高性能橡胶沥青胶浆流变特性研究

张胜芬 王晓磊

摘要：文章为了研究橡胶沥青胶浆流变特性，采用动态剪切流变及弯曲梁流变试验，通过70 ℃车辙因子（G*/sinδ）、-12 ℃劲度模量及m值等指标研究橡胶粉掺量及粉胶比对橡胶沥青胶浆高温抗车辙性能及低温抗裂性能的影响。研究结果表明：橡胶沥青胶浆的高温性能随橡胶粉掺量及粉胶比的增加而得到改善，但会使低温性能有所衰减;当胶粉掺量为20%、粉胶比为0.95左右时，橡胶沥青胶浆的流变性能最佳。

关键词：橡胶粉;沥青胶浆;流变特性;高温性能;低温性能

In order to study the rheological properties of rubber asphalt cement，by using the dynamic shear rheology and bending beam rheological tests，and through the 70 °C rutting factor （G*/sinδ），-12 °C stiffness modulus and m value，this article studies the effects of rubber powder content and mesh number on hightemperature antirutting performance and lowtemperature crack resistance of rubber asphalt cement.The research results show that the hightemperature performance of rubber asphalt cement is improved with the increase of rubber powder content and fillerasphalt ratio，however，the lowtemperature performance is attenuated;when the rubber powder content is 20% and the fillerasphalt ratio is about 0.95，the rheological properties of rubber asphalt cement are the best.

Rubber powder;Asphalt cement;Rheological properties;Hightemperature performance;Lowtemperature performance

0 引言

汽车工业的迅速发展，使废旧轮胎产生量的迅速增长，对于废旧轮胎的处理和回收利用将是严峻的考验。将废旧轮胎进行破碎处理制得橡胶粉，并作为原材料大量应用于道路建设，不仅有效解决了废旧轮胎的堆积，避免了黑色污染问题，也实现了废旧轮胎的资源化再利用。同时橡胶沥青由于其良好的路用性能，不仅降低了道路建设的经济成本，而且达到了绿色环保、废物再利用的目的，因此橡胶沥青逐渐成为道路工作者研究的热点。

沥青混合料被认为是一种三级空间网络结构的分散系，其中又以填料为分散相分散在沥青介质形成的胶浆体系最为重要，它的组成结构与性能直接影响着沥青混合料的结构稳定性及路用性能，研究胶浆性能是揭示沥青混合料力学行为响应和改善沥青混合料性能的基础。对于橡胶沥青胶浆而言，加入的橡胶粉对沥青的吸附作用以及自身的溶胀，都会对橡胶沥青胶浆流变特性产生影响，并进一步影响橡胶沥青混合料的路用性能，因此，有必要对橡胶沥青胶浆的流变特性展开进一步的研究。目前，对橡胶沥青性能的研究主要集中在橡胶粉目数、掺量、种类和沥青种类及加工工艺等因素对橡胶沥青软化点、黏度、针入度、延度、存储稳定性、老化特性等常规技术指标以及橡胶沥青混合料路用性能的影响。但这些只是针对橡胶沥青及橡胶沥青混合料展开的研究，而针对橡胶沥青胶浆流变特性方面的研究却相对较少。因此，本研究采用动态剪切流变试验（DSR）及弯曲梁流变试验（BBR）对不同组成橡胶沥青胶浆流变性能进行检测，通过车辙因子（G*/sinδ）、劲度模量及m值等技术指标分析胶粉掺量和粉胶比对橡胶沥青胶浆流变特性的影响规律，提出基于胶浆性能的橡胶沥青胶浆优化参数，以期指导工程施工。

1 原材料技术性质

1.1 沥青

基质沥青选用东油70#沥青，主要技术性能指标如表1所示。

1.2 橡胶粉

橡胶粉采用广西交科新材料科技有限公司生产的20目橡胶粉，技术指标满足表2要求。

1.3 矿粉

填料采用石灰岩矿粉，其技术指标如表3所示。

2 试验方案

2.1 橡胶沥青胶浆的制备

橡胶沥青制备工艺：将基质沥青快速加热到180 ℃，在1 min内将橡胶粉加入到基质沥青中并不断搅拌，在180 ℃±5 ℃环境下继续搅拌30 min后，将其移至剪切机下，以4 000 r/min剪切速率剪切30 min，之后在180 ℃恒温箱中搅拌发育60 min制得橡胶沥青成品。

橡胶沥青胶浆制备工艺：将加工好的橡胶沥青加热至180 ℃，之后将称量好的矿粉添加至熔融状态的橡胶沥青中，在180 ℃温度下搅拌均匀即可。

2.2 橡膠沥青胶浆高温流变特性测试

对于橡胶沥青胶浆的高温性能，一般通过软化点及车辙因子等指标进行表征。车辙因子及复数剪切模量（G*）和相位角（δ）正弦值的比值G*/sinδ越大，沥青的弹性行为越显著，高温抗车辙能力越强。本次研究采用动态剪切流变仪对橡胶沥青胶浆性能进行检测。仪器参数设置为：采用应力控制模式;应力为100 Pa;频率为1.59 HZ;试验温度为70 ℃。

