廢舊輪胎膠粉級配對橡膠瀝青性能的影響

王國清，王瑞穎*，秦祿生，劉延雷，王新強

（1.河北工業大學 土木與交通學院，天津 300401； 2.河北交通投資集團有限公司，石家莊 050090；3.益路恒豐衡水瀝青科技有限公司，河北 衡水 053400）

將廢舊輪胎磨碎制成膠粉加入到瀝青中并在高溫下攪拌混合， 可以實現廢棄物資源化利用，改善了廢舊輪胎帶來的環境問題，具有良好的社會效益［1-3］。美國各州根據所在地區氣候環境以及道路的使用要求，在橡膠瀝青相關規范中對膠粉級配進行了明確劃分［4-5］。但目前我國對膠粉級配并沒有明確規定， 通常將膠粉劃分為30，40，60 目等， 膠粉中不同粒徑具體所占比例，不同廠家有很大的區別。 Mashaan 等［6］用2 種膠粉級配進行研究，發現粗膠粉級配提高了橡膠瀝青的流變性能和抗紫外線老化性能。 Venudharan等［7］發現膠粉級配的變化顯著影響橡膠改性瀝青的基礎性能及抗變形能力。 侯天爵等［8］研究在儲存過程中膠粉粒徑對橡膠瀝青性能的影響，發現使用小粒徑膠粉橡膠瀝青的即時性能最優，而采用大粒徑膠粉的橡膠瀝青在儲存前后的性能變化最小。 王輝等［9］對膠粉的摻量和細度對瀝青性能的影響進行研究，得出膠粉的最佳摻量為18%～22%（質量分數，下同）、最佳細度規格為60～80目的結論。 梁明等［10］采用動態熱機械分析法研究膠粉粒徑對橡膠瀝青黏彈特性的影響，結果表明粒徑越小在瀝青中分布得更集中，大粒徑膠粉有助于提升橡膠瀝青的高溫性能。 本工作在現有膠粉級配研究的基礎上，選取8 種膠粉級配，采用針入度體系、美國公路戰略研究計劃（SHPR）體系等考察評價膠粉級配對橡膠瀝青性能的影響，并結合級配參數對其進行分析，提出合適的膠粉級配參數范圍，以期能填補現行標準對膠粉級配規定不足的空白。

1 試驗部分

1.1 原材料

選用市售70#基質瀝青和8 種不同級配的廢舊輪胎橡膠粉，膠粉由益路恒豐衡水瀝青科技有限公司提供。

膠粉級配粗細以關鍵篩孔膠粉通過率和細度模數作為評價指標，本工作細度模數的計算參考天然砂細度模數計算公式進行：

式中：Mx為細度模數；A 是指在該篩孔下的膠粉通過率。 按照上述評價方法得到的膠粉級配相關參數見表1。 由表1 可知，40 目和60 目膠粉的通過率差異較大且相對連貫， 通過率分布在20%～100%，因此選擇其篩孔通過率進行級配評價。

1.2 試驗方法

1.2.1 制備工藝的確定

為選擇合適的橡膠瀝青制備工藝以及驗證膠粉級配對橡膠瀝青性能的影響，采用正交法進行試驗設計。 在膠粉摻量20%（內摻）的條件下，選取膠粉級配、 發育溫度和發育時間為變量，設計3 因素3 水平［L 9（33）］正交試驗（見表2），以針入度、軟化點、黏度和延度作為評價指標，某因素某水平下試驗數據的求和平均值（ki）列于表3。

Table 2 Rubber asphalt preparation process and factor levels

Table 3 Rubber asphalt orthogonal test results

試驗結果初步驗證膠粉級配對橡膠瀝青性能存在影響。 參照《穩定型廢舊輪胎膠粉改性瀝青技術要求》（DB 13/T 2780—2018） 中Ⅰ類橡膠瀝青的技術指標，確定橡膠瀝青的最佳發育時間為40 min、最佳發育溫度為180 ℃。

1.2.2 橡膠瀝青的制備

在135 ℃下將基質瀝青加熱至具有良好的流動狀態，取適量瀝青在電爐上快速加熱至180 ℃，加入膠粉并用攪拌機攪拌發育40 min，攪拌轉速為1 350 r/min， 隨后用高速剪切機以7 500 r/min的轉速剪切30 s， 攪拌、 剪切期間的溫度保持在180～185 ℃。

1.3 橡膠瀝青性能評價

針入度體系 參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E 20—2011） 測試橡膠瀝青的針入度、軟化點、延度、180 ℃黏度及離析軟化點差。

SHPR 體系 參照JTG E 20—2011 標準用動態剪切流變儀對橡膠瀝青進行溫度掃描，測試其相位角和車轍因子，采用應變控制方式，應變參數12%，角頻率10 rad/s，試驗溫度64～94 ℃；采用彎曲梁流變儀進行彎曲蠕變勁度試驗， 測試橡膠瀝青的勁度模量和蠕變速率， 測試溫度分別為-12，-18，-24 ℃。

微觀性能 采用熱重分析儀考察橡膠瀝青在氮氣環境下其質量隨溫度的變化過程，測試溫度為室溫到600 ℃。 通過熒光顯微鏡觀察不同級配膠粉顆粒在瀝青中的狀態。 通過膠粉溶解度試驗，以橡膠瀝青溶解度與膠粉溶解度之差來表示膠粉在瀝青中的降解程度。

