应的F值为其F临界值的84倍，而橡胶粉掺量对应的F值为其F临界值的71倍，表明橡胶粉细度对橡胶沥青感温性能的影响程度更大。

4 结语

（1）采用PI、VTS和GTS评价橡胶沥青感温性能时其可靠性依次增强，其中不同试验温度范围计算的GTS变异系数仅为－0．04，分别约为PI和VTS变异系数的1／13和1／3，故推荐采用GTS作为橡胶沥青感温性能评价指标。

（2）橡胶粉细度和掺量增加时橡胶沥青感温性能逐渐被改善，且细度＞60目时改善作用增强，掺量＞20%后改善作用降低。

（3）橡胶粉细度和掺量均对橡胶沥青感温性能有显著影响，且橡胶粉细度的影响程度较橡胶粉掺量更大。