2.3 橡胶沥青胶浆低温流变特性测试

SHRP提出通过低温蠕变劲度S和蠕变劲度变化率m值表征沥青低温抗裂性能。蠕变劲度S越大，则沥青越脆，路面越易产生低温开裂;m值越大，则路面材料应力松弛越大，路面抵抗由于温度下降造成的温度应力的能力就越强，产生温缩裂缝的可能性会随之减小。因此，蠕变劲度模量较小和m值较大的沥青胶浆具有较好的低温抗裂性能。本次研究对不同粉胶比及不同胶粉掺量的橡胶沥青胶浆在-12 ℃环境下进行弯曲梁流变试验。

3 试验结果与分析

3.1 橡胶粉掺量对橡胶沥青胶浆高温流变特性的影响

图1是橡胶沥青胶浆高温性能随橡胶粉掺量的变化趋势图。由图1可以看出，橡胶沥青70 ℃车辙因子（G*/sinδ）在橡胶粉掺量为20%时出现峰值，说明橡胶粉掺量为20%时对应的橡胶沥青体系达到了一个相对稳定的状态。此时橡胶沥青具有良好的高温性能，随着胶粉的继续增多，过多的橡胶粉无法充分溶胀，造成脱硫和降解程度减弱;同时这部分胶粉在体系中会引起结构失稳从而造成橡胶沥青高温性能衰减;而橡胶沥青胶浆由于填料矿粉的加入，其高温性能都出现不同程度的提高。从图1中也可明显看出，三种粉胶比的橡胶沥青胶浆G*/sinδ都随着橡胶粉掺量的增加呈现先增加而后平缓的趋势，这是因为矿粉吸附部分自由沥青，形成一层粘结力较强的薄膜，抵消了部分橡胶粉过多引起的性能衰减，从而表现出橡胶沥青胶浆高温性能趋于平缓的现象。

3.2 粉胶比对橡胶沥青胶浆高温流变特性的影响

图2是橡胶沥青胶浆高温性能随粉胶比的变化趋势图。从图2可明显看出，随着粉胶比的增加，G*/sinδ逐渐增大，说明填料矿粉的加入提高了橡胶沥青胶浆的高温抗变形能力。这是由于加入的矿粉吸附自由沥青，在其表面形成一层粘结力较强的扩散结构膜。由于这层结构膜的存在，矿粉被粘结在一起形成一个相对稳定的空间网状结构。这种网状结构保证了橡胶沥青胶浆在高温下不易流动变形，因此橡胶沥青胶浆高温性能得以增强。当粉胶比过大时，多余的矿粉填充于网状结构中，使得形成的网状结构失稳，此时橡胶沥青胶浆的高温性能主要由矿粉承担，从而表现出在高粉胶比条件下，橡胶沥青胶浆高温抗变形能力并不随粉胶比的增大而显著增强。

3.3 橡胶粉掺量对橡胶沥青胶浆低温流变特性的影响

图3是橡胶沥青胶浆低温性能随橡胶粉掺量的变化趋势图。由图3可知，在低粉胶比条件下，劲度模量随着胶粉掺量的增加呈现出先减小后增大的趋势，m值出现先趋于平稳而后下降的趋势。这表明橡胶沥青胶浆应力松弛能力随着胶粉掺量的增加先提升后降低，故而胶粉掺量为20%时对应的低温抗裂性能最优;在高粉胶比条件下，劲度模量随着胶粉掺量的增加呈现出先增大后减小的趋势，m值总体表现为下降趋势。这说明高粉胶比条件下的橡胶沥青胶浆低温抗裂性随胶粉掺量的增加而逐渐减弱。

3.4 粉胶比对橡胶沥青胶浆低温流变特性的影响

图4是橡胶沥青胶浆低温抗裂性能随粉胶比的变化趋势图。从图4可以看出，在任意胶粉掺量条件下，随着粉胶比的增加，劲度模量呈现出增大的趋势，m值呈现减小的趋势。这表明：橡胶沥青胶浆低温抗裂性随粉胶比的增大而变弱。这是因为，矿粉的加入会吸附沥青，从而在其表面形成一层粘结力很强的结构沥青薄膜，矿粉颗粒因表层的薄膜相互粘结，自由沥青的流动被阻碍，而随着粉胶比的增加，这种行为更加明显，橡胶沥青胶浆流动性更差，劲度增大，变形能力降低，低温抗裂性能变差。

4 结语

（1）橡胶沥青胶浆高温抗车辙能力随着胶粉掺量的增加逐渐增强，橡胶粉掺量超过20%后抗车辙能力增长缓慢。

（2）胶粉掺量为16%及20%时，对应的橡胶沥青胶浆高温抗车辙能力随着粉胶比的增大逐渐增强;胶粉掺量为24%时，橡胶沥青胶浆的抗车辙能力随粉胶比的增大先增大后趋于平缓。

（3）橡胶粉掺量越多，粉胶比越大，橡胶沥青胶浆的低温抗裂性能越差。

（4）基于橡胶沥青胶浆的高低温性能及施工和易性，建议橡胶粉掺量取20%，粉胶比取0.95。

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