干法膠粉改性瀝青混合料的制備和性能

尹以高，李美華

（1.廣西交通科學研究院，廣西 南寧 530007；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007）

0 引言

廢舊胎粉用于制備橡膠瀝青，作為新型路面材料應用于道路工程，不僅節能環保，而且能降低路面噪音并減薄瀝青路面厚度，提高瀝青路面高溫穩定性、抗疲勞和抗低溫開裂等路用性能；適應我國當前公路建設可持續發展的需求，符合我國當前建設節約型社會和發展循環經濟的政策。

目前常用瀝青的高溫穩定性、耐老化性和耐久性較差；傳統的橡膠瀝青技術在一定程度上改善了瀝青的路用性能，但同時仍存在高溫加工容易老化、高溫貯存穩定性差、容易沉淀離析造成質量不穩定的缺陷，而且膠粉利用率低，不能對膠粉進行充分合理的利用。

本研究從橡膠瀝青的原材料——膠粉的改性出發，通過對膠粉的活化改性進而制備干法橡膠瀝青材料，從而提高橡膠瀝青的總體性能。主要內容包括：膠粉改性機理的研究，干法橡膠瀝青的制備方法，干法橡膠瀝青混合料的性能測試和性能研究。

一般認為，干法橡膠瀝青比濕法橡膠瀝青能夠消耗更多的橡膠粉，但對瀝青的改性效果不如濕法，而且瀝青混合料的性能也不如濕法混合料穩定。本研究通過對膠粉的活化改性，強化了膠粉對瀝青的改性效果，既能發揮干法大量摻入膠粉的優點，又能提高其瀝青混合料的綜合性能，在提高廢胎膠粉的利用率，發揮改性膠粉制備的橡膠瀝青獨特的路用性能方向具有重要意義。

1 實驗內容

普通膠粉，廣西交通科學研究院新材料公司產品。

改性膠粉，廣西交通科學研究院廣西道路結構與材料重點實驗室研制。

基質瀝青，中石油東海70＃瀝青。

粗集料采用輝綠巖，細集料采用石灰巖，ARAC－13級配。為了便于進行性能對比，油石比采用5.2%，膠粉／瀝青材料按混合料重量的0.3%添加。

采用礦料加熱溫度170℃，拌和溫度和養生溫度160℃，基質瀝青溫度加熱溫度155℃，擊實成型溫度150℃～155℃，干拌時間5min，養生時間為2h的制備工藝，相對濕法橡膠瀝青混合料的制備溫度降低了10℃～20℃，可以體現干法橡膠瀝青混合料溫拌效果。

2 結果與討論

2.1 干法膠粉的改性機理

目前，國內外對橡膠瀝青材料進行了廣泛研究，集中在改性方法和改性機理，廢胎膠粉改性瀝青的儲存穩定性和流變性、橡膠瀝青材料的高溫性能、抗老化性能等［1－7］；一般認為橡膠瀝青改性以物理共混為主，但過程中存在著脫硫、降解等化學反應，隨著共混時間的延長，化學作用越明顯［8］。

由于膠粉和瀝青的化學結構以及分子量的差異很大，二者的相容性很差，直接混合很容易發生離析，通常需要對膠粉進行化學改性。

圖1 膠粉的交聯結構圖

改性的方法主要有力化學法和熱剪切法，前者是膠粉在機械力和化學助劑的共同作用下，發生裂解；后者在熱和機械剪切力的共同作用下，膠粉分子中C－S鍵和S－S鍵分別發生斷裂，生成具有高反應活性的－SH基團。由 于 C－S 鍵、S－S 鍵、C－C 鍵 的 鍵 能 分 別 為289kJ／mol、268kJ／mol、345kJ／mol，可 知 在 同 樣 條 件下，S－S鍵最容易發生斷裂，C－S鍵次之，C－C較難發生斷裂。反應式見圖2：

圖2 改性膠粉制備過程中發生的化學反應圖

改性膠粉的－SH基團進一步與瀝青的活性基團（碳碳雙鍵、碳硫鍵）反應，完成交聯，見圖3。

圖3 改性膠粉與瀝青發生的交聯反應圖

橡膠瀝青混合料的制備有干法和濕法之分。濕法是先將廢膠粉與瀝青混合，形成橡膠粉改性瀝青，然后把橡膠粉改性瀝青與集料進行熱拌，制成混合料；干法是先將橡膠粉加入到集料中，形成的混合集料再與瀝青進行熱拌，制成混合料。此過程生產的改性瀝青一致性差，是把廢膠粉當作填料使用。

近年來，廣西交通科學研究院廣西道路結構與材料重點實驗室致力于改性瀝青和改性膠粉的研究和應用，成功對相關技術進行了產業化；根據上述膠粉改性機理研制出系列改性膠粉，不僅適用于濕法橡膠瀝青，而且成功用于制備性能穩定的干法橡膠瀝青，并進行了路用性能驗證。

