橡胶复合改性沥青流变性能分析

2020-12-28张云萍王晓丽赵任帅殷卫永

河南科技 2020年31期

张云萍王晓丽赵任帅殷卫永

摘要：为研究橡胶复合改性沥青流变性能，本文借助过Brookfield旋转黏度试验、动态剪切流变试验（DSR）、低温弯曲蠕变试验（BBR）以及扫描电镜和红外光谱微观试验，对橡胶复合改性沥青进行综合分析。结果表明：搅拌时间越久，掺量越大，复合改性沥青黏度越大，掺量增加1倍，黏度增加约4倍;沥青短期老化和长期老化后，70号基质沥青改性后的橡胶复合改性沥青优于90号;70号基质沥青改性下，胶粉掺量降低1倍，劲度模量减少约75%，并与90号基质沥青改性下性能接近;在橡胶和SBS复合改性沥青中，胶粉与SBS发生化学反应，有官能团出现，形成改性剂相和沥青相双连续相，进而改变沥青性能。

关键词：旋转黏度;DSR;BBR;微观结构;流变性能

中图分类号：U414文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）31-0073-05

Analysis of Rheological Properties of Rubber Compound Modified Asphalt

ZHANG Yunping1 WANG Xiaoli1 ZHAO Renshuai1 YIN Weiyong2

（1.Xuchang Highway Administration，Xuchang Henan 461099;2.Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co. Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： In order to study the rheological properties of rubber composite modified asphalt， Brookfield rotational viscosity test， dynamic shear rheological test （DSR）， low temperature bending creep test （BBR）， scanning electron microscope （SEM） and infrared spectrum micro test were used to comprehensively analyze the rubber composite modified asphalt. The results show that the longer the mixing time and the higher the content， the higher the viscosity of the composite modified asphalt is， and the content is doubled and the viscosity is increased by about 4 times; after short-term aging and long-term aging of asphalt， the rubber composite modified asphalt modified by 70 matrix asphalt is better than that of 90 matrix asphalt; under the modification of 70 matrix asphalt， the rubber powder content is reduced by one time， and the stiffness modulus is reduced by about 75% In the rubber SBS composite modified asphalt， the rubber powder reacts with SBS and some functional groups appear， forming the modifier phase and asphalt phase bicontinuous phase， thus changing the asphalt performance.

Keywords： rotational viscosity;DSR;BBR;micro structure;rheological properties

瀝青作为沥青路面工程中重要的基本材料，性能好坏关系到路面的使用性能和寿命，因此，全面评价沥青性能至关重要。橡胶复合改性沥青能消耗大量废旧轮胎，并改善沥青混合料性能，目前正在逐步被推广应用。为全面评价橡胶复合改性沥青综合性能，确保工程质量，需要对橡胶复合改性沥青性能进行更加全面深入的研究。沥青材料流变学是研究沥青材料的弹性、黏性以及流动变形的学科[1-5]，是全面评价沥青性能的重要指标。多数学者对沥青的流变性能进行了相关研究。曾梦澜[6]等人对生物沥青、岩沥青及复合改性沥青常规性能与流变性能的相关性进行分析，研究表明可以通过常规性能指标来合理预估流变性能。李宁[7]等人对自主研发的橡胶树脂（PR）改性沥青进行了流变和微观分析研究。通过分析得出，橡胶树脂（PR）改性沥青具有良好的老化性能。王鹏[8]等人对碳纳米管（CNTs）对SBS改性沥青流变性能的影响进行研究。结果表明：随着CNTs掺量增加，SBS改性沥青动力黏度增加，累积应变减小，劲度模量略有降低;随着CNTs掺量增加，CNTs与SBS、沥青组分间的相互作用越强，SBS改性沥青的流变性能越好。但是，目前关于橡胶复合改性沥青流变性能的研究相对较少。

基于此，本文借助旋转黏度试验、高温流变DSR试验、低温弯曲小梁BBR试验及扫描电镜和红外光谱微观分析，评价橡胶复合改性沥青流变性能，为橡胶复合改性沥青的进一步推广应用及工程质量控制提供参考。

