不同橡胶粉对改性沥青路用性能的影响

孙增智，王晓磊，况栋梁，丁建鑫，王小雯，张 奔

(长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

废旧橡胶制品是橡胶材料在使用过程中经过老化、机械磨损、报废后形成的固体废弃物[1]。30%以上的废旧橡胶被当作垃圾进行焚烧、填埋或闲置堆积[2]，造成经济损失和环境污染，而利用橡胶粉对基质沥青进行改性是一种变废为宝的好方法[3]。但是，目前关于这方面的研究多为大车废胎胶粉对改性沥青路用性能的影响，而关于废胶带、废胶鞋、废胶管等其他废旧橡胶制得的橡胶粉对基质沥青改性的研究较少。

本文选择6种代表性的橡胶粉分别对镇海70#基质沥青进行改性，通过软化点、针入度、黏度、弹性恢复率等指标来评价改性效果，同时研究其在短期老化后的性能变化，旨在比选出改性效果优良的橡胶粉，以期为实际工程提供技术支撑。

1 试验原料与试验方法

1.1 基质沥青

本试验采用镇海70#沥青，具体性能指标见表1。

表1 沥青基本性能

1.2 橡胶粉

使用圈口胎胶粉、胎顶胶粉、鞋底胶胶粉、全胎胶粉、杂胶粉、小车胎胶粉，共6种废旧橡胶粉，分别在掺量为5%、10%、15%、20%、25%时进行试验。通过红外光谱对6种橡胶粉组成结构进行分析，如图1所示，胶粉的实测指标见表2。

从橡胶粉的红外光谱可以看出，6种橡胶粉的成分大体是相同的，只是相对含量有所差异。

表2 胶粉实测指标

图1 不同橡胶粉的红外光谱

废旧橡胶粉的化学成分一般包括天然橡胶(NR)、合成橡胶(丁苯橡胶SBR、顺丁橡胶BR)、可塑剂、碳黑及灰分等物质，其中NR含量对橡胶沥青的性质影响最大。一般认为，增加NR含量，可以加快沥青与橡胶的反应速度，增加橡胶沥青的黏附性。此外，合成橡胶中SBR的物理机械性能和使用性能接近于NR，有些性能(如耐磨、耐热、耐老化及硫化速度)较NR更为优良；BR具有弹性好、耐磨性强、耐低温性能好、生热低、滞后损失小以及耐屈扰性、抗龟裂性、动态性能好等优点。研究表明：NR更易与沥青发生相互作用而形成交联网络结构，并且在相同时间内NR的溶胀程度更高[4]；因此，制备橡胶沥青时应选取NR含量高的橡胶粉对沥青进行改性。

1.3 改性工艺

综合橡胶粉改性沥青的各研究成果、实际工程应用及现行的主要加工工艺[5]，同时结合作者进行的大量橡胶粉改性沥青的改性工艺试验，本文所采用的改性工艺如下。

(1)首先将沥青加热到150 ℃左右，然后边搅拌边加入橡胶粉；橡胶粉添加完毕后，继续加热使加入胶粉的沥青温度升高到180 ℃左右并搅拌30 min，使橡胶粉充分均匀地分散到沥青中。

(2)将混合均匀的橡胶沥青转移到高速剪切乳化机下，将其温度缓缓升至190 ℃左右，先低速剪切3～5 min，然后增大剪切速率至4 500 r·min-1左右剪切50 min。

(3)将剪切完的橡胶沥青移到搅拌机中，在150 ℃条件下低速搅拌60 min，进行搅拌发育。

(4)最后将橡胶沥青放入150 ℃的烘箱内继续发育30 min，得到成品橡胶粉改性沥青。

1.4 橡胶粉改性沥青性能测试

沥青的针入度、软化点、15 ℃延度、弹性恢复、180 ℃布氏黏度分别按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052—2000)中所规定的方法进行测试。

2 改性沥青性能测试结果与分析

2.1 橡胶粉种类及掺量对软化点的影响

图2是6种不同橡胶改性沥青的软化点随橡胶粉掺量变化的曲线。由图2可知，随着橡胶粉的加入，改性沥青的软化点均有不同幅度的升高。其中胎顶胶粉对改性沥青软化点的提升作用最为显著，且胶粉掺量为5%、25%时，改性沥青软化点相比基质沥青分别提高了4 ℃、25 ℃；而杂胶粉对改性沥青软化点的提升作用不明显，胶粉掺量为5%、25%时，改性沥青软化点相比基质沥青分别提高了1 ℃、6 ℃。故胎顶胶粉对沥青的改性效果最佳，主要是由于NR含量较高，NR相对于SBR和BR更容易吸收沥青中的轻质组形成交联网络结构，从而阻碍沥青之间的相对流动，引起软化点的升高；杂胶粉对沥青的改性效果最差，是由于杂胶粉主要由各种规格的非丁基类内胎、水胎硫化橡胶与工业橡胶制品粉碎制得[6]，NR含量低，并且夹杂的胶粉种类较多，形成的网络结构相对不致密。因此，NR含量高的胶粉更易引起沥青软化点的升高。

