橡膠復合改性瀝青流變性能分析

張云萍 王曉麗 趙任帥 殷衛永

摘 要：為研究橡膠復合改性瀝青流變性能，本文借助過Brookfield旋轉黏度試驗、動態剪切流變試驗（DSR）、低溫彎曲蠕變試驗（BBR）以及掃描電鏡和紅外光譜微觀試驗，對橡膠復合改性瀝青進行綜合分析。結果表明：攪拌時間越久，摻量越大，復合改性瀝青黏度越大，摻量增加1倍，黏度增加約4倍;瀝青短期老化和長期老化后，70號基質瀝青改性后的橡膠復合改性瀝青優于90號;70號基質瀝青改性下，膠粉摻量降低1倍，勁度模量減少約75%，并與90號基質瀝青改性下性能接近;在橡膠和SBS復合改性瀝青中，膠粉與SBS發生化學反應，有官能團出現，形成改性劑相和瀝青相雙連續相，進而改變瀝青性能。

關鍵詞：旋轉黏度;DSR;BBR;微觀結構;流變性能

中圖分類號：U414文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）31-0073-05

Analysis of Rheological Properties of Rubber Compound Modified Asphalt

ZHANG Yunping1 WANG Xiaoli1 ZHAO Renshuai1 YIN Weiyong2

（1.Xuchang Highway Administration，Xuchang Henan 461099;2.Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co. Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： In order to study the rheological properties of rubber composite modified asphalt， Brookfield rotational viscosity test， dynamic shear rheological test （DSR）， low temperature bending creep test （BBR）， scanning electron microscope （SEM） and infrared spectrum micro test were used to comprehensively analyze the rubber composite modified asphalt. The results show that the longer the mixing time and the higher the content， the higher the viscosity of the composite modified asphalt is， and the content is doubled and the viscosity is increased by about 4 times; after short-term aging and long-term aging of asphalt， the rubber composite modified asphalt modified by 70 matrix asphalt is better than that of 90 matrix asphalt; under the modification of 70 matrix asphalt， the rubber powder content is reduced by one time， and the stiffness modulus is reduced by about 75% In the rubber SBS composite modified asphalt， the rubber powder reacts with SBS and some functional groups appear， forming the modifier phase and asphalt phase bicontinuous phase， thus changing the asphalt performance.

Keywords： rotational viscosity;DSR;BBR;micro structure;rheological properties

瀝青作為瀝青路面工程中重要的基本材料，性能好壞關系到路面的使用性能和壽命，因此，全面評價瀝青性能至關重要。橡膠復合改性瀝青能消耗大量廢舊輪胎，并改善瀝青混合料性能，目前正在逐步被推廣應用。為全面評價橡膠復合改性瀝青綜合性能，確保工程質量，需要對橡膠復合改性瀝青性能進行更加全面深入的研究。瀝青材料流變學是研究瀝青材料的彈性、黏性以及流動變形的學科[1-5]，是全面評價瀝青性能的重要指標。多數學者對瀝青的流變性能進行了相關研究。曾夢瀾[6]等人對生物瀝青、巖瀝青及復合改性瀝青常規性能與流變性能的相關性進行分析，研究表明可以通過常規性能指標來合理預估流變性能。李寧[7]等人對自主研發的橡膠樹脂（PR）改性瀝青進行了流變和微觀分析研究。通過分析得出，橡膠樹脂（PR）改性瀝青具有良好的老化性能。王鵬[8]等人對碳納米管（CNTs）對SBS改性瀝青流變性能的影響進行研究。結果表明：隨著CNTs摻量增加，SBS改性瀝青動力黏度增加，累積應變減小，勁度模量略有降低;隨著CNTs摻量增加，CNTs與SBS、瀝青組分間的相互作用越強，SBS改性瀝青的流變性能越好。但是，目前關于橡膠復合改性瀝青流變性能的研究相對較少。

基于此，本文借助旋轉黏度試驗、高溫流變DSR試驗、低溫彎曲小梁BBR試驗及掃描電鏡和紅外光譜微觀分析，評價橡膠復合改性瀝青流變性能，為橡膠復合改性瀝青的進一步推廣應用及工程質量控制提供參考。

