生产因素对橡胶沥青性能影响研究

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摘要：通过浅析生产因素对橡胶沥青性能影响，促进橡胶沥青生产工艺和性能。

关键词：棣胶沥青；性能；生产因素

中图分类号：TQ522.65 文献标识码：A 文章编号：

引言

国内对橡胶沥青生产的认识还不够深入，在生产工艺、原材料的选择等方面都缺少必要的知识和经验积累。本文从搅拌方式、搅拌温度、加工时间和胶粉掺量方面具体分析生产因素对橡胶沥青性能的影响。

一、搅拌方式对橡胶沥青性能的影响

改性沥青的加工工艺主要有直接投入法和预混法两种。直接投入法也就是橡胶沥青混合料的干法加工法，所得产品就是经橡胶改性的沥青混合料。预混法即湿法加工法，通常所采用的搅拌方式有简单搅拌法、高速剪切法、胶体磨法、低速剪切法4种类型。试验选取4种搅拌方式，分别是：简单搅拌（300r/min）；高速剪切（3750r/min，筛孔状剪切内环）；高速搅拌（2500r/min）；简单搅拌（15min）＋高速剪切（1875r/min，长孔状剪切内环）。所采用的简单搅拌为普通液体搅拌器，高速剪切机采用进口ＦＬＵＫＯ可调速高速乳化剪切机。基质沥青采用SK90#，胶粉规格为40目，搅拌温度为180℃，搅拌时间为45min，胶粉掺量为17.6%（外掺）。橡胶沥青性能试验结果见表1。

表1.搅拌方式对橡胶沥青性能的影响

从表1可以看出：简单搅拌、高速剪切、高速搅拌、简单搅拌＋高速剪切４种搅拌方式生产的橡胶沥青的三大指标5℃延度、25℃针入度、软化点之间的差别不大；同时，不同成型工艺所得橡胶沥青的弹性恢复性能也无明显差异，但均较基质沥青的弹性恢复性能有所提高。但搅拌方式对橡胶沥青的粘度指标影响非常显著，其中高速搅拌获得的橡胶沥青布氏粘度最大，为1195ＭＰａ·ｓ，通过高速剪切获得的橡胶沥青布氏粘度最小，为7766ＭＰａ·ｓ，二者相差419ＭＰａ·ｓ。

对比橡胶沥青的布氏粘度、弹性恢复以及针入度指数等性能指标，通过高速剪切法所得的橡胶沥青都劣于其他３种工艺方式所得的橡胶沥青，采用高速搅拌工艺生产的橡胶沥青具有相对最好的性能参数。就橡胶沥青粘度指标而言，高速剪切法比高速搅拌法减小了35％；就橡胶沥青弹性恢复性能而言，高速剪切法比高速搅拌法减小了11.3％；就橡胶沥青针入度指数指标而言，高速剪切法比高速搅拌法减小了37.5％。造成这些现象的主要原因可能是掺量较多且颗粒较粗的胶粉在高速剪切过程中需要较大的动能，同时剪切机的定子和转子之间反复高速摩擦，设备转动的动能将有一部分转化为热能传递给橡胶沥青。橡胶沥青混合体的温度过高，过热的热量就会使再生橡胶产生更大程度的脱硫和裂解。脱硫和裂解是影响橡胶沥青物理力学性能的重要化学过程，脱硫会使胶粉恢复部分天然橡胶的柔韧性而失去一部分硫化橡胶的弹性性能。

二、搅拌温度对橡胶沥青性能的影响

对聚合物改性沥青反应效果具有重要影响的工艺参数是反应温度。因此，在橡胶沥青的生产过程中，合理的搅拌成型温度是获得性能优良橡胶沥青的必要条件。为此，试验选择170、180、190、200、210℃温度制备橡胶沥青，测试其性能指标。试验以ＳＫ９０＃（韩国产）为基质沥青；胶粉大小为40目；橡胶颗粒的掺量为22％，采用外掺法；搅拌方式采用高速搅拌，转速为2500r/min；搅拌时间为45min。试验结果如图2所示。

图2搅拌温度对橡胶沥青各性能指标的影响

从图2可以看出：各个指标和搅拌温度的关系大致符合抛物线规律。图2（ａ）中，橡胶沥青针入度在高于１８０℃时迅速增大，在高于２００℃后增大很少。图2（ｂ）中，针入度随温度变化的增减趋势非常明显，在１８０～１９０℃时达到峰值。图2（ｃ）中，软化点随搅拌温度呈现出明显的抛物线趋势，１８０～２００℃时的测试数据较高。图2（ｄ）中，布氏粘度的峰值出现在２００℃，在此温度之前，橡胶沥青的粘度一直处于增加趋势，但在搅拌温度高于临界温度时，粘度急剧下降。图2（ｅ）中，５℃延度随搅拌温度的升高大致呈现出增加趋势，在１８０～１９０℃时变化不大，随后迅速增加。图2（ｆ）中，橡胶沥青的弹性恢复性能随搅拌温度呈现出开口向下的抛物线趋势，临界温度为１９０℃；在此温度之前，橡胶沥青的弹性恢复性能增加迅速，而在高于此温度时，橡胶沥青的弹性恢复性能缓慢下降。

