橡胶沥青性能试验及影响因素分析

冯明林，冯正翔，郑伟，冯志强

(1. 河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450000；2. 江苏省无锡交通高等职业技术学院 交通工程学院，江苏 无锡 214151；3. 浙江绩丰岩土技术股份有限公司，浙江 杭州 310000；4. 河南交通职业技术学院，河南 郑州 450000)

随着汽车行业的飞速发展，使得废旧轮胎的黑色污染日趋严重。但是，经过特殊生产工艺将其研磨成胶粉颗粒并通过干拌或湿拌的方法加入到沥青混合料中，不仅实现了绿色交通发展的理念，也改善了沥青路面的使用质量。方烁[1-3]等人将橡胶粉添加到沥青中，发现胶粉在提高沥青复数剪切模量、降低相位角的同时，沥青混合料抗车辙性能和疲劳性能也得到改善。程其瑜[4-6]等人研究了不同橡胶粉掺量改性沥青破坏温度的变化情况。发现：当橡胶粉掺量从10%增加到20%时，破坏温度大大提升。张争奇[7]等人将SBS与胶粉共同用于基质沥青的复合改性，结合二者的优点，提高了沥青的整体性能。橡胶沥青的研究分析是一个不断深化的过程，作者根据美国公路战略研究计划(Strategic Highway Research Program, 简称为 SHRP)体系试验的要求，拟继续展开对橡胶沥青性能试验及其影响因素的分析。

1 原材选择及橡胶沥青制备

1.1 原材料选择

本次试验橡胶粉选用深圳路海威20目橡胶粉，含水率为0.55%，检测密度为1.15 g/cm3(满足1.10～1.20 g/cm3要求)；基质沥青为中海油道路70#石油沥青，检测结果分别见表1,2。

表1 橡胶粉筛分结果Table 1 Rubber powder screening results

表2 基质沥青检测结果Table 2 Matrix asphalt test results

1.2 橡胶沥青的制备

橡胶沥青是在已有研究成果的基础上加以改进的。为了便于胶粉与基质沥青的有效胶联，将发育溶胀时间适当延长，促使胶粉吸收基质沥青中轻组分更加彻底，以增加沥青和胶质的含量。橡胶沥青的制备工艺流程如图1所示。

图1 橡胶沥青的工艺流程Fig. 1 Process diagram of rubber modified asphalt

2 胶粉物理性能的影响分析

废胎胶粉按其来源不同，分为货车轮胎(斜交胎)和小轿车轮胎(子午胎简称为：小车轮胎)2大类。它们的物理性差异在于细度。为了分析的严谨性，胶粉统一取不同轮胎的胎背部位置胶粉。在对70#石油沥青进行改性时，先设定20%的掺量。温度为170 ℃时沥青测试指标汇总见表3。

当基质沥青加入胶粉后，由于胶粉与沥青网格结构体系的形成及二者之间化学传质作用，其指标均得到不同程度的改善。从表3中可以看出，货车轮胎胶粉改性后的沥青在常温和高温性能方面均超过了小车轮胎胶粉的。即在同目数的前提下，除了弹性恢复差别不大以外，货车轮胎胶粉改性沥青的软化点是小车轮胎胶粉改性沥青的1.1～ 1.3倍，其老化前车辙因子G*/sinδ是小车轮胎胶粉改性沥青的1.5～2.0倍，其老化后车辙因子G*/sinδ是小车轮胎胶粉改性沥青的 1.6～2.1倍；货车轮胎胶粉改性沥青的抗疲劳因子G*·sinδ在300 kPa左右，只占到上限5 000 kPa的6%，且均小于小车轮胎胶粉改性沥青的。此外，货车轮胎胶粉改性沥青的低温蠕变劲度均为小车轮胎胶粉改性沥青的65%～75%。表明：货车胶粉改性后的橡胶沥青整体优势更加明显。

表3 沥青测试指标汇总Table 3 Asphalt test index

对比不同细度胶粉改性沥青各项指标可以看出，20目胶粉改性沥青的高温性能优于40和60目胶粉改性沥青的，它们的低温和抗疲劳性能相差不大。胶粉的改性原因是胶粉与沥青形成了网格结构体系和二者之间的化学传质。20目胶粉的粒径较大，熔胀后与沥青形成的网格状态更显著，对橡胶沥青相对流动的黏滞阻力更大，进而表现出沥青的黏度较大，高温性能更优。因此，综合考虑，20目货车轮胎胶粉的改性效果较佳。

3 胶粉掺量的影响分析

橡胶沥青的改性离不开对胶粉掺量的分析。本试验选取 20目货车轮胎胶粉的 4种胶粉掺量(12%,16%,20%和24%)，在170 ℃以70#石油沥青为基质沥青的基础上，对改性后沥青性能指标进行了分析。不同橡胶粉掺量橡胶沥青性能指标见表4。

表4 不同橡胶粉掺量橡胶沥青性能指标Table 4 Performance index of rubber asphalt with different contents of rubber powder

