胶粉掺量对橡胶沥青高温流变性能的影响分析

廖 苏，廖江林，袁祖光，黄 岩

(广西交通投资集团百色高速公路运营有限公司，广西 百色 533000)

0 引言

近年来，随着人均汽车保有量的逐渐增加，大量废弃轮胎的处理成为一大社会难题。废旧轮胎的主要原料是橡胶粉，通过将废旧轮胎破碎后的橡胶粉掺入基质沥青中，不仅能够提供一种很好的废旧轮胎消纳方式，还能使基质沥青性能得到一定程度改善。相关理论研究[1-5]以及许多实体工程的应用已经证明，橡胶沥青是一种环境友好、高性能的道路工程材料。

目前对橡胶沥青的大量研究集中在其作用机理以及组成配方等方面，而在橡胶沥青的实际应用中，橡胶粉掺量不仅直接关系到性能变化，同时也对经济性产生影响。为探究橡胶粉掺量对沥青高温性能的变化，本文采用布什黏度计和动态剪切流变仪对不同掺量橡胶粉制备的橡胶沥青进行性能试验，从流变角度分析橡胶粉掺量变化对沥青高温性能的影响，为后续相关橡胶沥青应用提供经验参考。

1 试验

1.1 原材料及主要仪器设备

(1)基质沥青：采用泰普克A-70#道路石油沥青，其性能指标如下页表1所示。

表1 70#基质沥青的性能指标表

(2)橡胶粉：采用广西交科新材料科技有限责任公司生产的30～80目橡胶粉，其技术指标如表2所示。

表2 橡胶粉技术指标表

(3)主要仪器设备：上海弗鲁克科技发展有限公司生产的高速剪切乳化机；美国TA仪器公司生产的动态剪切流变仪，型号为DHR-1混合型；美国博勒飞生产的布氏黏度计，型号为DV2T。

1.2 制备方法

采用“搅拌+高速剪切”的方法制备橡胶沥青，先将基质沥青加热至流动状态，外掺相对剂量的橡胶粉后以500 rad/min的速度搅拌发育50 min，再以5 000 rad/min的剪切速率高速剪切2 min，最后以500 rad/min的速度搅拌发育30 min。整个沥青制备过程的加工温度维持在180 ℃～190 ℃。

1.3 试验设计及试验方法

采用外掺法添加橡胶粉，橡胶粉的掺量分别为沥青质量的16%、18%、20%、22%和24%，将制备好的橡胶沥青分别进行以下试验：

(1)采用布氏黏度计测定橡胶沥青在180 ℃下的旋转黏度。

(2)采用动态剪切流变仪对橡胶沥青进行温度扫描，采用应变控制加载模式，加载频率为10 Hz，扫描温度为52 ℃～82 ℃。

(3)采用动态剪切流变仪对橡胶沥青进行多重应力蠕变恢复试验，在60 ℃试验温度条件下，采用0.1 kPa及3.2 kPa两个应力水平分别进行“加载-卸载”循环，每个应力水平下加载1 s，卸载9 s，0.1 kPa下重复20个周期，3.2 kPa下重复10个周期，时间共计300 s。

2 试验结果分析

2.1 黏度试验

SHRP计划中推荐采用布氏黏度计来测定不同温度条件下沥青材料的黏度，并以此来评价沥青混合料的施工性能。但橡胶粉掺入到沥青后发生混熔、熔胀、交联等反应，不同的反应温度会导致其性能表现出较大的差异，无法进行稳定评价。相关研究表明，在180 ℃的温度条件下，橡胶沥青的性能表现较为稳定，因此本文以180 ℃作为控制温度，测定不同橡胶粉掺量的橡胶沥青的黏度变化，试验结果见图1。

图1 不同胶粉掺量条件下橡胶沥青180 ℃布氏黏度柱状图

从图1可以看出，在180 ℃温度条件下，随着橡胶粉掺量的增加，橡胶沥青的黏度不断增加。从数值上看，橡胶粉掺量在16%与18%时黏度值较为接近，均接近1 Pa·s；当橡胶粉增加至20%时，黏度值增加近1倍，达到2 Pa·s左右；橡胶粉掺量增加至22%时，黏度值相比20%掺量橡胶沥青增加了40%；而当胶粉掺量达到24%时，橡胶沥青的黏度值急剧增长到近5 Pa·s，已是16%胶粉掺量黏度值的5倍。由此得知，纯胶粉改性沥青主要是通过胶粉在热沥青中的混熔、熔胀、交联等反应促进沥青性能的体系变化，最终导致其黏度增加。结合相关规范要求及施工经验来看，橡胶沥青的180 ℃布氏黏度值在2.5～3.0 Pa·s的范围内，其施工性能最佳。胶粉掺量<18%时，橡胶沥青的黏度值过低，虽然能保证其施工性能，但其经济性较差，胶粉掺量存在进一步提升的空间。胶粉掺量在22%时的黏度值达到一个拐点，能够在保证施工性能的前提下达到胶粉最大掺量。而胶粉掺量达到24%时，橡胶沥青的黏度值已超出正常施工范围，这是因为胶粉掺量过多，基质沥青中的轻质组分不足以被胶粉完全吸收，从而导致部分胶粉不能被沥青所溶解，未溶解的胶粉则以游离颗粒形式存在于沥青之中，导致沥青体系黏度的增加。综合考虑，橡胶粉改性沥青的橡胶粉掺量建议≤22%。