1 原材料检测及橡胶复合改性沥青制备

1.1 橡胶粉

本文采用的橡胶粉细度为20目，检测密度为1.14 g/cm3，含水率为0.55%，橡胶粉筛分结果如表1所示。

1.2 基质沥青

采用中海油70号和90号沥青作为基质沥青制备橡胶复合改性沥青。各项指标见表2。

1.3 橡胶复合改性沥青制备

工程应用中经常用胶粉与SBS制备复合改性沥青。橡胶复合改性沥青改性剂含20目货车胶粉和常规SBS改性剂。以沥青质量为基准，橡胶粉掺量为外掺。掺量在一定范围内浮动，SBS改性剂掺量为定值外掺1%。采用湿法工艺制备复合改性沥青。橡胶复合改性沥青制备工艺如图1所示。为了便于胶粉与基质沥青的有效胶联，适当延长发育溶胀时间。

2 橡胶复合改性沥青黏度分析

本文选取不同搅拌时间的70号沥青制备的成品橡胶复合改性沥青，采用美国布洛克菲尔德旋转黏度仪（见图2），配备SC4-27号转子，测试不同橡胶粉掺量的橡胶复合改性沥青在177 ℃、扭矩在10%～100%范围内的黏度，试验结果如图3所示。

从图3可以得出如下结论。

①随着搅拌时间增长，橡胶复合改性沥青的黏度均有不同程度的增加。其中，橡胶粉掺量越大，黏度变化越明显。搅拌时间相同的情况下，掺量由12%增加1倍时，黏度增加约4倍。这与沥青的溶胀有关，橡胶粉与沥青接触后发生溶胀，轻质油分减少，胶粉颗粒体积变大的同时，增加了沥青相对界面位移移动的阻力，使橡胶复合改性沥青体系度增加。

②随着胶粉掺量的增加，改性沥青黏度逐渐增大，掺量为16%～20%时，橡胶复合改性沥青拌和60 min、在177 ℃下的黏度为1.5～4.0 Pa·s，且黏度曲线比较平缓，有利于橡胶复合改性沥青的施工控制。

③橡胶粉掺量为24%时，橡胶复合改性沥青拌和60 min、在177 ℃下的黏度大于4.0 Pa·s，过高的黏度会增加沥青泵送及混合料拌和、摊铺的施工难度。美国亚利桑那州规定橡胶复合改性沥青在177 ℃的黏度应在1.5～4.0 Pa·s，以满足施工的要求。为保证良好的施工性能，最终确定20目橡胶复合改性沥青橡胶粉的添加比例為内掺16%～20%。另外，在搅拌时间为45～75 min时，黏度增长缓慢。因此，本文认为60 min为最佳搅拌时间。

3 橡胶复合改性沥青动态流变性能分析

黏弹性材料自身性质受外界环境温度影响较大[9-12]。本文从沥青黏弹性本质出发，借助DSR试验分析橡胶复合改性沥青在不同温度下的流变性能，研究胶粉掺量及基质沥青类型对沥青流变性能的影响规律。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）分别对基质沥青进行旋转薄膜烘箱老化和压力加速老化，然后采用MCR301型动态剪切流变仪进行动态剪切试验，试验频率10 rad/s，转动轴直径25 mm。原样沥青和旋转薄膜烘箱老化后沥青试验温度选取76 ℃和82 ℃ 2个温度，压力加速老化后沥青试验温度选择31 ℃。根据试验得到的复数模量[G*]和相位角[δ]计算车辙因子[G*/sinδ]和疲劳开裂因子G*·sinδ。动态剪切流变仪和动态剪切流变试件如图4和图5所示。试验结果如表3所示。

由表3数据分析可以得出以下结论。

①随着胶粉掺量的增加，改性沥青高温抗车辙因子逐渐增大，高温稳定性能得到显著改善，掺量增加1倍时，车辙因子增加约6～9倍。

从长期老化后疲劳开裂因子来看，31 ℃时疲劳开裂因子值在300 kPa左右，远小于上限要求5 000 kPa，表明橡胶复合改性沥青具有较好的抗老化性能和抗疲劳性能，且随着掺量的增加逐渐提高。

