橡膠粉改性瀝青性能研究

花文娟，李 影

（撫州贛東公路設計院，江西 撫州 344000）

1 研究背景

隨著汽車工業的發展及汽車保有量逐年增加，產生了一個新的問題即廢棄輪胎的大量堆積。大規模的廢舊輪胎將會帶來巨大的環境問題：堆積廢輪胎必然占用大量的土地資源，用燃燒等一般的垃圾處理方法又會產生巨大的環境污染。將廢舊輪胎加工成橡膠粉是國際上通用的廢舊輪胎再生處理方式，其中廢舊膠粉在公路行業中的使用是廢舊輪胎處理的主要途徑之一。國際上廢胎膠粉的加工技術、生產工藝都已經非常成熟。而在我國，廢胎膠粉橡膠瀝青應用的具體方案、技術開發等還都處于原創性研究和探索之中。

2 研究內容

本文將研究橡膠粉與瀝青的反應，通過試驗評價濕法橡膠改性瀝青的性能，并進行相對應的混合料的試驗，探討廢輪胎橡膠粉應用于瀝青改性及瀝青混合料的可行性，為橡膠粉改性瀝青用于路面瀝青混合料的設計提供參考。

本文主要研究內容如下。

（1）橡膠粉與瀝青的反應以及橡膠粉改性瀝青的配制工藝

研究橡膠粉與瀝青的反應機理、橡膠粉改性性能的主要影響因素和橡膠粉改性瀝青配制工藝和設備。

（2）橡膠粉對瀝青性能的影響

通過對不同膠粉含量的改性瀝青的性能試驗和對比，對測試結果進行相關性能分析，研究橡膠粉對瀝青物理力學性能的影響，并分析其原因和機理，為橡膠粉改性瀝青混合料的應用提供依據。

根據實際工程的研究和測試，對橡膠粉改性后的瀝青及其混合料的性能進行綜合評價，為今后的橡膠粉改性瀝青混合料用于路面的瀝青混合料設計提供參考。

3 橡膠粉改性瀝青性能的影響因素

橡膠粉改性瀝青的效果除了取決于橡膠粉自身的化學特性外，與橡膠粉的物理特性和拌和工藝也有重要關系。橡膠粉顆粒的細度和表面紋理會直接影響橡膠粉和瀝青混溶反應的速度和程度，而拌和工藝也是不可忽視的因素之一，會從另一方面影響這種反應的程度。橡膠粉的細度可以通過控制篩孔獲得，其表面紋理特性取決于其加工工藝。而拌和工藝所涉及的拌和方式、溫度與時間可以通過人為來控制。

3.1 橡膠粉顆粒的細度

用于瀝青改性的橡膠粉，其細度有一定要求，較細的顆粒可增大與瀝青的接觸面積，提高改性效果。

表1是我國目數等級及與之對應的篩孔尺寸的有關規定。

表1 我國目數等級及與之對應的篩孔尺寸的有關規定

很多研究都表明粒徑大的橡膠粉能夠改善瀝青的軟化點及彈性恢復，粒徑小的橡膠能明顯提高瀝青的延度。同時研究也指出對瀝青改性并非橡膠粉越細越好，因為過細的橡膠粉在瀝青中將難以形成骨架結構，會使瀝青的彈性恢復減弱，并降低軟化點。此外，橡膠粉細度的提高也會大大增加生產成本，所以本次試驗建議采用40目的細碎橡膠粉顆粒，進行試驗對比后認為其滿足使用要求。

3.2 橡膠粉的表面紋理

輪胎橡膠粉的表面紋理主要取決于生產加工的工藝，如常溫粉碎法生產的橡膠粉顆粒形狀不規則，表面凹凸，呈毛刺狀；低溫冷凍法生產的橡膠粉顆粒形狀規則，表明平滑，呈銳角狀；化學試劑法生產的橡膠粉表面毛刺多成羽狀，表面積比前兩者的大。

3.3 橡膠粉的拌和工藝

橡膠粉在瀝青中發生溶脹而混合改性的過程中，拌和的條件也是不能忽視的因素之一，其中主要包括拌和方式、拌和溫度和拌和時間這三個因素。

3.3.1 拌和方式

常用的拌和方式有兩種：簡單攪拌和高速剪切。經研究，建議使用簡單攪拌設備，在橡膠粉摻量較高時，可適當延長攪拌時間，減少橡膠粉的分批加入量，并觀察瀝青液面變化，及時調整反應溫度。

3.3.2 拌和溫度

經研究，建議適宜的制備溫度為170～180℃，比通常瀝青的加熱溫度高約10～20℃。

3.3.3 拌和時間

經研究，建議拌和時間至少要在45min以上，以達到均勻分散和混溶橡膠粉顆粒的目的，并可采用直觀目測的方法適當延長拌和時間。

4 橡膠粉改性瀝青性能

橡膠粉改性瀝青的改性原理與一般的高聚物改性瀝青有很大不同，這些不同不僅表現在改性后的瀝青上，而且會進一步表現為瀝青混合料性能方面的差異。而常規的瀝青評價方法與指標是否適用于評價橡膠粉改性瀝青也有待商榷，所以有必要對橡膠粉改性瀝青的性能進行全面的評價，并進一步建立起橡膠粉與瀝青混合料性能的相關關系。

瀝青混合料的路用性能主要包括高溫性能、低溫性能和老化性能。本研究旨在通過不同的細度、不同摻量的橡膠粉改性瀝青的性能試驗，評價橡膠粉改性瀝青用于瀝青混合料后后者的綜合性能，并考慮相關的評價指標體系，從而為建立更詳細、更全面的橡膠粉改性瀝青評價方法提供依據。