1 原材料檢測及橡膠復合改性瀝青制備

1.1 橡膠粉

本文采用的橡膠粉細度為20目，檢測密度為1.14 g/cm3，含水率為0.55%，橡膠粉篩分結果如表1所示。

1.2 基質瀝青

采用中海油70號和90號瀝青作為基質瀝青制備橡膠復合改性瀝青。各項指標見表2。

1.3 橡膠復合改性瀝青制備

工程應用中經常用膠粉與SBS制備復合改性瀝青。橡膠復合改性瀝青改性劑含20目貨車膠粉和常規SBS改性劑。以瀝青質量為基準，橡膠粉摻量為外摻。摻量在一定范圍內浮動，SBS改性劑摻量為定值外摻1%。采用濕法工藝制備復合改性瀝青。橡膠復合改性瀝青制備工藝如圖1所示。為了便于膠粉與基質瀝青的有效膠聯，適當延長發育溶脹時間。

2 橡膠復合改性瀝青黏度分析

本文選取不同攪拌時間的70號瀝青制備的成品橡膠復合改性瀝青，采用美國布洛克菲爾德旋轉黏度儀（見圖2），配備SC4-27號轉子，測試不同橡膠粉摻量的橡膠復合改性瀝青在177 ℃、扭矩在10%～100%范圍內的黏度，試驗結果如圖3所示。

從圖3可以得出如下結論。

①隨著攪拌時間增長，橡膠復合改性瀝青的黏度均有不同程度的增加。其中，橡膠粉摻量越大，黏度變化越明顯。攪拌時間相同的情況下，摻量由12%增加1倍時，黏度增加約4倍。這與瀝青的溶脹有關，橡膠粉與瀝青接觸后發生溶脹，輕質油分減少，膠粉顆粒體積變大的同時，增加了瀝青相對界面位移移動的阻力，使橡膠復合改性瀝青體系度增加。

②隨著膠粉摻量的增加，改性瀝青黏度逐漸增大，摻量為16%～20%時，橡膠復合改性瀝青拌和60 min、在177 ℃下的黏度為1.5～4.0 Pa·s，且黏度曲線比較平緩，有利于橡膠復合改性瀝青的施工控制。

③橡膠粉摻量為24%時，橡膠復合改性瀝青拌和60 min、在177 ℃下的黏度大于4.0 Pa·s，過高的黏度會增加瀝青泵送及混合料拌和、攤鋪的施工難度。美國亞利桑那州規定橡膠復合改性瀝青在177 ℃的黏度應在1.5～4.0 Pa·s，以滿足施工的要求。為保證良好的施工性能，最終確定20目橡膠復合改性瀝青橡膠粉的添加比例為內摻16%～20%。另外，在攪拌時間為45～75 min時，黏度增長緩慢。因此，本文認為60 min為最佳攪拌時間。

3 橡膠復合改性瀝青動態流變性能分析

黏彈性材料自身性質受外界環境溫度影響較大[9-12]。本文從瀝青黏彈性本質出發，借助DSR試驗分析橡膠復合改性瀝青在不同溫度下的流變性能，研究膠粉摻量及基質瀝青類型對瀝青流變性能的影響規律。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）分別對基質瀝青進行旋轉薄膜烘箱老化和壓力加速老化，然后采用MCR301型動態剪切流變儀進行動態剪切試驗，試驗頻率10 rad/s，轉動軸直徑25 mm。原樣瀝青和旋轉薄膜烘箱老化后瀝青試驗溫度選取76 ℃和82 ℃ 2個溫度，壓力加速老化后瀝青試驗溫度選擇31 ℃。根據試驗得到的復數模量[G*]和相位角[δ]計算車轍因子[G*/sinδ]和疲勞開裂因子G*·sinδ。動態剪切流變儀和動態剪切流變試件如圖4和圖5所示。試驗結果如表3所示。

由表3數據分析可以得出以下結論。

①隨著膠粉摻量的增加，改性瀝青高溫抗車轍因子逐漸增大，高溫穩定性能得到顯著改善，摻量增加1倍時，車轍因子增加約6～9倍。

從長期老化后疲勞開裂因子來看，31 ℃時疲勞開裂因子值在300 kPa左右，遠小于上限要求5 000 kPa，表明橡膠復合改性瀝青具有較好的抗老化性能和抗疲勞性能，且隨著摻量的增加逐漸提高。

