瀝青橡膠結合料性能的影響因素

文/中國公路工程咨詢集團有限公司 譚瑞梅

大量研究表明，將廢舊輪胎加工成橡膠粉加入到瀝青中，實現瀝青的改性，不僅可以為廢舊輪胎的再生利用提供新的途徑，同時可以改善瀝青的高低溫性能、彈性恢復性能及抗老化性能，使路面顏色更黑，并使路面具有降噪、行車舒適等優良性能。然而，橡膠粉與熱瀝青的作用是一個復雜的物理化學過程，影響因素較多，各因素之間還具有一定的交互作用關系，因此，為了更好地發揮瀝青與橡膠共混后的性能，研究瀝青橡膠結合料的性能影響因素，對結合料的合理設計十分必要。

為了分析瀝青橡膠(AR)結合料性能的影響因素，為AR結合料的制備提供設計依據，本文選取不同基質瀝青和橡膠粉，對影響AR結合料性質的主要因素進行研究，分析了結合料針入度、軟化點、彈性恢復、布氏黏度和復數模量G＊的變化規律。

原材料及試驗方法

原材料

采用70#瀝青和50#瀝青,性質如表1所示。采用20目、40目、60目和80目的橡膠粉進行試驗，橡膠粉的基本性質，如表2所示。

表1 瀝青的基本性質

表2 橡膠粉的基本性質

試驗方法

AR結合料的制備方法。將規定摻量的20目、40目和80目膠粉分別加入180℃的基質瀝青中，為了防止膠粉粒徑不被加工設備破壞，采用普通攪拌器攪拌，攪拌時間為30分鐘，然后放入190℃的攪拌烘箱中發育到規定時間，攪拌烘箱中攪拌器轉速為600r/min，進行瀝青橡膠結合料的制備。

性能測試方法

采用針入度、軟化點、彈性恢復、布氏黏度和復數模量G＊指標分析AR結合料的性能。具體試驗方法按照文獻中的瀝青針入度試驗、瀝青軟化點試驗、瀝青彈性恢復試驗、瀝青旋轉黏度試驗和瀝青流變性質試驗方法操作。

試驗結果分析

橡膠粉目數的影響分析

采用70#基質瀝青和不同目數膠粉，分析膠粉目數對AR結合料性能的影響，膠粉目數對瀝青135℃布氏黏度和64℃復數模量G＊的影響規律如圖1所示。由圖1(a)可以看出，兩種橡膠粉摻量下，隨著橡膠粉目數的增大，AR結合料的135℃布氏黏度呈現逐漸增大趨勢，在AR膠結料加工過程中，基質瀝青油分減少而導致的結合料稠度增大占很小的比例。因此，影響AR結合料黏度增大的原因主要是膠粉顆粒的作用，隨著膠粉目數增長，橡膠粉變細，比表面積增大，瀝青的稠度逐漸增加。

如圖2所示，隨著膠粉目數的增大，AR膠結料的64℃復數模量逐漸降低，這與135℃布氏黏度的規律相反，復數模量G＊反映了瀝青的高溫性能。這說明，AR結合料的135℃布氏黏度并不能代表瀝青的高溫性能，僅能反映瀝青結合料的施工和易性。綜合考慮施工和易性及高溫性能，40目至60目的橡膠粉制備AR的性能較好。

反應時間的影響分析

為了分析AR制備過程中的合理反應時間，采用70#瀝青、40目橡膠粉分析了AR結合料的最佳反應時間，試驗結果如圖2所示。

如圖2所示，隨著反應時間的增長，AR結合料的135℃布氏黏度先增大后減小，當反應時間達到1h時，AR的135℃布氏黏度達到峰值。這是因為橡膠粉在瀝青中的溶脹隨時間的增長會產生質的變化，一方面，在溶脹初期，橡膠粉的表面溶脹逐步形成凝膠體促進AR結合料的黏度增大，另一方面，由于橡膠粉顆粒的核心在縮小，削弱了粒子對AR結合料黏度的貢獻，所以反應時間增長到一定程度，瀝青的布氏黏度會逐漸降低。因此可以得出，該AR膠結料的最佳反應時間為1h。

圖1 橡膠粉目數對AR結合料性質的影響規律

圖2 反應時間對AR結合料135℃布氏黏度的影響規律

基質瀝青標號和橡膠粉摻量的影響分析

采用40目膠粉在發育時間為1h的條件下制備AR膠結料，分析膠粉摻量及基質瀝青標號對AR結合料指標的影響，試驗結果如圖3所示。

圖3 基質瀝青標號和橡膠粉摻量的影響規律

如圖3(a)所示，隨著橡膠粉摻量的增加，瀝青的針入度逐漸降低，基本呈現出線性關系降低趨勢，70#基質瀝青制備的AR結合料的針入度降低速度相對較快，當橡膠粉摻量在15%以上時，70#基質瀝青和50#基質瀝青制備的橡膠瀝青的25℃針入度在縮小。

如圖3(b)所示，隨著橡膠粉摻量的增多，50#基質瀝青和70#基質瀝青制備的AR結合料的軟化點，基本呈現出線性增長規律，可以看出70#基質瀝青制備的AR結合料軟化點增長較快，當橡膠粉摻量為15%以上時，AR結合料的軟化點差異逐漸縮小，受基質瀝青的影響逐漸減小。

如圖3(c)所示，隨著橡膠粉摻量的增多，50#和70#基質瀝青制備的AR結合料彈性恢復逐漸增大，橡膠粉可顯著提升AR的彈性恢復能力，其中在橡膠粉摻量為15%以前，50#基質瀝青制備的AR結合料的彈性恢復能力，優于70#基質瀝青制備的AR結合料，當橡膠粉摻量超過15%以后，70#基質瀝青制備的AR結合料的彈性恢復較為優異。

如圖3(d)所示，不論是70#還是50#基質瀝青，在一定橡膠粉摻量下，AR結合料的黏度增長是很緩慢的。當達到一定橡膠粉摻量，AR結合料的黏度急劇增加。黏度具有轉折點，轉折點與基質瀝青的稠度有關，70#瀝青的轉折點出現在橡膠粉摻量為20%處，而50#基質瀝青的轉折點出現在橡膠粉摻量在10%處，高標號瀝青在橡膠粉摻量較高時瀝青布氏黏度出現轉折點。

綜上可以看出，在對AR結合料的高溫性能和彈性恢復提升以及較高的施工和易性要求時，選擇70#瀝青制備AR結合料較為適宜。

結語

隨著橡膠粉目數增加，AR結合料的布氏黏度逐漸升高，但復數模量G＊逐漸降低，AR結合料的布氏黏度并不能代表瀝青的高溫性能，僅能反映瀝青結合料的施工和易性；隨反應時間的增長，AR結合料的布氏黏度先增大后減小，橡膠粉在瀝青中的溶脹隨時間的增長發生了質的變化；隨橡膠粉摻量的增加，基質瀝青標號對AR結合料的針入度和軟化點影響逐漸減小，當達到一定摻量，AR結合料的布氏黏度出現轉折點，轉折點出現的橡膠粉摻量與基質瀝青的稠度有關。綜合施工和易性及高低溫性能，推薦采用橡膠粉的目數為40目至60目，以及采用70#基質瀝青，在190℃的反應溫度下反應1h后制備AR結合料。