图2 橡胶粉种类及掺量对软化点的影响曲线

2.2 橡胶粉种类及掺量对针入度的影响

图3是6种橡胶改性沥青的针入度随橡胶粉掺量变化的曲线。

图3 橡胶粉种类和掺量对针入度的影响曲线

由图3可知，各种橡胶粉的加入都不同程度地降低了改性沥青的针入度，使改性沥青的黏滞性能有所改善[7]，这主要因为沥青胶体中的分散胶质和沥青质与胶粉颗粒相互之间的亲和作用而紧密融合在一起，这就相当于在沥青胶体的液态油分中增加了固态颗粒的胶粉，从而使沥青的针入度下降[8]。在6种不同的橡胶粉中，胎顶胶粉对沥青的改性效果最显著，杂胶粉对基质沥的改性效果最差；胶粉掺量为5%时，胎顶胶粉沥青针入度相比基质沥青降低了9(0.1 mm)，而杂胶粉改性沥青的针入度相比基质沥青仅降低了1(0.1 mm)；胶粉掺量为25%时，胎顶胶粉改性沥青的针入度相比基质沥青降低了29(0.1 mm)，而杂胶粉改性沥青相比基质沥青仅降低了9(0.1 mm)。杂胶粉对沥青的改性效果最差，是由于杂胶粉中NR、SBR、BR含量低，造成其与基质沥青相容性较差，此外杂胶粉中含有对沥青性能不利的脂肪、蜡类、甾醇、甾醇脂和磷脂等物质，丙酮抽出物含量相对较高，这直接影响其对基质沥青的改性效果。

2.3 橡胶粉种类及掺量对黏度的影响

本研究发现橡胶粉掺量小于15%时，除了胎顶胶粉改性沥青之外，其他橡胶改性沥青的黏度与基质沥青相比改善效果不明显，因此本试验选取3种橡胶粉掺量(15%、20%、25%)进行研究。图4为6种橡胶沥青的黏度随胶粉掺量变化的曲线。

图4 橡胶粉种类和掺量对黏度的影响曲线

由图4可知，随着胶粉掺量的增大，橡胶改性沥青180 ℃黏度都逐渐增大。这主要是由于胶粉加入后会形成空间网络结构，这种结构对自由沥青的流动产生阻尼作用，胶粉掺量越大，网络结构越致密，阻尼作用越强，黏度也就越大；与此同时，掺入的橡胶粉会吸收部分轻质组分，使胶质和沥青质的相对含量增加，而沥青质又是极性最强的组分，是沥青胶体的基团核心，对沥青的黏度起着决定性的作用[9-10]，因此橡胶粉掺量越大，橡胶沥青黏度越大。胎顶胶粉对改性沥青黏度的影响最为显著，这是由于胎顶胶粉的NR含量高，NR不仅有利于改善橡胶粉与沥青的相容性，也可以提升橡胶材料与沥青的溶胀作用，从而补偿改性过程中的高温和高速剪切对沥青性能造成的损失；而杂胶粉中NR含量太低，且含有相对较多的蜡类等对沥青不利的物质，因此对沥青的改性效果最差。

2.4 橡胶粉种类及掺量对弹性恢复率的影响

图5为6种橡胶沥青的弹性恢复率随橡胶粉种类及掺量的变化曲线。

图5 橡胶粉种类和掺量对弹性恢复的影响曲线

从图5可以看出：圈口胎胶粉和小车胎胶粉改性沥青的弹性恢复率随着橡胶粉掺量的增加而增大；其余4种橡胶粉改性沥青的弹性恢复率随橡胶粉掺量的增加而减小，其中杂胶粉改性沥青弹性恢复率最小，低于40%。橡胶粉的加入会吸收沥青中的轻质组分，且发生溶胀作用，随着溶胀作用的进行，胶粉颗粒增大，交联作用逐渐增强，改性沥青弹性恢复率增大[11]；而胎顶胶粉、鞋底胶胶粉和全胎胶粉中天然胶含量较高，吸收的轻质组分较多，在较低掺量情况下已达到饱和状态，随着胶粉的继续加入，胶粉不能充分溶胀，破坏了空间网络结构，造成其交联作用减弱，使弹性恢复率减小。

2.5 橡胶粉种类及掺量对沥青老化的影响

为了研究橡胶粉对改性沥青老化性能的影响，本文选取了15%、20%、25%三种橡胶粉掺量的橡胶改性沥青进行短期老化，通过测试橡胶改性沥青老化前后软化点和针入度的变化，研究橡胶粉的种类及掺量对改性沥青短期老化性能的影响。试验结果如图6、7所示。

图6 软化点差与掺量的关系

图7 残留针入度比与掺量的关系

由图6、7可知：与基质沥青相比，橡胶粉的加入可以不同程度地降低改性沥青老化前后的软化点差；除了杂胶粉，其他胶粉的加入都能提高橡胶改性沥青的残留针入度比。

在短期老化试验时，橡胶沥青内部的橡胶核发生剧烈的溶胀作用[12]，并且溶胀作用的程度大于基质沥青老化的程度，所以表现出软化点差降低、残留针入度比升高的现象。进一步研究可以发现：随着胶粉掺量的增加，胎顶胶粉、圈口胎胶粉与全胎胶粉改性沥青的软化点差减小的速率和残留针入度比增加的速率都较快，说明这3种橡胶改性沥青的抗老化性能随着胶粉掺量的增加而增强，其余3种橡胶改性沥青的软化点差和残留针入度比的变化幅度都比较平缓，说明这3种橡胶粉的掺量对沥青的抗老化性能影响不大。

3 结 语

橡胶粉的加入可以改善沥青的高低温性能，橡胶粉的种类对其改性效果有显著的影响，NR含量较高的胶粉更容易与沥青发生溶胀作用且与沥青的相容性较好，对沥青的改性效果相对其他胶粉更显著。

不同种类橡胶粉对沥青的抗老化性能的改善效果不同，NR含量高的橡胶沥青在短期老化过程中的溶胀作用相比NR含量低的橡胶沥青更为剧烈，故表现出更好的抗老化性能，并且随着掺量的增加，橡胶沥青中的溶胀作用也随之增强，其抗老化性能进一步提高。

参考文献：

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