2.2 温度扫描试验

车辙因子G*/sinδ是SHRP计划中表征抗车辙性能的重要指标，通过对橡胶沥青进行温度扫描可以获取连续温度变化条件下的车辙因子变化，以评价其抗车辙能力，这也是目前研究沥青流变性能的常用方法。本文对不同橡胶粉掺量的橡胶沥青进行温度扫描，以评价其抗车辙能力，具体结果如图2所示。

图2 不同胶粉掺量条件下橡胶沥青温度扫描图

从图2可以看出，随着温度逐渐升高，各橡胶粉掺量下的橡胶沥青车辙因子G*/sinδ会持续下降，表明其抗高温性能会随着温度升高逐步下降。沥青再掺入橡胶粉后，其性质本质仍是一种粘弹性材料。随着温度不断升高，其变形会由弹性变形趋向塑性变形，抗高温性能会逐渐丧失。在同一温度条件下，不同橡胶粉掺量下的车辙因子G*/sinδ呈现出明显差异，表明橡胶粉掺量的不同会导致抗高温性能出现变化。以60 ℃为例，车辙因子G*/sinδ由大到小依次分别是橡胶粉掺量为20%、22%、24%、18%以及16%时。当橡胶粉掺量从16%增加至20%时，其车辙因子G*/sinδ持续增加，表明其抗高温性能得到有效提升，而当橡胶粉掺量从20%增加至24%时，其车辙因子G*/sinδ出现显著衰减，表明掺加过多橡胶粉并不能有效提升橡胶沥青的抗高温性能，反而会起到负面抵消作用。这主要是因为过量的橡胶粉未能在沥青当中吸收足够多的轻质组分，甚至以颗粒形式存在于沥青中，未形成良好的整体结构性能，导致其抗高温性能反而因橡胶粉掺量的增加而出现下降。

为进一步探究橡胶粉掺量对沥青感温性能的影响，对车辙因子G*/sinδ和温度T坐标同时取对数坐标进行线性拟合，拟合公式为：

lg(G*/sinδ)=KlgT+C

(1)

式中，K和C值均为拟合方程的回归系数，其中K值的绝对值可以用来表征沥青的感温性，具体拟合结果如表3所示。

表3 双对数坐标下车辙因子与温度的线性拟合关系表

从表3可以看出，各橡胶粉掺量条件下的拟合公式均具有很好的线性相关性，其相关系数均达到0.9以上。随着橡胶粉掺量的增加，|K|值先增加后减小，并在橡胶粉掺量达到20%时|K|值达到最大。这表明橡胶沥青的感温性能随着橡胶粉掺量的增加先增大后减小，并在橡胶粉掺量为20%时能够最大程度改善沥青的感温性能。这说明过量的橡胶粉不仅对橡胶沥青的高温性能会产生负面作用，其感温性能也会遭到破坏。

2.3 多重应力蠕变试验

相关研究认为单纯依靠车辙因子进行抗车辙能力评价存在相关性较差的问题，于是SHRP计划在后期完善多重应力蠕变试验(MSCR)作为另一项高温性能评价试验。该方法通过模拟不同荷载情况下的多个“加载与卸载”，以变形恢复率R和不可恢复蠕变柔量Jnr等指标来进行高温性能评价。本文在60 ℃的试验温度条件下对不同掺量橡胶沥青进行多重应力蠕变试验，其具体结果如下。

图4 不同胶粉掺量条件下蠕变柔量Jnr变化柱状图

恢复率R值表示可恢复应变在总应变中所占的比例，其值越大表示其抗高温性能越好，而不可恢复蠕变柔量Jnr表示沥青在应力作用下的应变水平，其值越小表示其抵抗变形能力越好。从图3～4可以看出，在0.1 kPa的应力水平下，橡胶粉掺量从16%逐渐增加至20%时，R值持续增加，而当橡胶粉掺量从20%逐渐增加至24%时，R值出现显著下降。而当应力水平从0.1 kPa增大至3.2 kPa，各橡胶粉掺量下的恢复率R值出现显著下降，不同橡胶粉掺量的恢复率R值变化规律与0.1 kPa应力水平下相同。不可恢复蠕变柔量Jnr的变化规律在两个应力水平条件下也是先减小后增加，在橡胶粉掺量为20%时呈现出明显拐点。由此得出，随着应力水平的增加，橡胶沥青的抗高温性能会变差，而橡胶粉的掺量也不是越多越好，超过最佳掺量后，其抗高温性能会出现衰减。

图3 不同胶粉掺量条件下恢复率R变化柱状图

从图5可以看出，橡胶粉掺量在20%时，恢复率差值Rdiff最小。恢复率差值Rdiff可以用来表征沥青的应力敏感性，这说明在该橡胶粉掺量下能够很好地抵抗由于应力增大而出现快速永久变形的趋势，这与恢复率R值和不可恢复蠕变柔量Jnr变化所得出的结论是一致的。

图5 不同胶粉掺量条件下恢复率差值Rdiff变化柱状图

3 结语

(1)橡胶粉掺量的增加会使得橡胶沥青的180 ℃旋转黏度增加，结合相关施工经验及相关规范要求综合分析，橡胶粉掺量≤22%时能够保证其具有较好的施工性能。

(2)温度扫描试验和多重应力蠕变试验的指标呈现出较为一致的变化规律，随着橡胶粉掺量的增加，橡胶沥青的抗高温性能先增加后减小，在橡胶粉掺量为20%时具备最佳的抗高温性能和感温性能。

(3)综合黏度指标及相关流变指标，橡胶沥青的最佳胶粉掺量建议为20%。