废旧轮胎胶粉级配对橡胶沥青性能的影响

王国清，王瑞颖*，秦禄生，刘延雷，王新强

（1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401； 2.河北交通投资集团有限公司，石家庄 050090；3.益路恒丰衡水沥青科技有限公司，河北 衡水 053400）

将废旧轮胎磨碎制成胶粉加入到沥青中并在高温下搅拌混合， 可以实现废弃物资源化利用，改善了废旧轮胎带来的环境问题，具有良好的社会效益［1-3］。美国各州根据所在地区气候环境以及道路的使用要求，在橡胶沥青相关规范中对胶粉级配进行了明确划分［4-5］。但目前我国对胶粉级配并没有明确规定， 通常将胶粉划分为30，40，60 目等， 胶粉中不同粒径具体所占比例，不同厂家有很大的区别。 Mashaan 等［6］用2 种胶粉级配进行研究，发现粗胶粉级配提高了橡胶沥青的流变性能和抗紫外线老化性能。 Venudharan等［7］发现胶粉级配的变化显著影响橡胶改性沥青的基础性能及抗变形能力。 侯天爵等［8］研究在储存过程中胶粉粒径对橡胶沥青性能的影响，发现使用小粒径胶粉橡胶沥青的即时性能最优，而采用大粒径胶粉的橡胶沥青在储存前后的性能变化最小。 王辉等［9］对胶粉的掺量和细度对沥青性能的影响进行研究，得出胶粉的最佳掺量为18%～22%（质量分数，下同）、最佳细度规格为60～80目的结论。 梁明等［10］采用动态热机械分析法研究胶粉粒径对橡胶沥青黏弹特性的影响，结果表明粒径越小在沥青中分布得更集中，大粒径胶粉有助于提升橡胶沥青的高温性能。 本工作在现有胶粉级配研究的基础上，选取8 种胶粉级配，采用针入度体系、美国公路战略研究计划（SHPR）体系等考察评价胶粉级配对橡胶沥青性能的影响，并结合级配参数对其进行分析，提出合适的胶粉级配参数范围，以期能填补现行标准对胶粉级配规定不足的空白。

1 试验部分

1.1 原材料

选用市售70#基质沥青和8 种不同级配的废旧轮胎橡胶粉，胶粉由益路恒丰衡水沥青科技有限公司提供。

胶粉级配粗细以关键筛孔胶粉通过率和细度模数作为评价指标，本工作细度模数的计算参考天然砂细度模数计算公式进行：

式中：Mx为细度模数；A 是指在该筛孔下的胶粉通过率。 按照上述评价方法得到的胶粉级配相关参数见表1。 由表1 可知，40 目和60 目胶粉的通过率差异较大且相对连贯， 通过率分布在20%～100%，因此选择其筛孔通过率进行级配评价。

1.2 试验方法

1.2.1 制备工艺的确定

为选择合适的橡胶沥青制备工艺以及验证胶粉级配对橡胶沥青性能的影响，采用正交法进行试验设计。 在胶粉掺量20%（内掺）的条件下，选取胶粉级配、 发育温度和发育时间为变量，设计3 因素3 水平［L 9（33）］正交试验（见表2），以针入度、软化点、黏度和延度作为评价指标，某因素某水平下试验数据的求和平均值（ki）列于表3。

Table 2 Rubber asphalt preparation process and factor levels

Table 3 Rubber asphalt orthogonal test results

试验结果初步验证胶粉级配对橡胶沥青性能存在影响。 参照《稳定型废旧轮胎胶粉改性沥青技术要求》（DB 13/T 2780—2018） 中Ⅰ类橡胶沥青的技术指标，确定橡胶沥青的最佳发育时间为40 min、最佳发育温度为180 ℃。

1.2.2 橡胶沥青的制备

在135 ℃下将基质沥青加热至具有良好的流动状态，取适量沥青在电炉上快速加热至180 ℃，加入胶粉并用搅拌机搅拌发育40 min，搅拌转速为1 350 r/min， 随后用高速剪切机以7 500 r/min的转速剪切30 s， 搅拌、 剪切期间的温度保持在180～185 ℃。

1.3 橡胶沥青性能评价

针入度体系 参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E 20—2011） 测试橡胶沥青的针入度、软化点、延度、180 ℃黏度及离析软化点差。

SHPR 体系 参照JTG E 20—2011 标准用动态剪切流变仪对橡胶沥青进行温度扫描，测试其相位角和车辙因子，采用应变控制方式，应变参数12%，角频率10 rad/s，试验温度64～94 ℃；采用弯曲梁流变仪进行弯曲蠕变劲度试验， 测试橡胶沥青的劲度模量和蠕变速率， 测试温度分别为-12，-18，-24 ℃。