2.2 干法橡膠瀝青混合料的高溫穩定性

為了評價干法橡膠瀝青混合料的高溫穩定性，分別對改性膠粉摻量為35%、30%和25%的橡膠瀝青混合料進行了70℃車轍試驗，同時為了對比，也對普通膠粉25%摻量的橡膠瀝青混合料進行了性能檢測，檢驗結果如表1所示。

表1 干法橡膠瀝青混合料70℃車轍試驗結果表

由表1可知，在車轍試驗溫度70℃的情況下，30%和35%膠粉摻量的橡膠瀝青混合料的動穩定和相對變形量相當，動穩定度8 000次／mm以上。25%膠粉摻量的橡膠瀝青混合料的動穩定度相對較低，為5 000次／mm以上，與25%普通橡膠粉摻量的橡膠瀝青混合料的動穩定度和相對變形量相當。

干法橡膠瀝青混合料中由于改性膠粉在高溫下仍然具有良好的彈性變形能力，發揮橡膠材料獨特的柔韌性和高溫勁度，使得瀝青在高溫條件下更不易發軟，降低橡膠瀝青混合料的剩余形變累積，從而提高混合料的高溫穩定性。

2.3 干法橡膠瀝青混合料的水穩定性

水損害是瀝青路面的主要病害之一。除了水份侵蝕和荷載的外因作用，瀝青混合料的抗水損害能力是決定瀝青路面的水穩定性的根本因素。分別對改性膠粉摻量為35%、30%、25%和普通膠粉摻量為25%的橡膠瀝青混合料進行了浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，以評價干法橡膠瀝青混合料的水穩定性能，見表2～3。

表2 干法橡膠瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗結果表

表3 干法橡膠瀝青混合料的凍融劈裂試驗結果表

由表2～3可知，每種膠粉摻量的橡膠瀝青混合料的殘留穩定度都較高，均符合技術要求（≥85%）。凍融劈裂抗拉強度比均符合技術要求（≥80%），混合料表現出良好的柔韌性，沒有出現低溫脆性破壞；30%膠粉摻量的橡膠瀝青混合料相對較低，但是改性膠粉摻量為35%、30%、25%的橡膠瀝青混合料凍融前的劈裂強度（低溫抗裂性）都比25%普通膠粉摻量的橡膠瀝青混合料的高。

表2～3的結果表明，改性膠粉提高了瀝青混合料的水穩定性，很可能是因為改性膠粉能更好地發揮對瀝青的改性作用，強化橡膠瀝青對集料的粘附作用，充分裹附礦料。

2.4 膠粉摻量對瀝青混合料性能的影響

分別對改性膠粉摻量為35%、30%、25%的橡膠瀝青混合料進行了50℃浸水漢堡車轍試驗，以評價干法膠粉摻量對橡膠瀝青混合料的高溫穩定性和水穩定性能的影響，試驗結果如圖4～6所示。

漢堡車轍試驗評價標準參考山東近幾年的漢堡車轍試驗評價方法：（1）在輪碾10 000次時是否出現剝落拐點，當剝落拐點＜10 000次時，瀝青混合料水穩定性能較差；（2）碾壓20 000次時，車轍深度≤10mm。

圖4 35%改性膠粉摻量的橡膠瀝青混合料輪轍試驗曲線圖

圖5 30%改性膠粉摻量的橡膠瀝青混合料輪轍試驗曲線圖

圖6 25%改性膠粉摻量的橡膠瀝青混合料輪轍試驗曲線圖

由圖4～6的漢堡車轍試驗結果可知，改性膠粉摻量為35%、30%和25%的橡膠瀝青混合料的輪轍變形曲線未出現拐點，碾壓次數為10 000次時，車轍深度分別為2.53mm、2.60mm和3.60mm，均＜4mm；碾壓次數為20 000次時，車轍深度分別為3.09mm、3.27mm和4.64mm，均＜5mm，車轍深度較小，說明改性膠粉三種摻量的瀝青混合料的高溫穩定性和抗水損能力都良好。

對比三種膠粉摻量的橡膠瀝青混合料的輪轍深度可知，隨著膠粉摻量的增加，10 000次和20 000次的輪轍深度逐漸減小，由此說明在保證干法橡膠瀝青混合料壓實性能的情況下，膠粉摻量越高，高溫穩定性越好。這可能跟膠粉中抗老化劑有關，膠粉摻量越高，抗老化劑的含量越高。

3 結語

（1）車轍試驗溫度70℃的情況下，30%和35%膠粉摻量的橡膠瀝青混合料的動穩定度和相對變形量相當，動穩定度8 000次／mm以上，高于普通橡膠粉25%摻量的橡膠瀝青混合料的動穩定度。

（2）每種改性膠粉摻量的橡膠瀝青混合料的殘留穩定度都較高，均符合技術要求。凍融劈裂抗拉強度比均符合技術要求，改性膠粉摻量為35%、30%、25%的橡膠瀝青混合料凍融前的劈裂強度都比普通膠粉25%摻量的橡膠瀝青混合料的高。

（3）漢堡車轍試驗結果表明改性膠粉制備的橡膠瀝青混合料具有良好的高溫穩定性和抗水損性能。

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