胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响研究

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摘要：对橡胶沥青性能的影响因素主要有：沥青的品种、橡胶粉的掺量、橡胶粉的细度、搅拌时间和搅拌温度等几个方面。本文通过对不同掺量橡胶沥青的针入度、软化点、延度、弹性恢复以及布氏旋转粘度等主要技术指标进行试验，定量分析了橡胶粉的掺量对橡胶沥青性能的影响性。结果表明，合理的橡胶粉掺量能使橡胶沥青在满足主要技术指标的前提下，得到更好的路用性能。

关键词：橡胶沥青、胶粉掺量、弹性恢复、旋转粘度

中图分类号：F767文献标识码： A

橡胶沥青 (Asphal Rubber，简称为 AR)是沥青、回收轮胎橡胶粉和某些添加剂混合而成的胶结料，橡胶成分最少占到总量的15%，并且与热沥青充分反应，橡胶颗粒产生溶胀[1]。国外20多年的胶粉改性沥青使用结果表明，与普通沥青相比，橡胶沥青具有低噪音、抗高温变形、抗低温开裂和耐疲劳等优势。根据以往的研究结果，胶粉在热沥青中溶胀后，体积大大增加，几乎占据整个胶结料的 1/3~1/2，细橡胶颗粒相互连接，形成了具有高黏度的橡胶连续相，使得整个橡胶沥青具有较高的黏度。要形成这种状态，必须具有足够的胶粉，因此要求胶粉的掺量应大于最低值。美国 ASTM 规定橡胶沥青中胶粉的掺量至少为内掺 15%。其他国家也对橡胶沥青中的胶粉掺量有类似规定，见表1。本文通过对不同胶粉掺量的橡胶沥青进行性能试验，分析其影响性，并给出橡胶沥青合理的胶粉掺量。

表1 各地区对橡胶沥青中胶粉掺量的规定

材料选择

基质沥青采用厦门华特公司生产的70#重交石油基质沥青，主要性能指标见表2。

表270#基质沥青性能技术指标

橡胶粉采用湖北宏鄂远橡塑环保科技有限公司生产的40目和60目废旧子午胎橡胶粉，主要性能指标见表3.

表3橡胶粉主要检验指标及标准

试验条件

保持胶粉与沥青混合搅拌时间（90min）和搅拌温度（180±5℃）不变，选择 40 目和60 目两种废胎胶粉，在掺量分别为 10%，15%，20%，25%的情况下测定橡胶沥青的针入度、软化点、延度、弹性恢复和布氏旋转粘度5个技术指标。其中交通部推荐废橡胶粉改性道路沥青技术要求见表4。

表4交通部推荐废橡胶粉改性道路沥青技术要求

试验结果分析

3.1 胶粉掺量对橡胶沥青针入度的影响

根据上述的试验条件，得到不同胶粉掺量下橡胶沥青的针入度数据，见表5。

表5废胎胶粉掺量对橡胶沥青 25℃针入度（单位：0.1mm）的影响

从表5可以看出，橡胶沥青的针入度均小于基质沥青，这表明在掺加了废胎胶粉后沥青的高温性能得到了改善，这主要是由于废胎胶粉在基质沥青中的结构性改性作用。当废胎胶粉溶于基质沥青时，基质沥青作为胶粉的溶剂而存在、废胎胶粉吸收沥青中的轻质组分，使得胶粉溶剂中沥青质的含量相对增加，沥青的胶体结构发生改变，从而使橡胶沥青高温性能得到改善，橡胶沥青针入度增加。随着废胎胶粉掺量的增加，橡胶沥青的针入度有逐渐减小的趋势，这是因为废胎胶粉分散在沥青中，包裹着沥青质的胶质与橡胶颗粒之间相互作用而形成一定的空间网状结构，增大废胎胶粉的掺量，形成网状结构的机会相应增大，网状结构的存在使得沥青粘度增加。

3.2 胶粉掺量对橡胶沥青软化点的影响

根据上述的试验条件，得到不同胶粉掺量下橡胶沥青的软化点数据，见表6。

表6废胎胶粉掺量对橡胶沥青软化点（单位：℃）的影响

从表6 可以看出，在橡胶粉细度及制备条件不变的情况下，橡胶沥青软化点随废胎胶粉掺量的增加基本呈递增关系。且通过对表6的分析看出，橡胶沥青的软化点远高于基质沥青，说明橡胶粉对沥青的高温性能有明显的改善作用。这是因为硫化橡胶粉颗粒的橡胶分子呈交联结构，在各种添加剂的相互作用下，其热稳定性能良好，把橡胶颗粒用于沥青改性剂可以提高沥青的热稳定性能。随着胶粉剂量的增加，一方面沥青分子与橡胶颗粒结合在一起的数量增加，另一方面沥青中裹着沥青质的胶体与溶胀的橡胶粉形成空间网状结构的机会增大，从而生产出较好的改性沥青，达到良好的改性效果。随着胶粉剂量的增加，软化点增大的趋势逐渐变缓，从表6可以看出，当废胎胶粉掺量达到 25%时，橡胶沥青的软化点略有下降，这是因为橡胶粉颗粒与沥青的结合达到了饱和的状态，有部分橡胶颗粒在沥青中形成小胶团，使改性效果减弱。