研究中通過對加工溫度為180℃下簡單機械攪拌60min的40目橡膠粉進行相關試驗，來評價其改性性能。參考橡膠粉生產廠商提供的資料，橡膠粉產品規格如表2所示。

表2 橡膠粉參數指標

試驗中主要采用兩種基質瀝青，ESSO 70#和SHELL 70#瀝青。在兩種基質瀝青中采用了多種不同摻量和細度的橡膠粉對瀝青性能進行對比研究。

4.1 高溫性能

4.1.1 針入度

表3和表4分別是ESSO和SHELL的針入度試驗結果。

表3 ESSO針入度試驗

表4 SHELL針入度試驗

從表3、表4中數據來看，橡膠粉對于瀝青的改性比較明顯，主要表現為針入度有所降低，黏度提高。

4.1.2 軟化點

表5和表6分別是ESSO和SHELL的軟化點試驗結果。

表5 ESSO軟化點試驗

表6 SHELL軟化點試驗

軟化點試驗表明，隨著橡膠粉摻量的增加，軟化點逐步升高，且在添加橡膠粉初期的軟化點增量很大。同時，從不含橡膠粉到10%的橡膠粉含量，軟化點和初始軟化點提高約8℃左右。之后從橡膠粉含量10%逐步添加到26%，軟化點升高約10℃，初始軟化點則上升5℃左右，這些說明橡膠粉摻量對軟化點的影響十分明顯。

4.1.3 黏度

由于瀝青的流變特性會直接影響瀝青路面的路用性能，所以研究瀝青的流變特性對于確定改性瀝青拌和、攤鋪和碾壓的適宜溫度十分有必要。

本次研究測定了不同摻量下135℃的布氏黏度，其結果列于表7和表8中。

表7 ESSO135℃布氏黏度

表8 SHELL135℃布氏黏度

從試驗結果可以看出，橡膠粉的摻加能夠大大提高瀝青的黏度，而且隨著其摻量的增加，橡膠瀝青的黏度表現出良好的規律性。但黏度的增大可能是由于在布氏旋轉黏度試驗過程中，橡膠粉顆粒與鉆子產生較大的摩擦阻力所致。所以橡膠粉顆粒粒徑和黏度試驗用的鉆子尺寸也是需要考慮的因素。

4.2 低溫性能

本次研究主要采用5℃和15℃兩種溫度條件下的延度值作為評價橡膠粉改性瀝青低溫性能的一個指標。表9和表10分別是ESSO和SHELL在5℃和15℃的延度試驗結果。

表9 ESSO延度試驗

表10 SHELL延度試驗

從整體來看，隨著橡膠粉摻量的提高，橡膠粉改性瀝青的低溫延度降低。

4.3 老化性能

表11和表12分別是ESSO和SHELL薄膜老化試驗后質量損失的結果。

表11 ESSO質量損失

表12 SHELL質量損失

由表11和表12可知，相對于原基質瀝青，橡膠粉改性瀝青的質量損失要小一點，這應該是由于橡膠粉顆粒不含輕質易揮發組分，減少了質量損失量。

表13和表14分別是ESSO和SHELL薄膜老化試驗后針入度試驗的結果。

表13 ESSO殘留針入度比

表14 SHELL殘留針入度比

從整體來看，橡膠粉改性瀝青的殘留針入度相對原基質瀝青提高了25%左右，說明其耐老化性能有了一定的提高。另一方面，仍然有部分數據出現離散，考慮可能是由于橡膠粉改性瀝青的不均勻性造成，另外試樣備制的不確定性也需要有所考慮。

同樣進行了殘留延度的試驗，表15和表16分別是ESSO和SHELL薄膜老化試驗后15℃延度試驗的結果。

表15 ESSO15℃殘留延度比

表16 SHELL15℃殘留延度比

試驗結果表明，延度指標不適合用來評價橡膠粉改性瀝青的柔韌性或者低溫抗裂性能。

5 結論

依據國內標準中常用的瀝青指標評價體系，通過進行瀝青針入度、軟化點、黏度、薄膜老化等對比試驗，分析得出以下結論：

（1）橡膠粉能夠提高瀝青的高溫性能，主要表現在瀝青的針入度降低、軟化點升高、黏度提高；

（2）橡膠粉能夠提高瀝青的抗老化性能，主要表現為殘留針入度比的提高和質量損失的減小；

（3）由于橡膠粉改性瀝青含有未完全溶脹的橡膠粉顆粒，針入度指標和延度指標并不能很好地與橡膠粉改性瀝青的性能建立聯系，主要表現在數據離散性較大；

（4）盡管橡膠粉改性瀝青的黏度試驗表現出良好的規律性，但考慮到含有未完全溶脹的橡膠粉顆粒，傳統的布氏旋轉黏度試驗的結果可能存在一定的假象，需要通過其他試驗進一步確認；

（5）橡膠粉改性瀝青的軟化點、黏度隨橡膠粉摻量的增加顯著提高，其他指標隨摻量變化的影響較小。根據不同橡膠粉摻量的試驗結果和文獻的建議，橡膠粉摻量選擇在18%～20%為宜。

[1] DB/T29—161—2006，天津市廢輪胎膠粉改性瀝青路面技術規程[S].

[2] 呂偉民.瀝青混合料設計原理與方法[M].上海：同濟大學出版社，2001.

[3] JTJ 052—2000，公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規程[S].

[4] JTG D50—2006，公路瀝青路面設計規范[S].