橡胶沥青路用性能研究   作者： 王伟明 

 

ASTM对橡胶沥青的定义：将废旧轮胎橡胶回收处理后与一定的助剂混合后掺入沥青中所形成的材料，其中胶粉质量不少于总质量的15%，且要求废胎橡胶颗粒在高温条件下与沥青充分反应并膨胀。橡胶沥青路面因其抗裂性能好，使用寿命长，噪音低且环保等优点，广泛应用于新路的面层和旧路的加铺层中，在国内外工程中得到了很好的应用。

 

作为一种路面胶结料，橡胶沥青的性能对整个混合料的路用性能具有重要影响，国内外关于橡胶沥青性能的研究资料仍不全面与具体。该文对橡胶沥青在不同胶粉掺量、不同静置存放时间、脱硫外掺剂的三大指标、弹性恢复、旋转粘度等性能指标进行研究，分析其变化规律。

 

原材料检测

 

基质沥青

 

橡胶沥青是由基质沥青与橡胶粉混合搅拌而成，该文选用的基质沥青为茂名AH-70#，其基本性能指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》道路石油沥青70#技术要求的规定，可应用于工程实践。

 

橡胶粉

 

橡胶粉是橡胶沥青的改性剂，研究中所使用的橡胶粉由四川某公司提供，其各项指标均符合GB/T19208-2003及DB/T29-161-2006硫化橡胶粉技术要求的规定。同时，所用橡胶粉并非单一粒径的，而是具有一定级配组成。

 

橡胶沥青性能

 

橡胶沥青制备工艺：首先将基质沥青加热到130℃，再将其倒入德国FULUC高速剪切搅拌机中，利用温控设备控温至180℃时加入干燥处理后的橡胶粉，经0.5h的高温化学反应、充分发育后停止搅拌，灌膜冷却后即获得橡胶沥青。

 

不同胶粉含量对橡胶沥青性能的影响

 

橡胶粉作为橡胶沥青的改性剂，其掺量对橡胶沥青的性能有重要影响。一般来说，橡胶粉掺量越高，橡胶沥青就会变得更加粘稠。分别内掺18%和20%胶粉，按前述方法配制橡胶沥青，同时按规范规定分别对其软化点、25℃针入度、5℃延度和5℃弹性恢复等性能指标进行检测。

 

可知：基质沥青25℃针入度比18%和20%胶粉掺量的分别高23、21，而18%和20%胶粉掺量的橡胶沥青两者相差2；20%胶粉掺量的橡胶沥青5℃延度大于18%胶粉掺量的橡胶沥青；基质沥青软化点分别比18%和20%胶粉掺量的橡胶沥青低18.2℃和21.1℃。这说明：橡胶粉的掺入，使得基质沥青变硬，高温性能得到提高，而且橡胶粉掺量越高，橡胶沥青越硬，高温性能越好。

 

可知：18%胶粉掺量的橡胶沥青弹性恢复比20%掺量的橡胶沥青稍好，但仅高1.2%；两个胶粉掺量的橡胶沥青弹性恢复基本在80%左右。胶粉掺量的增加有助于沥青的弹性性能的提高，但提高有限。

 

橡胶沥青的粘度较大，60℃时扭矩已超出旋转粘度仪的量程，粘度试验不能按普通沥青的温度要求，因此该文参照ASTMD4402试验法采用美国布洛克菲尔德旋转粘度仪，测定橡胶沥青160、180以及190℃时的布氏旋转粘度，试验时选用27号转子、转速为20r/min。

 

可知：20%胶粉掺量的橡胶沥青粘度在3个温度下均高于18%掺量的橡胶沥青粘度，在160℃时，两者相差将近2Pa·s，而在190℃时，两者相差1.3Pa·s；随着温度的升高，橡胶沥青粘度逐级降低，但降低的幅度变缓，20%胶粉掺量的橡胶沥青190℃粘度较160℃降低2.23Pa·s，降幅38.5%，而18%胶粉掺量的橡胶沥青降低1.617Pa·s，降幅41.7%。随着胶粉掺量的增加，粘度也随之增加，胶粉掺量大的橡胶沥青，达到最佳施工粘度时温度较大，从而增加了施工难度，另外过高的温度也容易引起沥青的老化，影响其性能。

 

胶粉掺量对于橡胶沥青的性能有较大的影响，一定范围内橡胶沥青的粘度、软化点、低温延度随胶粉掺量增加而提高，橡胶沥青的高温稳定性提高。但胶粉掺量超出一定范围后，高温粘度太大会引起施工困难。

 

静置存放时间对橡胶沥青性能的影响

 

橡胶粉的掺入，使基质沥青的性质发生了根本变化，其原因是橡胶粉吸收了基质沥青中部分轻质油份，从而发生了溶胀，随着时间的推移，溶胀程度会逐级提高，对基质沥青的改性效果也越明显。基于此，对不同静置存放时间、不同静置温度的橡胶沥青性能进行检测，分析其粘度、软化点、25℃针入度、5℃延度和25℃弹性恢复等性能的变化，选定135、150、170、190℃共4个不同的静置温度。

 

（1）随着静置时间的增加，190℃静置温度下的25℃针入度先增大后减小；而170℃和150℃静置温度下的25℃针入度正好相反，先减小后增大，然后再减小，但是150℃的后期下降；135℃静置温度下的25℃针入度开始增加较快，后期增加缓慢。

 