微观性能 采用热重分析仪考察橡胶沥青在氮气环境下其质量随温度的变化过程，测试温度为室温到600 ℃。 通过荧光显微镜观察不同级配胶粉颗粒在沥青中的状态。 通过胶粉溶解度试验，以橡胶沥青溶解度与胶粉溶解度之差来表示胶粉在沥青中的降解程度。

2 结果与讨论

2.1 基于针入度体系的橡胶沥青性能

基于针入度体系下的8 种级配胶粉对橡胶沥青性能影响的试验结果列于表4。 分析表4 可知：（1）随着胶粉级配变细，橡胶沥青的针入度逐渐增大。 针入度与40 目和60 目筛孔通过率呈正相关、与细度模数呈负相关。 小粒径胶粉比大粒径胶粉的溶胀速度快，其在更早的时间内达到溶胀平衡并开始降解，且在释放溶胀过程中吸收轻质组分，从而导致橡胶沥青的针入度增大。 （2）随着胶粉级配变细， 橡胶沥青的软化点逐渐下降。软化点与40 目和60 目筛孔通过率呈负相关、与细度模数呈正相关。 胶粉粒径越大越容易形成骨架结构， 胶粉颗粒越小则更易在沥青中溶胀降解，使橡胶沥青变软，在高温时就容易产生变形。（3）随着胶粉级配变细，橡胶沥青的延度呈现逐渐增大的趋势。 延度与40 目和60 目筛孔通过率呈正相关、与细度模数呈负相关。 随着胶粉级配变细，胶粉在沥青中的分布更均匀，其改性效果也更均匀。 细颗粒胶粉数量多，因在低温下胶粉颗粒与沥青基体的模量不同，故受到外力作用时会产生应力集中而引发银纹［11］，银纹可以消耗大量的破坏能量，从而提高了沥青的延度。 （4）随着胶粉级配变细，橡胶沥青的黏度逐渐下降。 黏度与40 目和60 目筛孔通过率呈负相关、与细度模数呈正相关。 胶粉粒径的大小影响轻质组分在胶粉内部的扩散速率，进而影响胶粉的溶胀，在相同的作用时间内，胶粉粒径越大就具有更大的体积变化，但粒径越小越容易到达溶胀平衡，加速胶粉的降解并降低交联密度， 从而使得黏度下降。 （5）随胶粉级配变细，橡胶沥青的离析软化点差逐渐下降。 离析软化点差与40 目和60 目筛孔通过率呈负相关、与细度模数呈正相关。 离析软化点差反应了橡胶沥青的储存稳定性，储存稳定性与沥青和胶粉之间的相容性和相互作用有关。胶粉的粒径小有利于改善胶粉与沥青之间的相容性， 而大粒径胶粉在沥青中更容易发生沉降，造成离析。 细胶粉级配改善了橡胶沥青的稳定性，从而能减少离析的发生。

Table 4 Conventional performance of rubber asphalts with different rubber powder grades

2.2 基于SHPR 体系的橡胶沥青性能

2.2.1 胶粉级配对高温性能的影响

在64～94 ℃下测定橡胶沥青的复合模量和相位角并计算车辙因子，结果如图1 所示。 分析图1 可知：（1）随着温度上升，各橡胶沥青的相位角逐渐增大，表明其逐渐变软，弹性部分减少、黏性部分增加，可恢复变形部分减少。 （2）在64 ℃时，橡胶沥青的相位角整体上表现出随胶粉级配变细而逐渐增大的趋势。 沥青黏结料中橡胶颗粒的存在有助于弹性的增加，当胶粉粒径增大时颗粒效应将增强， 细胶粉颗粒效果不如粗胶粉，因此粗胶粉对沥青弹性性能改善的效果更好。 （3）在不同温度下，级配6、7 和8 橡胶沥青的相位角变化幅度相对较小，其感温性较好，表明细胶粉级配可提高沥青的感温性。 （4）64 ℃下的相位角与胶粉的40 目和60 目筛孔通过率呈正相关、与细度模数呈负相关，表明在64 ℃条件下随胶粉级配变细，橡胶沥青的相位角逐渐减小。 （5）随温度升高各橡胶沥青的车辙因子逐渐下降。 胶粉粒径越粗橡胶沥青的车辙因子越大， 高温性能越好。（6）胶粉级配为1～5 橡胶沥青的车辙因子表现出相似的下降规律， 在64～70 ℃时的下降幅度较大，且胶粉越细下降幅度越小，表明细胶粉级配可提高沥青的高温抗变形能力。 （7）车辙因子与胶粉的40 目和60 目筛孔通过率呈负相关、与细度模数呈正相关，表明随胶粉变粗橡胶沥青的车辙因子增大，其高温性能得到提升。

