超高掺量胶粉改性沥青性能

蔡 斌，余功新，李彦伟，薛善光

(1. 河北省交通规划设计院 交通运输行业公路建设与养护技术材料及装备研发中心，河北 石家庄 050000；2. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

沥青材料凭借其优良的路用性能，在高等级路面上已经取得了广泛应用，但基质沥青低温易脆裂，高温易流淌，严重缩短了沥青路面使用寿命。掺加胶粉不仅能改善沥青高低温性能、抗变形能力、耐久性等路用性能[1-2]，还可以回收利用废旧轮胎，减少“黑色垃圾”对环境污染，实现废旧轮胎的资源化利用[3]。目前国内外胶粉改性沥青研究与应用中胶粉掺量集中于20%左右，崔亚楠等[4-5]选择SBS改性沥青和掺量为18%的胶粉改性沥青，从宏观角度对比分析了老化对改性沥青微观结构和疲劳性能的影响，发现胶粉表面网状结构能够很好地吸附沥青，其老化前后疲劳性能、高温性能均优于SBS改性沥青；黄卫东等[6-7]采用美国Terminal Blending无搅拌润湿工艺，制备了掺量为20%的TB胶粉改性沥青，综合针入度、软化点、延度、存储稳定性和黏度等指标对比分析了TB胶粉改性沥青与普通橡胶沥青性能，发现TB工艺能够促进胶粉完全溶于沥青，TB胶粉改性沥青存储稳定性及流动性均优于普通橡胶沥青；N. S. MASHAAN等[8]研究了胶粉掺量对改性沥青性能的影响，发现胶粉掺量是影响改性沥青流变性能的主要因素，高掺量胶粉改性沥青粘度较大，降低了改性沥青的流动性。

随着胶粉改性沥青应用推广，加大胶粉掺量并提升胶粉改性沥青性能成为了国内外学者研究的热点[9-10]，S. J. LIU[11]研究了胶粉掺量、胶粉细度和材料共混温度对胶粉改性沥青渗透性与弹塑性，综合考虑胶粉改性沥青的渗透性、延展性和弹性恢复率等方面，推荐了胶粉改性沥青最佳制备工艺参数(共混温度为180 ℃、胶粉掺量为25%、胶粉颗粒尺寸为60目)；董瑞琨等[12]制备了胶粉掺量为30%的高温裂解胶粉改性沥青，基于5 ℃延度试验、差示扫描量热试验和低温弯曲梁流变试验，发现适当延长加工时间、提高加工温度在一定程度上提升了胶粉改性沥青的低温延展性，但也加速了胶粉改性沥青老化；王新强等[13-14]制备了高掺量(30%)胶粉改性沥青混合料，基于动态模量试验、车辙试验、低温弯曲试验和疲劳试验，系统评价了高掺量胶粉改性沥青路面的动态黏弹特性、高温稳定性、低温抗裂性，发现高掺量胶粉改性沥青路面具有良好的路用性能；杨三强等[15]为解决高掺量胶粉与沥青相容性问题，采用热重试验、扫描电镜试验和红外光谱试验研究了不同掺量的胶粉改性沥青微观性能，发现高温造成沥青中轻质组分挥发，降低了高掺量胶粉改性沥青的相容性，活性聚合剂可在一定程度上降低高掺量胶粉改性沥青黏度和改善胶粉分布形态。由此可见，胶粉改性沥青研究开始从常规掺量胶粉改性沥青向高掺量胶粉改性沥青过渡，但是关于超高掺量胶粉改性沥青的研究鲜有报道。

为此，选取70#基质沥青与30目废旧轮胎胶粉，提高胶粉掺量至占沥青质量40%(超高掺量)，确定胶粉改性沥青最佳制备工艺，制备超高掺量与常规掺量(占沥青质量20%)胶粉改性沥青，基于沥青常规试验测试胶粉改性沥青针入度软化点、延度及老化性能指标，采用动态剪切流变试验(DSR)和弯曲梁流变试验(BBR)明确胶粉改性沥青PG分级性能，通过材料拉伸试验研究胶粉改性沥青黏韧性，采用热重分析仪(TGA)、荧光显微镜和扫描电镜(SEM)技术揭示胶粉改性沥青的微观结构，为超高掺量胶粉改性沥青的推广应用奠定基础。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

选用京博70# A级道路沥青、定州增力胶粉有限公司生产的30目胶粉，其参数指标如表1～表2[16-17]。软化油为邻苯二甲酸二辛酯(DOP)，采用塑解剂(超高掺量胶粉改性沥青专用)作为降黏剂，石油树脂(超高掺量胶粉改性沥青专用)作为补强剂。SBS为LG501，实验室自制交联剂。