对图１所示的橡胶沥青性能指标变化趋势进行归纳总结，２５℃针入度和５℃延度指标随着搅拌温度的升高而增大，但其增加幅度值逐渐减小；而软化点、弹性恢复、针入度指数和布氏粘度等性能指标随着搅拌温度的增加呈现出先增加后减小的趋势。从橡胶颗粒对沥青改性机理的角度进行分析，延度之所以随着温度增加而增大，是因为橡胶沥青随着温度的升高而不断脱硫裂解，这样部分橡胶颗粒的组分将以小分子天然橡胶的形式融入到基质沥青中，从而改善基质沥青的柔韧性。生产橡胶沥青时的搅拌温度越高，废胎胶粉在基质沥青中就越容易分散得更加均匀，也越容易增强胶粉颗粒的溶胀作用，从而起到提高橡胶沥青粘度的作用。然而，如果反应温度过高，沥青老化将急剧加速，而且胶粉颗粒内部的脱硫反应和裂解反应程度也将更加严重，使得由胶粉和基质沥青所组成的橡胶沥青的两相体系逐渐靠近基质沥青的方向，从而降低了橡胶沥青的粘度、弹性恢复和软化点，增大了针入度，降低了沥青整体感温性。因此，根据材料性能和施工要求，通常选择１８０～２００℃生产橡胶沥青。

将试验结果进行二次线性回归分析，探讨搅拌温度与橡胶沥青各指标之间的变化规律，回归曲线及相关系数如表3所示。

表3搅拌温度与橡胶沥青各性能指标间的相关性分析

三、搅拌时间和胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响分析

通过室内试验，获取沥青三大指标、弹性恢复和布氏粘度等数据（见表4），为定量分析搅拌时间和胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响提供参数依据。结合表１的试验数据分析不同搅拌时间和胶粉掺量对橡胶沥青各性能指标的影响。

表4.搅拌时间和胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响

（１）不同搅拌时间和胶粉掺量对针入度的影响。图5～7为不同胶粉掺量和搅拌时间条件下橡胶沥青的针入度。总体而言，随着搅拌时间的延长，橡胶沥青针入度呈现增加趋势。这是因为在胶粉与基质沥青融合的初始阶段，沥青中的轻质油分被橡胶颗粒吸收而变稠，针入度数值相对较低。随着高温下搅拌时间的延长，胶粉将发生不同程度的脱硫反应，分子量变小，沥青的粘度减小，针入度数值相对较高。就不同胶粉掺量的橡胶沥青而言，胶粉量越低，针入度之间的差异越大，曲线明显分离。从图5～7可以看出：胶粉掺量为１７．６％～２８％时的针入度曲线紧密靠拢，差别很小。这一定程度说明，掺入的胶粉量越少，则橡胶沥青的性能易偏向于基质沥青的性能；掺入的胶粉量越多，则橡胶沥青的性能易偏向于胶粉的性能。

图5不同试验条件下橡胶沥青的１５℃针入度

图6不同试验条件下橡胶沥青的２５℃针入度

图7不同试验条件下橡胶沥青的３０℃针入度

２）不同搅拌时间和胶粉掺量对橡胶沥青针入度指数的影响。图8为不同胶粉掺量和搅拌时间条件下橡胶沥青的针入度指数。从图8可以看出：在胶粉掺量较低时，橡胶沥青的针入度指数呈现先增加后减小的趋势；当胶粉的掺量比较大时，针入度指数随着搅拌时间的增加呈现递增的趋势。这是因为较强的胶粉溶胀作用使得橡胶沥青性能偏向于橡胶性能，随时间增加，感温性呈现增大趋势；而过强的溶胀作用将会加速脱硫和裂解，造成胶粉颗粒崩裂，降低分子量，橡胶沥青的感温性逐渐降低。然而，胶粉掺量为２８％的橡胶沥青感温性在２ｈ的试验时段内一直处于增加状态。分析其原因，可能是过多的胶粉极大地增加了橡胶沥青的稠度。就实际施工条件而言，对橡胶沥青加工２ｈ以上不太现实，不仅增加能耗，还会降低工作效率，故没有进行更长搅拌时间的试验。

图8不同试验条件下橡胶沥青的针入度指数

３）不同搅拌时间和胶粉掺量对橡胶沥青延度的影响。图9为不同胶粉掺量和搅拌时间条件下橡胶沥青的延度。从图9可以看出：橡胶沥青的５℃延度随着胶粉掺量的增加而降低，随着搅拌时间的延长呈现先增加后减小、再逐渐增加的趋势。对于过低或过高的胶粉掺量，橡胶沥青的延度差异比较显著。这是因为延度是一个纯经验性参数，跟实际路用受力状态并不吻合。经受超大变形时，自由沥青和橡胶颗粒变形能力的巨大差异会导致二者接触界面的应力集中，极易发生断裂破坏。此外，橡胶沥青的延度差异也可能是由胶粉与基质沥青的融合程度不同造成的。

图9不同试验条件下橡胶沥青的５℃延度

结束语

本文通过室内试验，定量研究了不同试验条件下橡胶沥青性能指标的发展规律，对完善橡胶沥青的加工工艺和促进橡胶沥青大规模的推广应用具有重要的现实意义。

参考文献

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