不同掺量胶粉对沥青性能影响的研究

田国

（山东省济宁市微山县交通运输服务中心，山东 济宁 277600）

0 引言

沥青路面一直是我国高速公路建设和大中城市路面建设的重点路面构成，伴随着经济社会的高速度发展，高速公路工程项目的建设规模逐渐增大，路面技术标准逐步提高，对沥青建筑材料市场的供应量，尤其是新兴高性能沥青建筑材料的需求量也开始增加。

运用相关的物理学理论和化学特性，能够对水泥沥青材料进行改造，从而生成一种新的材料并将其作为道路辅料。同时，还可以合理利用废旧的轮胎物料，将其磨碎之后充分搅拌，并在高温条件下加入沥青混凝土材料中，这样不仅可以增强沥青混凝土在铺路过程中的柔韧度，还能吸附沥青混凝土材料中的油蜡，从而提高沥青混凝土铺路材料的耐高温性，实现对于沥青的改性，提高铺路沥青混凝土材料的抗老性能，提高其弹力。对比传统的铺路材料水泥沥青而言，这种方式不仅能够提高道路的柔韧度，还能缓解道路反光的情况，提高行车的舒适度，同时还能提高道路的安全性，降低3～8dB的噪音，相当于降低了30%～40%的道路车流速，改善了道路的机械性质，并延长了道路的使用寿命。所以，本文对胶粉改性沥青的研究，将产生巨大的理论作用与工程意义[1]。

1 胶粉改性沥青的试验内容

1997年，ASTM（美国联邦建筑材料与测试联合会）将橡皮沥青料（AsphaltRubber，简称为AR）界定为由沥青料、可回收的轮胎胶粉末以及一些添加剂混合而成的胶结料，其橡胶成分占总数的15%以上，并需要橡皮颗粒和热沥青料的完全化学反应形成热溶胀。国外对胶粉改造沥青涂料长达20余年的应用结果也显示，与一般的水泥沥青料相比，橡皮水泥沥青料具备了耐高热变形、耐低温裂缝、防止热反射裂纹的产生、持久性较好等优势。而改性的胶粉掺入量，也是影响橡皮水泥沥青料特性的一项主要因素。

其他各国也对橡皮水泥沥青料中的胶粉掺入量有相似规定。主要对各种胶粉掺杂度的橡胶沥青进行了特性测试，并分析了各种比例的橡胶粉对掺杂度橡胶沥青特性的影响。

1.1 材料的选择

此次试验主要选择AH-70作为铺路材料，选择废旧车胎的重新加工改性胶粉作为改进剂。沥青材料在高温条件下升温至160oC，然后把胶粉按比例逐渐掺入沥青料中并连续搅拌，搅拌时间为10min，沥青材料在这一过程中发生改性，然后将其放入高速剪切乳化机中，在经过200oC、5000r/min长达一个小时的处理过程中，进一步加热并排出气泡，而后再根据既有规定制成试模。经过检测试验发现，改性沥青在高温条件下的稳定性、抗裂特性、抗老化特性更强，同时还具有更好的弹性复原性，并具备感温特性[2]。

1.2 试验过程

根据上述试验条件可以得出，不同的胶粉掺杂度下橡胶沥青的针入度数值，在生产要求和改性胶粉细化性能基本不变的情况下，会随着废胎胶粉掺杂量的增加而升高，胶沥青软化点也呈现递增。在5oC的延度下，与普通的硫化橡胶沥青相比，脱硫橡胶沥青的温度变化规律要平稳得多。而通过对试验条件和数据的分析可以发现，胶沥青料的软化点远高于基质沥青，这表明，相对沥青料的高温特性，硫化橡胶粉具有更显著的温度提高效果。这主要是因为，在不同增味剂的共同作用下，硫化胶粉的热稳定性能良好，而粒子的胶分子则呈现出交联结构特点，这有助于改善沥青料的热稳定性能。胶粉剂量的增大，能够制造出质量更好的改性沥青，从而获得良好的改造效果。也就是说，一方面胶微粒结与沥青料分子融合后数量增多，另一方面也会增加沥青料中空隙网状构造（沥青质的胶体与溶胀的橡胶粉）的概率。因此，由上述分析能够发现，随着胶粉剂量的增加，无论增加40%还是60%，软化点上升的势头都会逐渐变缓。当橡胶沥青的掺入量超过20%时，软化点到达最高值，而当掺入量上升到25%时，橡胶沥青的软化点却会降低[3]。