②沥青短期老化试验旋转薄膜烘箱老化和长期老化试验压力加速老化后，70号基质沥青改性后的橡胶复合改性沥青的抗老化性能均优于基质沥青为90号的橡胶复合改性沥青。这主要是因为90号基质沥青中轻组分含量较高，在老化过程中沥青中轻质组分挥发，同时在热和氧的作用下，沥青发生了热聚合和氧化反应使得重组分增多，导致沥青硬化变脆，且基质沥青为70号的橡胶复合改性沥青的黏度更大，在静止状态下与空气接触少。

4 橡胶复合改性沥青低温弯曲蠕变性能分析

本文基于弯曲梁蠕变试验（BBR）（见图6），采用弯曲蠕变劲度模量S和蠕变曲线斜率m（劲度模量对荷载作用时间的曲线斜率）来测评沥青结合料的低温抗裂性能。试验过程参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），试验温度为-18 ℃和-24 ℃，试验结果见表4。

由表4数据分析可以得以下结论。

对于70号基质沥青，随着胶粉掺量的逐渐增加，改性沥青的劲度模量逐渐减小，掺量为24%的橡胶复合改性沥青的劲度模量比掺量为12%的劲度模量降低了75%，说明增加橡胶粉掺量有利于提高橡胶复合改性沥青的性能。

由于90号沥青中轻组分的含量较高，因此，经橡胶粉改性后的低温性能略高于70号沥青，但两者比较接近。

5 橡胶复合改性沥青微观结构扫描电镜分析

本文借助扫描电镜和红外光谱微观试验，分析70号基质沥青制备的橡胶复合改性沥青和常规SBS改性沥青的微观结构。SBS改性沥青（SBS掺量为3%）性能指标如表5所示。

借助红外光谱和扫描电镜（SEM）对SBS改性沥青和橡胶复合改性沥青（SBS掺量为1%，橡胶粉掺量20%）进行微观结构分析，结果如图7至图10所示。

结合图7至图10可知，红外光谱显示复合改性沥青和SBS改性沥青峰型相差不大，复合改性沥青SEM图显示却较亮、颗粒更多，说明改性时胶粉与SBS发生了化学反应，有部分官能团的出现，形成改性剂相和沥青相双连续相。从沥青组成结构看，胶粉掺量远远高于SBS，主要是较多胶粉表面被沥青轻组分溶解、溶胀，进而渗入胶粉内部，致使胶粉颗粒表面凝胶膜发生胶黏，胶粉颗粒连接，形成骨架填充基质沥青中，但是SBS只作为分散质分散基质沥青中构成网络结构。

6 结论

本文针对橡胶复合改性沥青流变性能特性，通过Brookfield旋转黏度试验、动态剪切流变试验（DSR）、低温弯曲蠕变试验（BBR）以及扫描电镜和红外光谱微观试验，分析橡胶复合改性沥青流变性能。主要结论如下。

①橡胶复合改性沥青黏度分析中，橡胶复合改性沥青黏度与搅拌时间成正比，且橡胶粉掺量越大，黏度变化越明显。胶粉掺量增加1倍时，黏度增加约4倍。

②抗车辙因子[G*/sinδ]大小与胶粉掺量成正比，掺量增加1倍，[G*/sinδ]增加约6～9倍。

③31 ℃时的疲劳开裂因子[G*·sinδ]在300 kPa左右，反映了橡胶复合改性沥青较好的抗老化性能和抗疲劳性能。

④沥青短期老化和长期老化后，70号基质沥青改性后的橡胶复合改性沥青优于90号。

⑤70号基质沥青改性下，胶粉掺量降低1倍，劲度模量减少约75%，并与90号基质沥青改性下性能接近。

⑥在橡胶和SBS复合改性沥青中，胶粉与SBS发生化学反应，有官能团出现，形成改性剂相和沥青相双连续相，进而改变沥青性能。

參考文献：

[1]王新强，王国清，王庆凯，等.高掺量胶粉改性沥青混合料动态粘弹性分析[J].硅酸盐通报，2018，37（10）：3303-3309，3316.

[2]张鹏，尹振羽.废旧轮胎再生橡胶粉对沥青物理性能及流变性能的影响[J].山东科技大学学报（自然科学版），2019（2）：57-64.

[3]杨茂军.胶粉表面处治对橡胶沥青中高温性能影响研究[J].公路，2019（2）：33-38.