表1 70#基质沥青技术指标Table 1 Technical indicators of 70# matrix asphalt

表2 路用废胎胶粉化学技术指标Table 2 Chemical technical indexes of waste tire rubberpowder %

1.2 制备工艺

采用电热炉加热70# A级沥青，电动搅拌器匀速搅拌，当沥青加热至140 ℃时，依次加入SBS、DOP、石油树脂(超高掺量胶粉改性沥青专用)和塑解剂(超高掺量胶粉改性沥青专用)，升温至185 ℃时，加入胶粉(胶粉掺量占沥青质量20%时为100 g，胶粉掺量占沥青质量40%时为260 g)，继续加热至190～200 ℃时保持温度搅拌30～50 min，以保证胶粉充分溶胀；然后使用高速剪切乳化实验机进行高速剪切，剪切速率为7 000 rpm，剪切时间为8～10 min，剪切完毕后，加入交联剂搅拌5 min，然后继续剪切8～10 min，剪切速率为7 000 rpm，剪切完毕即制得超高掺量胶粉改性沥青[18]。

1.3 试验方法

采用薄膜烘箱加热老化试验(TFOT)和压力老化试验(PAV)，试验测试胶粉改性沥青的抗老化性能[19]；采用动态剪切流变试验[20]和弯曲梁流变试验分析超高掺量与常规掺量胶粉改性沥青的高低温性能；基于材料拉伸试验测试胶粉改性沥青的拉伸强度和断裂伸长，评价胶粉改性沥青的黏韧性能；在180 ℃环境下，采用热重分析仪、荧光显微镜试和扫描电镜研究胶粉改性沥青的微观性能，分析胶粉在沥青中的分布形态。

2 超高掺量胶粉改性沥青路用性能

2.1 超高掺量胶粉改性沥青基本性能

为确定超高掺量胶粉改性沥青基本性能，分别测试掺量为20%和40%的胶粉改性沥青针入度、延度、离析软化点差以及老化性能等指标，试验结果如表3。

由表3可知：与常规胶粉改性沥青相比，超高胶粉改性沥青针入度和延度大大提升，180 ℃旋转黏度增幅不大(整体小于4.0 Pa·s)，这是由于石油树脂内含有C=C键，可在一定程度上增加改性沥青黏度，导致超高掺量的胶粉改性沥青黏度增大，此外，由于超高掺量胶粉改性沥青在保留部分胶粉弹性核心的基础上，多余胶粉被降解，材料体系交联密度减小，在塑解剂作用下部分胶粉恢复天然橡胶属性，使得胶粉改性沥青体系变软、韧性增强，导致与常规掺量胶粉改性沥青相比，超高掺量胶粉改性沥青黏度增幅不大。

表3 胶粉改性沥青性能Table 3 Performance of rubber powder modified asphalt

与基质沥青相比，常规掺量胶粉与超高掺量胶粉改性沥青的软化点大幅提升，这是沥青中的芳烃油被胶粉和SBS溶胀吸收，引起其胶质与沥青质含量相对较高，软化点升高；超高掺量胶粉改性沥青软化点略小于常规掺量胶粉改性沥青，这是因为多余部分的胶粉吸收了更多的沥青轻质组分，石油树脂改善了SBS中硬嵌段与沥青的相容性，增强了SBS、胶粉与沥青三者的网状结构，一定程度上提升了超高掺量胶粉改性沥青软化点。

超高掺量胶粉改性沥青弹性恢复有所降低，这是因为石油树脂侧链内的刚性分子增加了改性沥青的低温脆性，同时芳烃油含量减少，使得复合改性沥青体系的溶胀程度降低，超量部分胶粉降解使胶粉改性沥青开始由硬质弹性体向软质塑性体转变，弹性恢复性能下降；超高掺量胶粉改性沥青离析软化点差明显低于常规掺量胶粉改性沥青，这是由于超量部分胶粉降解后的小颗粒与沥青相容，胶粉改性沥青由热力学不稳定体系逐步转变为热力学亚稳定体系，使得胶粉改性沥青存储稳定性显著改善。

对比分析胶粉改性沥青老化性能指标，超高掺量胶粉改性沥青老化后质量损失更小，低温延度更大，这是由于在高速剪切过程中大量胶粉中C=C键被打开与沥青反应形成新的稳定交联结构，一定程度上提高了胶粉改性沥青的抗老化能力。综合考虑胶粉改性沥青老化性能指标，超高掺量胶粉改性沥青抗老化性能优于常规掺量胶粉改性沥青。