2 试验结果

以橡胶粉中不同的掺适量比例（5%，10%，15%，20%，25%）对沥青进行改性，其试验结果见表1。

表1 胶粉沥青试验结果

由试验结果可知，体积掺量-针入度：在试验过程中，当沥青中加入了改进剂，沥青的针入度会随着废胶或胎粉量的提高而发生变化，当胶粉掺度较低时，沥青料比较硬，但有的沥青料则比较软，这与沥青料的种类有重要关系。当胶粉掺度较高时，橡胶合成沥青料会随着胶粉用量的增加而逐渐软化，这是由于胶粉吸附了聚合物沥青料中的油分，在溶胀后仍均匀地排布于聚合物沥青料中，从而导致聚合物沥青料的整体软化。

外加剂掺量-黏度：黏度是橡胶沥青料最主要的特点，黏度较高的沥青混凝土料在荷载作用下，形成了较小的剪切强度变化，弹力复原性能较好，这与水泥沥青混料的动态稳定性相关。从试验结果可以得出，黏度变化与水泥沥青混料的动态稳定性规律显然大于针入量和软化点指数。由这一指标可以看出，胶粉的添加可以明显提高沥青料的黏度，并且由于掺杂量的增加，橡胶沥青的黏度也会迅速增加。

掺量-软化点：此次试验所选择的AH-70型沥青，经过添加车胎废料后，软化点增加，耐高温性能有所提高，感温特性发生了改变。具体来说，在胶粉掺量达到15%左右时，沥青的软化点发生了变化，温度提高了7.9%；当温度达到60oC时，黏度大大提高，且软化点在此时达到了8oC；当胶粉掺量继续提高到15%以上时，各项指标的增长幅度都逐渐减小。

外加剂掺量-延度：就试验结果而言，大部分材料的延度值保持在20～35，小于基质沥青。但是也可以看到，外加剂掺量对延度的作用比较明显，随着掺度的提高，延度也逐渐上升，但总体的变化幅度较小。

附加剂掺量-针入度指数：附加剂掺量-针入度在10%～20%期间，针入度指数的改变较为强烈，当胶粉掺杂量超过20%时，针入度指数值基本固定。而路面沥青料的针入度指数应在温度值系数范围内，因此，道路胶粉混入量必须以5%～15%的针入度指数来满足此要求。

掺量-柔韧性修补：废胶胎粉本身就是一种优良的柔韧建筑材料，沥青混凝土柔韧恢复力量的增强，能够减轻负载效应的残余变化，从而减少对路面的损害。试验结果表明，由于提高了废胶胎粉的掺量，沥青的弹力恢复速率也得以提高。

掺量-短期老化：从覆膜电烘焙前后的针入度对比可以发现，橡胶沥青电烘焙后的针入度均超过了70%，其烘箱后的胶水泥沥青黏度也提高了，变软点也比基质水泥沥青少，这表明，胶混凝土沥青的抗变老力比基体水泥沥青强[4]。

掺量-当量脆点：试验证明，将当量脆点作为评判沥青结合料在低温下抗裂特性的重要指标是合理的，这使得使用过程当中的性能提高。

2.1 胶粉的掺量及对橡胶沥青低温延度的影响

根据上述的试验条件，可以得出不同胶粉掺杂度下橡胶沥青的最大延度数值。当增加了废胎胶粉后，经由变化分析可以发现，由于胶粉掺杂量的增大，橡胶沥青的5oC延度曲线出现了显著改变。这表明，相比基质沥青，橡胶沥青的低温特性有了显著提高。在橡胶沥青的5oC延度下，当胶粉掺杂率超过20%时，基本满足技术标准。这主要是因为在混合和溶胀的步骤中，由于胶颗粒吸收了基质沥青料中的部分，导致沥青料在一定温度下发脆的特性显著下降，从而提高了胶黏结构中溶胶的浓度，延缓了裂缝的出现。