②瀝青短期老化試驗旋轉薄膜烘箱老化和長期老化試驗壓力加速老化后，70號基質瀝青改性后的橡膠復合改性瀝青的抗老化性能均優于基質瀝青為90號的橡膠復合改性瀝青。這主要是因為90號基質瀝青中輕組分含量較高，在老化過程中瀝青中輕質組分揮發，同時在熱和氧的作用下，瀝青發生了熱聚合和氧化反應使得重組分增多，導致瀝青硬化變脆，且基質瀝青為70號的橡膠復合改性瀝青的黏度更大，在靜止狀態下與空氣接觸少。

4 橡膠復合改性瀝青低溫彎曲蠕變性能分析

本文基于彎曲梁蠕變試驗（BBR）（見圖6），采用彎曲蠕變勁度模量S和蠕變曲線斜率m（勁度模量對荷載作用時間的曲線斜率）來測評瀝青結合料的低溫抗裂性能。試驗過程參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011），試驗溫度為-18 ℃和-24 ℃，試驗結果見表4。

由表4數據分析可以得以下結論。

對于70號基質瀝青，隨著膠粉摻量的逐漸增加，改性瀝青的勁度模量逐漸減小，摻量為24%的橡膠復合改性瀝青的勁度模量比摻量為12%的勁度模量降低了75%，說明增加橡膠粉摻量有利于提高橡膠復合改性瀝青的性能。

由于90號瀝青中輕組分的含量較高，因此，經橡膠粉改性后的低溫性能略高于70號瀝青，但兩者比較接近。

5 橡膠復合改性瀝青微觀結構掃描電鏡分析

本文借助掃描電鏡和紅外光譜微觀試驗，分析70號基質瀝青制備的橡膠復合改性瀝青和常規SBS改性瀝青的微觀結構。SBS改性瀝青（SBS摻量為3%）性能指標如表5所示。

借助紅外光譜和掃描電鏡（SEM）對SBS改性瀝青和橡膠復合改性瀝青（SBS摻量為1%，橡膠粉摻量20%）進行微觀結構分析，結果如圖7至圖10所示。

結合圖7至圖10可知，紅外光譜顯示復合改性瀝青和SBS改性瀝青峰型相差不大，復合改性瀝青SEM圖顯示卻較亮、顆粒更多，說明改性時膠粉與SBS發生了化學反應，有部分官能團的出現，形成改性劑相和瀝青相雙連續相。從瀝青組成結構看，膠粉摻量遠遠高于SBS，主要是較多膠粉表面被瀝青輕組分溶解、溶脹，進而滲入膠粉內部，致使膠粉顆粒表面凝膠膜發生膠黏，膠粉顆粒連接，形成骨架填充基質瀝青中，但是SBS只作為分散質分散基質瀝青中構成網絡結構。

6 結論

本文針對橡膠復合改性瀝青流變性能特性，通過Brookfield旋轉黏度試驗、動態剪切流變試驗（DSR）、低溫彎曲蠕變試驗（BBR）以及掃描電鏡和紅外光譜微觀試驗，分析橡膠復合改性瀝青流變性能。主要結論如下。

①橡膠復合改性瀝青黏度分析中，橡膠復合改性瀝青黏度與攪拌時間成正比，且橡膠粉摻量越大，黏度變化越明顯。膠粉摻量增加1倍時，黏度增加約4倍。

②抗車轍因子[G*/sinδ]大小與膠粉摻量成正比，摻量增加1倍，[G*/sinδ]增加約6～9倍。

③31 ℃時的疲勞開裂因子[G*·sinδ]在300 kPa左右，反映了橡膠復合改性瀝青較好的抗老化性能和抗疲勞性能。

④瀝青短期老化和長期老化后，70號基質瀝青改性后的橡膠復合改性瀝青優于90號。

⑤70號基質瀝青改性下，膠粉摻量降低1倍，勁度模量減少約75%，并與90號基質瀝青改性下性能接近。

⑥在橡膠和SBS復合改性瀝青中，膠粉與SBS發生化學反應，有官能團出現，形成改性劑相和瀝青相雙連續相，進而改變瀝青性能。

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