2.2 超高掺量胶粉改性沥青PG分级性能

传统的针入度、延度指标只能反映某一温度下沥青高低温性能，具有一定局限性[21]。为系统掌握胶粉改性沥青高低温性能，基于动态剪切流变试验和弯曲梁流变试验测试胶粉改性沥青高低温抗变形能力，确定胶粉改性沥青PG分级，具体结果如表4。

由表4可知：超高掺量胶粉改性沥青老化前后的车辙因子(G*/sin)均略小于常规掺量胶粉改性沥青，这是由于在塑解剂作用下超高掺量胶粉改性沥青中大量胶粉降解导致材料弹性增加，强度降低，从而使得胶粉改性沥青结合料高温抗车辙能力较弱；沥青疲劳因子(G*sinδ)达到5 000 kPa的越低，说明材料的抗疲劳性能越好，表4中超高掺量胶粉改性沥青疲劳极限温度较常规掺量胶粉改性沥青低6 ℃，表明超高掺量胶粉改性沥青抗疲劳性能优于常规掺量胶粉改性沥青。

表4 胶粉改性沥青PG分级性能Table 4 PG grading performance of rubber modified asphalt

超高掺量胶粉改性沥青劲度模量为常规掺量胶粉改性沥青1/2左右，且超高掺量胶粉改性沥青蠕变速率更高，说明超高掺量胶粉改性沥青低温开裂几率较小，具有较强的低温抗开裂能力，这说明塑解剂作为降黏剂掺入沥青体系中提高了胶粉改性沥青的应力松弛能力，增强了材料体系的低温性能。因此，相比常规掺量胶粉改性沥青，超高掺量胶粉改性沥青高温性能略有下降，但其低温性能和抗疲劳性能得到显著改善。

2.3 超高掺量胶粉改性沥青黏韧性

为确定胶粉改性沥青黏韧性能，选择京博70#基质沥青、掺量为20%和40%的胶粉改性沥青分别进行拉伸试验，测试材料断裂伸长和拉伸强度，结果如图1。

图1 不同掺量胶粉改性沥青黏韧性Fig. 1 Viscosity of asphalt modified with different content ofrubber powder

由图1可知：超高掺量胶粉改性沥青断裂伸长为98 mm，常规掺量胶粉改性沥青断裂伸长不足其1/2，表明提高胶粉掺量显著改善胶粉改性沥青延展性，大大减少材料拉伸过程中的应力集中现象，因此超高掺量胶粉改性沥青具有较高的柔韧性。对比常规掺量胶粉改性沥青材料拉伸强度，超高掺量胶粉改性沥青拉伸强度仅占其61.1%，这是由于掺加适量塑解剂导致超高掺量胶粉改性沥青中多余部分胶粉被降解，材料刚度下降。对比3种沥青胶结料黏韧性曲线，随胶粉掺量增加，改性沥青材料韧性由0.8 N·m提升至6.6 N·m，韧性占黏韧性比重由30.8%增大至88.0%，这表明沥青胶结料由黏性材料逐步向韧性材料转变。

3 超高掺量胶粉改性沥青微观性能

3.1 热重分析

热重分析是在程序控温下，测量材料质量随时间(或温度)的变化关系[22]，常用于研究材料的热稳定性和组分[23-24]。为确定胶粉改性沥青热稳定性，选择70# 基质沥青、掺量为20%和40%的胶粉改性沥青分别在180 ℃下进行热重分析，具体测试结果如图2。

由图2可知：70# 基质沥青、常规掺量与超高掺量胶粉改性沥青在180 ℃下加热2 h，其质量损失分别为6.0%、4.7%和3.3%，这部分损失主要是材料表面吸附的水分子蒸发、沥青与胶粉中低沸点物质(以饱和分为主)挥发和沥青及改性沥青中部分成分氧化分解失重。改性沥青在热环境中的质量损失随着胶粉掺量增加而减小，这是由于大量胶粉溶胀吸收沥青体系中更多的轻质组分，降低了体系中游离的低沸点轻质组分含量，也说明胶粉、SBS改性剂与沥青之间存在一定的物理化学反应，生成了一种热稳定性良好的结构体系。

图2 180 ℃下不同掺量胶粉改性沥青质量损失Fig. 2 The quality loss of modified asphalt with different content ofrubber powder at 180 ℃