2.2 废胎胶粉掺杂量对橡胶沥青韧性恢复程度的影响

按照以上的试验要求和数据分析，可以得出各种胶粉掺杂度下橡胶沥青的弹力恢复统计数据。通过对废胎胶粉的添加情况可以看到，不同胶粉掺杂度的选择能够提高沥青的弹性恢复性能。在溶胀过程中，改性橡胶粉吸附了沥青中的轻质部分，这一方面是因为废胎胶粉的添加改变了沥青胶体的分子结构，另一方面是因为硫化胶粉本身产生了高弹的化学特性，导致基质沥青中高分子数目的沥青质和胶质浓度也有所提高，从而提高了其弹性恢复性能。同时，通过数据的变化可以发现，当胶粉掺量在15%～20%时，对弹性的恢复是最有用的。而且，其弹性恢复性能会随着废胎胶粉的掺量增长而呈上升状态，当胶粉掺量超过15%时，弹性恢复满足要求。但是，弹性恢复指标却在胶粉掺量超过20%及以上时，出现了下滑。

2.3 胶粉的掺量对橡胶沥青布氏旋转黏度的影响

根据上述的试验条件，可以得出不同胶粉掺杂度下橡胶沥青的旋转黏度数值。通过橡胶沥青的布氏黏度变化情况可以看出，掺量较低，处于10%～15%时，布氏黏度相差不大，但其会随着胶粉掺入量的增加而逐渐升高，在胶粉掺入量较大时，布氏黏度的上升幅度也较为明显。这是由于在较高的搅拌温度下，较低胶粉掺杂度的橡胶沥青更接近基质沥青的特性，有着明显的牛顿流体特性，因此黏度值较低、差别较小，而胶粉的20%掺杂度与25%掺杂度的橡胶沥青的布氏黏度值差异也不大。

通过试验可得，在胶粉与沥青质量百分比达到15%时，改性沥青的各项指标表现稳定，基本性能满足要求：黏度有所提高，且抗高温性能在175～185oC之间，初压温度在165～170oC之间；改性沥青的针入度下降，当量脆点下降，而软点、黏度和当量变软点有所提高，这说明改性沥青的高温特性、低温特性得以提高，同时PI值增加，感温性能更好。

当前，改性沥青已经逐渐被应用于铺路工程中，成为一种新兴的材料。它不仅可持续清洁，还能够对周边环境产生积极作用，节约施工成本，减少锅炉噪音，提高驾驶性能。

3 结语

在橡胶沥青材料的制造和运送过程中，储存时间是一个十分关键的问题。由于胶粉和沥青料等高分子材料的分子链不一致，导致相互间不相溶。再加上胶粉的前后加量很大（15%～20%），增加了胶粉沥青材料的黏稠度，使胶粉和水泥沥青料更容易发生混凝土离析，从而产生了装载、搬运的问题。但总体来说，由于胶粉掺杂程度的提高，橡胶沥青混凝土材料的性能也会更好，当胶粉掺杂度在15%以下时，所改性的橡胶沥青混凝土材料的性能基本可以达到国家交通运输部推荐的标准。但当胶粉掺杂程度超过20%甚至更高时，橡胶沥青混凝土材料的性能会发生改变，但不明显。从施工技术的可行性考虑，15%～25%的胶粉掺杂度是相对科学、合理的范围，具体可以根据实际情况，通过在施工项目中进行预测试来确定，从而得到技术性能优异的橡胶沥青料，并尽量保持其优秀的特性，使其在道路施工过程中得到更好的应用和发展。