3.3胶粉掺量对橡胶沥青低温延度的影响

根据上述的试验条件，得到不同胶粉掺量下橡胶沥青的延度数据，见表7。

表 7 橡胶粉掺量对橡胶沥青 5℃延度（单位：cm)的影响

从表 7 的数据可以看出，在添加了废胎胶粉后，橡胶沥青的低温性能较基质沥青有了明显的改善。这主要是由于橡胶颗粒在搅拌和溶胀的过程中吸收了基质沥青中的芳香分和饱和分等低分子量的轻质组分，相对的增加了胶粘结构中胶体的含量，使得沥青在低温下发脆的性能减弱。同时颗粒细小的橡胶粉的加入使橡胶沥青在低温受拉的过程中产生大量的银纹，吸收部分能量，延缓了裂缝的发生。由表7中数据可知，随着废胎胶粉掺量的增加，橡胶沥青的低温延度不断增大，这是由于废胎胶粉掺量的增加，使得沥青粘度增加，而粘度与沥青的延度有密切关系，粘度大的沥青有更好的低温柔韧性能，同时，胶粉在高温条件下的脱硫过程使得少量胶粉部分的恢复天然橡胶性能，而天然橡胶的存在使得橡胶沥青的低温柔韧性得到改善。通过对表7的分析可以看出，在橡胶粉掺量超过 20%之后，橡胶沥青延度的增加速度放缓，这主要是由于废胎胶粉掺量在沥青中达到饱和状态后，多余的橡胶颗粒就会聚集成小胶粉集团，胶粉集团只在其表面有一点的粘结力，其内部几乎没有结合力；而且胶粉集团的产生也会使其自身的溶胀能力相对降低，导致橡胶沥青的延度增速减小。

3.4废胎胶粉掺量对橡胶沥青弹性恢复的影响

根据上述的试验条件，得到不同胶粉掺量下橡胶沥青的弹性恢复数据，见表8。

表 8 橡胶粉掺量对橡胶沥青弹性恢复（单位：%）的影响

从表8可以看出，废胎胶粉的掺加明显的改善了沥青的弹性恢复性能。这一方面是由于硫化胶粉本身具有高弹的性能，另一方面废胎胶粉的加入改善了沥青胶体结构，橡胶粉在溶胀过程中吸收了沥青中的轻质组分，使得基质沥青中高分子量的沥青质和胶质的含量相对增大，从而使其弹性恢复性能得到改善。同时通过表8可以看出，橡胶沥青的弹性恢复性能随废胎胶粉的掺量增加不断增加，这是由于在废胎胶粉掺加到热的沥青中经过溶胀过程后，橡胶粉颗粒孔隙中填满了沥青中的轻质组分，橡胶颗粒变大，颗粒之间空隙减小，废胎胶粉与沥青相互交联作用加强；同时，废胎胶粉掺量增加意味着沥青中硫化胶粉的含量增加，而硫化胶粉本身具有很高的弹性恢复能力。

3.5胶粉掺量对橡胶沥青布氏旋转粘度的影响

根据上述的试验条件，得到不同胶粉掺量下橡胶沥青的旋转粘度数据，见表9。

表9橡胶粉掺量对橡胶沥青布氏旋转粘度（单位：mPa.s）的影响

由表9可以看出，橡胶沥青的布氏粘度随着胶粉掺量的增加逐渐增加，在较高的胶粉掺量时布氏粘度增加幅度较明显，而掺量较低(10％ ～15％)时布氏粘度差异不大。这可能是因为，较低胶粉掺量的橡胶沥青在较高搅拌温度条件下具有明显的牛顿流体特性，更靠近基质沥青的性能，粘度值较低，差异很小。胶粉掺量越多，为使胶粉均匀分散在基质沥青中，就需要更长的搅拌时间，使沥青变稠，但在180℃ 高温下长时间搅拌会加强溶胀反应和胶粉颗粒的脱硫反应。

4结论

该文在室内试验的基础上，定量研究了不同的胶粉掺量对橡胶沥青各性能指标的影响规律。结果表明，胶粉掺量对橡胶沥青的三大指标、弹性恢复和布氏粘度有重要影响，但各试验指标在不同胶粉掺量呈现不同的变化规律，这跟橡胶颗粒的溶胀反应和脱硫反应有很大关系。从施工可行性角度考虑，15%～25%胶粉掺量是比较合理的范围，具体可在工地进行预试验来确定，以获得性能最佳的橡胶沥青，尽可能地保证其优良路用性能的发挥。

参考文献:

[1] 韩树峰.搅拌时间和胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响研究[J].公路与汽运，2013,96（2）.

[2] 马晓燕.橡胶沥青及橡胶沥青混合料性能影响因素研究[D].西安：长安大学，2012.

[3] 张伟.橡胶沥青及其混合料路用性能研究[D].西安：长安大学，2011.

[4] JTG E2O一2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S]．

[5] 交通部公路科学研究院．橡胶沥青混合料设计施工技术指南[M]．北京：人民交通出版社，2009．