蜡基温拌添加剂对橡胶粉改性沥青性能影响研究

周 慧

(昆明公路局，云南 昆明 650200)

0 概 述

疲劳开裂和永久变形是沥青路面的两大病害，导致沥青路面的养护成本增加，使用寿命降低。沥青胶结料虽然只是沥青混合料中的一小部分，但对其性能特征有相当大的影响。研究表明，沥青胶结料的流变性能直接影响沥青混合料的抗疲劳和抗车辙性能。因此，已有大量研究关于在沥青胶结料中使用各种添加剂来提高和改善沥青混合料的抗疲劳和抗车辙性能。

如今，道路上车辆数量的增加已经导致废旧轮胎的产生速度大幅度提高。由于废轮胎对环境存在不利影响，其回收与再利用确是一个应当关注的问题。将橡胶粉用于沥青改性可以提高沥青混合料的性能，从而延长沥青路面的使用寿命，降低维护成本。此外，有研究表明，橡胶粉改性沥青胶结料比纯沥青胶结料具有更好的抗老化性能，提高了沥青混合料的抗车辙和抗疲劳性能，降低了行车噪声，并且具有更好的抗滑性能。

尽管具有上述优点，与纯沥青胶结料相比，CRMA胶结料的主要缺点是粘度高，和易性降低，因而需要更高的混合和压实温度。而更高的沥青混合料生产温度会增加燃料消耗和有毒气体排放；另一方面，如果压实温度不够，沥青混合料的体积性能(空隙率和压实度)就很难甚至无法实现，这将导致沥青路面短期和长期性能较差。相应地，这些因素也限制了橡胶沥青混合料的充分推广应用。因此，我们考虑降低橡胶沥青混合料混合和压实温度的需要。

研究表明，不同类型的WMA添加剂可以通过降低橡胶粘结剂的粘度和增加其和易性来显著降低沥青混合料的生产温度。因此，温拌橡胶沥青混合料是一种既环保又能改善性能的可持续铺装技术。

1 原材料与试验方案

1.1 基质沥青

基质沥青性质见表1。

表1 基质沥青性质

1.2 橡胶粉改性剂(CRM)

本研究中采用40目CRM，最大尺寸为0.425 mm，添加量为15%。

1.3 WMA添加剂

松蜡是蜡和油的混合物，聚丙烯蜡是聚丙烯生产过程的副产品。

蜡基添加量为基质沥青的2%、4%、6%。

表2 蜡基添加剂理化性质

1.4 粘结剂制备

先将基质沥青与15%CRM混合45 min，在180 ℃下，使用高速剪切搅拌机，转速为3 600 rpm。然后将蜡基添加剂添加到CRMA粘结剂中，在160 ℃温度下，搅拌10 min。制备得到8种不同的沥青粘结剂，见表3。

表3 沥青粘结剂

2 试验方法

2.1 旋转粘度仪试验(RV)

为了保证沥青胶结料的泵送性能以及沥青混合料的和易性，进行旋转粘度仪试验，允许最大粘度为3 Pa·s，试验温度为135 ℃(标准试验温度)、165 ℃、185 ℃。

2.2 动态剪切流变试验(DSR)

DSR试验通过测量沥青胶结料的复剪切模量G*和相位角δ来描述其弹性和粘性行为，剪切频率为10 rad/s。G*/sinδ用来评价沥青胶结料的抗车辙性能，G*/sinδ值越大，表明沥青粘结剂的抗车辙能力越强，未老化粘结剂的G*/sinδ值应大于1 kPa，RTFO老化粘结剂的G*/sinδ值应大于2.2 kPa。G*·sinδ用于评价沥青胶结料在中间温度的疲劳性能。通过将压力老化粘结剂的G*·sinδ值限制在5 000 kPa以下可以控制疲劳开裂。

2.3 多应力蠕变恢复试验(MSCR)

对RTFO老化粘结剂在64 ℃条件下进行MSCR试验。计算不可恢复蠕变柔量Jnr和恢复率R%两个主要参数，Jnr用于评价反复荷载作用下沥青粘结剂车辙行为，R表示每个循环中可恢复应变与总应变的比值；Jnr-diff表示两种应力水平下Jnr的差值，用于评价沥青粘结剂的应力水平敏感性。

3 试验结果及分析

3.1 RV试验

图1、图2显示了蜡基添加剂对CRMA粘结剂旋转粘度的影响。在135 ℃时，橡胶改性粘结剂的粘度约为基质粘结剂的3倍。橡胶改性粘结剂粘度的明显升高可以解释为在搅拌过程中芳香油的吸收和CRM颗粒的膨胀导致。可以看出，两种蜡基添加剂都降低了CRMA粘结剂的粘度，聚丙烯蜡对CRMA粘结剂粘度的降低程度更大。在135 ℃下，添加6%的聚丙烯蜡可使橡胶改性粘结剂的旋转粘度降低约50%。