Fig 1 High-temperature performance of rubber asphalts with different rubber powder grades

2.2.2 胶粉级配对低温性能的影响

在-12，-18，-24 ℃条件下橡胶沥青劲度模量和蠕变速率的测试结果如图2 所示。 分析图2 可知：（1）随着温度下降，各橡胶沥青的劲度模量均呈上升趋势，沥青变硬，其低温变形能力和抗裂性能都下降，其中粗胶粉级配橡胶沥青的变化趋势更为明显。 （2）相同的温度条件下，细胶粉级配橡胶沥青的劲度模量较小，与级配1 相比，级配6下降了23.24%，级配8 下降26.10%，说明细胶粉有利于改善橡胶沥青的低温性能。 （3）劲度模量与胶粉的40 目和60 目筛孔通过率呈负相关、与细度模数呈正相关，表明胶粉粒径变细则橡胶沥青的劲度模量变小，其低温性能得到改善。 （4）随温度下降橡胶沥青的蠕变速率呈减小趋势，其中级配8 胶粉的变化趋势较平缓， 级配1 则较明显，说明细胶粉可提高橡胶沥青的感温性，这与高温性能的结果一致。 （5）在相同温度下，随细度模数增大胶粉变细，橡胶沥青的蠕变速率整体也呈上升趋势，表明在同一温度下细级配胶粉对沥青低温性能的改善效果更好，在寒冷地区的抗冻裂性能也更优越。 （6）蠕变速率与胶粉的40 目和60 目筛孔通过率呈正相关、 与细度模数呈负相关，随胶粉变细橡胶沥青的蠕变速率增大，对其低温性能的改善效果更好。

Fig 2 Low-temperature performance of rubber asphalts with different rubber powder grades

3 橡胶沥青微观分析

3.1 热 重

选取胶粉级配分别为1、5 和8 的橡胶沥青进行热重分析的结果如图3 所示， 可以看出，其质量变化温度大概为240 ℃， 其中级配1 橡胶沥青的起始点温度为265.2 ℃， 级配8 橡胶沥青最低为231.4 ℃。 橡胶颗粒越小改性沥青的热解反应速率越快。经过1 h 升温后，三种橡胶沥青的质量损失分别为76.3%、79.2%和80.7%， 随胶粉变细橡胶沥青的质量损失逐渐增大。 由于三种胶粉在沥青中的发育程度不同， 胶粉吸收了轻质组分，则沥青中重质组分的比例增大，而细胶粉更易降解，轻质组分比例有所回升，也说明粗胶粉级配的橡胶沥青对温度的敏感性降低，其高温稳定性更好。

Fig 3 Thermogravimetric analysis curves of rubber asphalts with different rubber powder grades

3.2 荧光显微镜

由图4 可以看出，级配1 和级配5 试样中都出现了大块胶粉， 这是由于胶粉的团聚所致；级配8 胶粉均以细小的颗粒均匀分布。 这表明细级配胶粉在沥青中的分散更均匀，细小胶粉颗粒在沥青中更易降解， 从而使未降解胶粉充分溶胀，提高了胶粉与沥青之间的相容性，更易于沥青形成稳定结构，减少胶粉沉降，从而改善了橡胶沥青的储存稳定性。

Fig 4 Fluorescence images of rubber asphalts with different rubber powder grades

3.3 胶粉在沥青中的降解程度

由表5 可知，随着胶粉变细，其在沥青中的降解程度逐渐增大，也说明不同粒径胶粉所需要的最佳发育时间是不同的。 胶粉降解程度过低则橡胶沥青黏度大；发育程度过高，胶粉在沥青中不能形成骨架结构，导致橡胶沥青黏度小、软化点低。

Table 5 Degradation degree of different grade rubber powders in asphalt

4 结 论

a）随着胶粉级配变细，橡胶沥青的延度和针入度上升，软化点和黏度下降，储存稳定性得到改善，与40 目和60 目筛孔通过率及细度模数都具有较为密切的相关性。

b）粗级配胶粉有利于提升橡胶沥青的高温性能，最粗较最细胶粉的高温性能提升了253%；而细级配胶粉有利于提升橡胶沥青的低温性能，最细较最粗胶粉的低温性能提升了46%。

c）粗级配胶粉有利于增强橡胶沥青的高温稳定性。 细级配胶粉在沥青中的分散更加均匀，有利于胶粉与沥青之间的相容，改善了橡胶沥青的储存稳定性。 与粗级配胶粉相比，细级配胶粉在沥青中的降解程度更大。