3.2 荧光显微镜分析

荧光显微技术是基于改性剂与沥青在荧光光源下颜色差异的原理，观测改性剂在沥青中的形态结构[25-26]。为明晰SBS颗粒在胶粉改性沥青中的分布形态以及胶粉颗粒与沥青相容性，选择胶粉掺量为20%和40%的改性沥青进行荧光显微镜试验，SBS、胶粉颗粒在荧光照射下分别呈现白色和黑色，沥青因无荧光性而无法显示，胶粉改性沥青荧光显微镜图像如图3。

由图3可知：沥青为连续相，胶粉改性沥青中SBS颗粒分布较为均匀，这是由于SBS吸收了沥青中的轻质组分，发生溶胀，使得SBS颗粒粒径减小，分布更为均匀，其中SBS较大颗粒粒径可达11 μm，而较小颗粒粒径不足5 μm，SBS改性剂以棒状长条状为主，并没有形成连续相，其在一定程度上提升胶粉改性沥青力学性能。整个荧光图中胶粉颗粒分布较为均匀，极少数颗粒粒径大于10 μm，且由于荧光显微镜制样局限性，只能观测到极小一片区域，因此荧光图中没有出现较大的胶粉颗粒。与常规掺量胶粉改性沥青荧光图像相比，同等放大倍数下，由于超高掺量胶粉改性沥青中加入了塑解剂，增加了复合材料体系中的轻质油分，多余部分胶粉颗粒充分溶胀，提高了胶粉与沥青的相容性，使得超高掺量胶粉改性沥青中胶粉在局部区域分布更为均匀。

图3 胶粉改性沥青荧光图像(1 000倍)Fig. 3 Fluorescence image of rubber powder modified asphalt(1 000 times)

3.3 扫描电镜分析

扫描电镜较光学显微镜具有更高的放大倍数，图像更具立体感[27]，其已在工程领域得到广泛应用。为对比超高掺量与常规掺量胶粉改性沥青中胶粉分布区别，选择胶粉掺量为40%与20%的改性沥青进行扫描电镜试验，获得胶粉改性沥青试样微观表面形态图像，如图4。

由图4可知：常规掺量胶粉改性沥青中存在较多大颗粒胶粉，表明常规掺量胶粉在沥青中的分布不均匀性，增加胶粉改性沥青应力集中断裂几率，严重降低胶粉改性沥青弯拉强度；而超高掺量胶粉改性沥青由于添加塑解剂使得部分胶粉降解溶于沥青，改善了胶粉与沥青的相容性，增大了超量胶粉在材料中的均匀性，提高胶粉与沥青紧密结合程度，显著提高了超高掺量胶粉改性沥青存储稳定性；至于超高掺量胶粉改性沥青中少量胶粉大颗粒，这应是塑解剂用量偏少或试样制备过程中受到的影响。

图4 胶粉改性沥青扫描电镜图像(1 000倍)Fig. 4 SEM image of rubber powder modified asphalt (1 000 times)

4 结 论

1)针对目前胶粉改性沥青中胶粉掺量较低问题，基于提高胶粉改性沥青性能和加大废旧胶粉利用率及材料优选原理，选取70# 基质沥青与30目废旧轮胎胶粉等原材料，优化胶粉改性沥青制备工艺，在此基础上制备了40%超高掺量胶粉改性沥青。

2)由胶粉改性沥青基本性能试验发现，胶粉掺量由20%提高至40%，但其180 ℃旋转黏度增幅不大；超高掺量胶粉改性沥青老化后质量损失小于常规掺量胶粉改性沥青，且老化后5 ℃延度较大，说明超高掺量胶粉改性沥青具有良好的流变性、延展性和抗老化性能。

3)由动态剪切流变试验和弯曲梁蠕变试验确定超高掺量胶粉改性沥青性能等级为PG 88-34，其G*sinδ<5 MPa所对应温度较常规掺量胶粉改性沥青低6 ℃，劲度模量仅为常规掺量胶粉改性沥青的1/2，且蠕变速率较高，表明超高掺量胶粉改性沥青抗疲劳性能和低温抗裂性均优于常规掺量胶粉改性沥青，但高温抗车辙能力略差。

4)热重曲线显示超高掺量胶粉改性沥青热稳定性是常规掺量胶粉改性沥青的1.42倍。荧光显微镜和扫描电镜图像表明，部分胶粉被降解为细小颗粒溶于沥青，改善了超高掺量胶粉在沥青中的分布形态，提高了超高掺量胶粉改性沥青存储稳定性。

5)主要对超高掺量胶粉改性沥青的路用性能进行了全面研究和评价，分析了超高掺量胶粉改性沥青的微观结构，但尚未考虑SBS、胶粉颗粒和沥青相互作用影响。因此，在后续研究中将对SBS/超高掺量胶粉复合改性沥青作用机理和性能展开深入研究。