（2）190、170和150℃静置温度下静置不同时间的5℃延度与190、170和150℃静置温度下静置不同时间的25℃针入度具有基本一致的变化规律，但135℃静置温度下的5℃延度是先减后增，而且后期缓慢减小。

 

（3）随着时间的增加，190℃和170℃静置温度下的软化点逐渐减小，但190℃的后期逐渐趋向稳定；150℃静置温度下的软化点变化较为反复，但总体趋势也是逐渐减小；而135℃静置温度下的软化点却是先减小后增加。同时还可以发现，190℃静置温度下静置时间不超过50h的软化点均比其他3个静置温度下的软化点高。

 

（4）随着静置时间的增加，190℃和150℃静置温度下的25℃弹性恢复逐渐减小，但190℃的下降渐快；170℃静置温度下的25℃弹性恢复逐渐增加，最终基本稳定在89%左右；135℃静置温度下的25℃弹性恢复变化较为反复，但整体趋势也是逐渐下降。

 

为了更好地分析比较不同静置温度下静置不同时间的布氏旋转粘度变化规律，绘制190、170、150和135℃共4个静置温度下不同静置时间后的190℃布氏旋转粘度和177℃布氏旋转粘度随时间的变化图。

 

可知：随着静置时间的增加，190℃静置温度下的粘度逐渐减小；170和150℃静置温度下的粘度开始时增加较快，然后逐渐减小，150℃静置温度下的粘度下降幅度较170℃的大；135℃静置温度下的粘度正好相反开始减小后增加。

 

可知：随着静置时间的增加，不同静置温度下的177℃布氏旋转粘度变化情况与190℃布什旋转粘度变化规律基本一致，只是两者量值之间稍有差异。总体而言，高静置温度的橡胶沥青材料随静置时间的增加，粘度降低较快。通过增加静置时间与提高静置温度的方法，虽然可以降低施工温度，但在工程实践中面临着巨大的能耗与沥青老化的问题，因此该方法不适用于工程实践。

 

较长时间的高温静置（存储）对橡胶沥青的性能有较大的影响。高温静置（存储）的温度越高、时间越长，对橡胶沥青的弹性性能有较大影响。高温静置的最初2~12h内，橡胶沥青的性能变化最显著，往后则趋于稳定。

 

外掺剂对橡胶沥青性能的影响

 

在橡胶加工成轮胎的过程中，往往采用硫化工艺，以期提高轮胎强度及整体性能。硫化使得轮胎具备了高强度、高弹性、高耐磨性、抗老化以及抗腐蚀等优良性能。值得注意的是，橡胶沥青所用的橡胶粉是由废旧轮胎回收后破碎而来，虽历经破碎，但橡胶粉颗粒仍具有硫化物性质。由于硫化的橡胶粉与沥青表面性质不同，两者相容性较差，难以形成良好的粘结界面。因此，通常需要对破碎后的橡胶粉进行脱硫处理，脱硫是硫化的逆过程，脱硫中常用高温脱硫和活化剂脱硫两种方法。

 

该文采用活化剂脱硫法，以420活化剂对橡胶粉进行脱硫处理，脱硫后按前述工艺配制橡胶沥青，检测其软化点、25℃针入度、5℃延度以及25℃弹性恢复等性能指标。

 

活化剂的掺入，使得25℃针入度比无活化剂的橡胶沥青值略微偏小，5℃延度比无活化剂的橡胶沥青值小11~20mm，而0.45%和0.90%活化剂掺量的软化点比无活化剂的橡胶沥青值分别高1.2和低1.7℃。脱硫后的橡胶沥青三大性能指标都得到了提升，延度最为明显，脱硫后改善了沥青与橡胶粉的粘结，使其延性增加。

 

可知：420活化剂的掺入，使得橡胶沥青25℃弹性恢复有所增加，其中0.45%掺量的增加最多。与没掺入活化剂的橡胶沥青25℃弹性恢复相比，掺入0.45%活化剂的值增加1.5%，而掺入0.905活化剂的值增加0.55.

 

数据可知，420活化剂的掺入，使得粘度有所降低，而且175℃旋转粘度随着活化剂掺量的增加而降低。与没掺入活化剂的橡胶沥青175℃旋转粘度相比，掺入0.45%活化剂的值降低8.9%，而掺入0.90%活化剂的值降低18.1%。通过橡胶粉的脱硫，降低了橡胶沥青高温粘度，从而降低了施工难度，保证了橡胶沥青的性能。

 

脱硫后橡胶沥青与胶粉的相容性得到改善，其性能更佳，尤其是延性与弹性的增加，另外可降低其施工温度，若采用420活化剂脱硫，掺量宜为1%左右。在工程实践中尽量在使用前进行简单脱硫处理。

 

结论

 

通过对橡胶沥青在不同胶粉掺量、不同静置存放时间、不同静置温度、添加脱硫外掺剂的三大指标、弹性恢复、旋转粘度等性能的研究分析，可得出以下结论：

 

（1）胶粉掺量对于橡胶沥青的性能有较大的影响，一定范围内橡胶沥青的粘度、软化点、低温延度随胶粉掺量增加而提高，橡胶沥青的高温稳定性提高。

 

（2）较长时间的高温静置（存储）对橡胶沥青的性能有较大的影响。高温静置（存储）的温度越高、时间越长，对橡胶沥青的性能影响越大。高温静置的最初2~12h内，橡胶沥青的性能变化最显著。

 

（3）添加420活化剂经简单脱硫后橡胶沥青的性能得到提高，可降低施工温度，建议掺量为1%左右。