从表4中可以看出，在胶粉掺量增加的同时，橡胶沥青高、低温性能及抗老化性能均明显增加。即：胶粉掺量增加一倍，软化点提高46.8%，弹性恢复提高13.5%，车辙因子提高6～8倍，-18 ℃劲度模量减少75%。表明：胶粉掺量不断增加，对于提高橡胶沥青整体性能是有利的。其原因是胶粉用量的增加使得混溶体系网格结构更显著。在高温、高速剪切时，胶粉用量越高，胶粉与沥青的传质过程越明显，化学改性幅度越大。从沥青施工性能的角度出发考虑，沥青黏度过高，在泵送及混合料拌合与摊铺过程中都会带来一定的负面影响。美国亚利桑那州规定[8]，当橡胶沥青在177 ℃的黏度处在1.5～4.0 Pa·s之间时，施工的各项环节将处于最优状态。因此，本试验针对4种掺量的橡胶沥青进行了177 ℃的黏度检测，其结果如图2所示。

图2 不同反应时间下橡胶沥青177 ℃黏度指标Fig. 2 Viscosity index of rubber asphalt at 177 ℃ under different reaction period

橡胶沥青在使用过程中会有一个发育溶胀的过程，反应时间在60 min左右，60 min前、后沥青的黏度对施工尤为重要。从图2中可以看出，当胶粉掺量为16%和18%、反应时间为60 min、温度为177 ℃时的黏度为 1.7～3.2 Pa·s，处在 1.5～4.0 Pa·s范围之内，平缓的黏度曲线为橡胶沥青的施工提供了保障。而当胶粉掺量达到 20%、反应时间为 60 min、温度为 177 ℃时的黏度达到 8.1 Pa·s，远超过规范要求的4.0 Pa·s，必将给施工带来一定的困难。因此，从施工的便易性出发，16%～18%的胶粉掺量比较合适。

4 拌和温度的影响分析

新型物质材料的微观结构变化多与温度有关[9-11]。橡胶沥青的拌合温度直接关系到胶粉与基质沥青的熔融速度和程度[12]，反映出沥青指标的变化。在18%胶粉掺量下，不同拌和温度下橡胶沥青试验结果见表5。

分析蠕变劲度和蠕变速率数据可见，在175 ℃温度下，橡胶沥青的低温性能相对较差，而软化点和弹性恢复指标变化不明显，车辙因子G*/sinδ和抗疲劳因子G*·sinδ的变化较为明显。即：随着拌和温度的升高，车辙因子降低，抗疲劳因子升高。表明：拌和温度过高时，橡胶沥青的高温性能和抗疲劳性能下降，建议拌合温度控制在180 ℃以内。

表5 不同拌和温度下橡胶沥青性能的检测结果Table 5 Performance test results of rubber asphalt under different mixing temperatures

5 基质沥青类型的影响分析

不同的基质沥青标号是具有不同的内部组分。在胶粉改性过程中，本试验将2种标号的基质沥青作为研究对象，选取胶粉掺量为18%，拌合温度为175 ℃，对20目的货车轮胎胶粉进行了试验，其试验结果见表6。

沥青标号较高时，轻组分的含量较高。从表 6中可以看出，基质沥青在胶粉改性后的低温性能虽然都满足PG低温等级-34的要求，但是70#基质沥青改性后的性能指标优于 90#的，其车辙因子G*/sinδ和抗疲劳因子G*·sin δ反映得较为明显。因此，在橡胶沥青应用研究中，可根据不同区域、气候条件及路面受力情况，综合考虑后，对基质沥青作出选择。

表6 不同基质沥青下橡胶沥青性能检测结果Table 6 Performance test results of rubber asphalt under different kinds of the matrix asphalt

6 结论

根据SHRP体系试验要求，完善了橡胶沥青的制备工艺，分析了胶粉对沥青改性过程中的各种影响因素，得出的结论为：

1) 橡胶沥青对胶粉种类和细度具有选择性。①从胶粉型号上看，胶粉越粗，高温熔胀后与沥青形成的网格状态越显著，改性后沥青沥青性能越优，20目的胶粉优于40目和60目的。②从胶粉种类上看，货车轮胎胶粉改性后橡胶沥青的软化点是小车轮胎胶粉的 1.1～1.3倍。老化前货车轮胎胶粉的车辙因子是小车轮胎胶粉的 1.5～2.0倍，老化后货车轮胎胶粉的车辙因子是小车轮胎胶粉改性沥青的1.6～2.1倍。货车轮胎胶粉的抗疲劳因子只占到上限要求的 6%，货车轮胎胶粉的蠕变劲度为小车轮胎胶粉改性沥青的 65%～75%，整体货车胶粉优势明显。

2) 随着胶粉掺量的增加，橡胶沥青高、低温性能以及抗老化性能明显增加。从施工的便易性考虑，16%～18%的胶粉掺量比较合适。

3) 随着拌和温度的升高，车辙因子降低，抗疲劳因子升高，建议拌合温度控制在180 ℃以内。

4) 沥青标号较高时，轻组分的含量较高。70#基质沥青经过胶粉改性后的性能指标优于 90#的，车辙因子G*/sin δ和抗疲劳因子G*·sin δ反映得较为明显。即：增加基质沥青标号，可提高橡胶沥青的低温性能、抗老化性能及抗疲劳性能；反之，橡胶沥青的高温性能有所下降。