图1 松蜡对沥青粘结剂旋转粘度的影响

图2 聚丙烯蜡对沥青粘结剂旋转粘度的影响

3.2 DSR试验

图3、图4为未老化和RTFO老化沥青粘结剂高温下G*/sinδ值。值得注意的是，所有改性粘结剂G*/sinδ变化率均比基质粘结剂低，表明高温抗车辙能力得到了提高。并且，添加聚丙烯蜡的橡胶改性粘结剂的车辙参数最大值均与CR15P2有关，但随着聚丙烯蜡掺量的增加，抗车辙性降低。松蜡对橡胶改性粘结剂的抗车辙性能无显著影响。

图3 未老化沥青粘结剂G*/sinδ值

图4 RTFO老化沥青粘结剂G*/sinδ值

沥青粘结剂的高温性能如表4。在基质沥青中添加15%的CRM，高温性能可提高一个等级。2%的聚丙烯蜡提高了橡胶改性粘结剂的高温性能，而松蜡的加入降低了其高温性能。

表4 沥青粘结剂的高温性能

表5为25 ℃下不同沥青粘结剂的Superpave疲劳参数的详细计算结果，所有沥青胶结料G*·sinδ值均不超过5 000 kPa，满足要求。

表5 25 ℃下G*·sinδ计算结果

3.3 MSCR试验

图5、图6为0.1 kPa和3.2 kPa两种应力水平下沥青胶结料MSCR试验结果，较低的Jnr值表明更好的抗永久变形能力和抗车辙性能。R%越大，表明粘结剂的应变恢复能力越强。与基质粘结剂相比，CRMA粘结剂的Jnr值较低，R%值较高，表明其抗永久变形能力较强。在制备阶段，由于CRM颗粒与基质粘结剂的相互作用，使得分子网络结构的刚度增大，改性沥青粘结剂的复模量G*增大，刚度增大。因此，CRMA粘结剂对永久变形的抗力增加。在3.2 kPa应力水平下，松蜡不仅提高了Jnr值，而且降低了恢复率；而在0.1 kPa应力水平下，松蜡的添加使得恢复率略有增加。随着添加量的增加，恢复率逐渐降低。因此，添加松蜡的CRMA粘结剂抗永久变形能力降低。此外，在0.1 kPa应力水平下，聚丙烯蜡降低了Jnr值，提高了恢复率；而在3.2 kPa应力水平下，恢复率并没有明显改变。一般来说，聚丙烯蜡提高了CRMA粘结剂的抗车辙性。在所有沥青粘结剂试样中，CR15P2在两种应力水平下的抗车辙能力均最高。蜡基添加剂对CRMA胶凝剂的车辙性能有不同的影响。一般而言，WMA添加剂的掺加，特别是蜡基添加剂的加入，可以促进CRM与基质粘结剂的相互作用。

图5 沥青胶结料不可恢复蠕变柔量Jnr

图6 沥青胶结料恢复率R%

图7为沥青粘结剂Jnr-diff参数变化情况。可以看出，CRM的使用增加了基质粘结剂对应力水平变化的敏感性。随着松蜡的加入，这一趋势仍在继续，其结果在可接受范围内(小于15%)。在所有沥青粘结剂中，CR15S6的Jnr-diff值最高，CR15P2的Jnr-diff值最低。结果表明，聚丙烯蜡的加入可以降低CRMA粘结剂对应力水平变化的敏感性。

图7 沥青胶结料Jnr-diff值

4 总 结

研究了两种蜡基温拌添加剂对CRMA粘结剂流变性能的影响，对粘结剂样品进行了RV、DSR、MSCR等一系列试验，主要结论如下。

(1)松蜡和聚丙烯蜡降低橡胶改性粘结剂的粘度。添加剂掺量的增加导致CRMA粘结剂粘度的降低。然而，掺聚丙烯蜡粘度降低程度更大，在135 ℃下，6%掺量降低CRMA粘结剂旋转粘度50%。

(2)聚丙烯蜡提高了CRMA粘结剂的高温性能。加入2%聚丙烯蜡后，CRMA粘结剂的PG高温由70 ℃提高到76 ℃。另一方面，松蜡降低了CRMA粘结剂的高温性能，CR15S6的PG高温与基质粘结剂差不多。

(3)MSCR试验结果表明，聚丙烯蜡对改善CRMA粘结剂的车辙参数有积极作用，随着其掺量的增加，积极影响逐渐下降。其中，含2%聚丙烯蜡的橡胶改性粘结剂抗车辙性能最好，相较CRMA粘结剂，Jnr值降低49%，R%提高46%。另一方面，松蜡的掺加降低了CRMA粘结剂的抗车辙性，但与基质粘结剂相比，掺松蜡的CRMA粘结剂仍表现出较好的抗车辙性能。

(4)从总体上看，掺CRM和温拌添加剂可提高基质粘结剂的应力敏感性。然而，2%的聚丙烯蜡会降低CRMA粘结剂在高温下对增加的应力水平的脆弱性。