2 結果與討論

2.1 基于針入度體系的橡膠瀝青性能

基于針入度體系下的8 種級配膠粉對橡膠瀝青性能影響的試驗結果列于表4。 分析表4 可知：（1）隨著膠粉級配變細，橡膠瀝青的針入度逐漸增大。 針入度與40 目和60 目篩孔通過率呈正相關、與細度模數呈負相關。 小粒徑膠粉比大粒徑膠粉的溶脹速度快，其在更早的時間內達到溶脹平衡并開始降解，且在釋放溶脹過程中吸收輕質組分，從而導致橡膠瀝青的針入度增大。 （2）隨著膠粉級配變細， 橡膠瀝青的軟化點逐漸下降。軟化點與40 目和60 目篩孔通過率呈負相關、與細度模數呈正相關。 膠粉粒徑越大越容易形成骨架結構， 膠粉顆粒越小則更易在瀝青中溶脹降解，使橡膠瀝青變軟，在高溫時就容易產生變形。（3）隨著膠粉級配變細，橡膠瀝青的延度呈現逐漸增大的趨勢。 延度與40 目和60 目篩孔通過率呈正相關、與細度模數呈負相關。 隨著膠粉級配變細，膠粉在瀝青中的分布更均勻，其改性效果也更均勻。 細顆粒膠粉數量多，因在低溫下膠粉顆粒與瀝青基體的模量不同，故受到外力作用時會產生應力集中而引發銀紋［11］，銀紋可以消耗大量的破壞能量，從而提高了瀝青的延度。 （4）隨著膠粉級配變細，橡膠瀝青的黏度逐漸下降。 黏度與40 目和60 目篩孔通過率呈負相關、與細度模數呈正相關。 膠粉粒徑的大小影響輕質組分在膠粉內部的擴散速率，進而影響膠粉的溶脹，在相同的作用時間內，膠粉粒徑越大就具有更大的體積變化，但粒徑越小越容易到達溶脹平衡，加速膠粉的降解并降低交聯密度， 從而使得黏度下降。 （5）隨膠粉級配變細，橡膠瀝青的離析軟化點差逐漸下降。 離析軟化點差與40 目和60 目篩孔通過率呈負相關、與細度模數呈正相關。 離析軟化點差反應了橡膠瀝青的儲存穩定性，儲存穩定性與瀝青和膠粉之間的相容性和相互作用有關。膠粉的粒徑小有利于改善膠粉與瀝青之間的相容性， 而大粒徑膠粉在瀝青中更容易發生沉降，造成離析。 細膠粉級配改善了橡膠瀝青的穩定性，從而能減少離析的發生。

Table 4 Conventional performance of rubber asphalts with different rubber powder grades

2.2 基于SHPR 體系的橡膠瀝青性能

2.2.1 膠粉級配對高溫性能的影響

在64～94 ℃下測定橡膠瀝青的復合模量和相位角并計算車轍因子，結果如圖1 所示。 分析圖1 可知：（1）隨著溫度上升，各橡膠瀝青的相位角逐漸增大，表明其逐漸變軟，彈性部分減少、黏性部分增加，可恢復變形部分減少。 （2）在64 ℃時，橡膠瀝青的相位角整體上表現出隨膠粉級配變細而逐漸增大的趨勢。 瀝青黏結料中橡膠顆粒的存在有助于彈性的增加，當膠粉粒徑增大時顆粒效應將增強， 細膠粉顆粒效果不如粗膠粉，因此粗膠粉對瀝青彈性性能改善的效果更好。 （3）在不同溫度下，級配6、7 和8 橡膠瀝青的相位角變化幅度相對較小，其感溫性較好，表明細膠粉級配可提高瀝青的感溫性。 （4）64 ℃下的相位角與膠粉的40 目和60 目篩孔通過率呈正相關、與細度模數呈負相關，表明在64 ℃條件下隨膠粉級配變細，橡膠瀝青的相位角逐漸減小。 （5）隨溫度升高各橡膠瀝青的車轍因子逐漸下降。 膠粉粒徑越粗橡膠瀝青的車轍因子越大， 高溫性能越好。（6）膠粉級配為1～5 橡膠瀝青的車轍因子表現出相似的下降規律， 在64～70 ℃時的下降幅度較大，且膠粉越細下降幅度越小，表明細膠粉級配可提高瀝青的高溫抗變形能力。 （7）車轍因子與膠粉的40 目和60 目篩孔通過率呈負相關、與細度模數呈正相關，表明隨膠粉變粗橡膠瀝青的車轍因子增大，其高溫性能得到提升。

Fig 1 High-temperature performance of rubber asphalts with different rubber powder grades

2.2.2 膠粉級配對低溫性能的影響

在-12，-18，-24 ℃條件下橡膠瀝青勁度模量和蠕變速率的測試結果如圖2 所示。 分析圖2 可知：（1）隨著溫度下降，各橡膠瀝青的勁度模量均呈上升趨勢，瀝青變硬，其低溫變形能力和抗裂性能都下降，其中粗膠粉級配橡膠瀝青的變化趨勢更為明顯。 （2）相同的溫度條件下，細膠粉級配橡膠瀝青的勁度模量較小，與級配1 相比，級配6下降了23.24%，級配8 下降26.10%，說明細膠粉有利于改善橡膠瀝青的低溫性能。 （3）勁度模量與膠粉的40 目和60 目篩孔通過率呈負相關、與細度模數呈正相關，表明膠粉粒徑變細則橡膠瀝青的勁度模量變小，其低溫性能得到改善。 （4）隨溫度下降橡膠瀝青的蠕變速率呈減小趨勢，其中級配8 膠粉的變化趨勢較平緩， 級配1 則較明顯，說明細膠粉可提高橡膠瀝青的感溫性，這與高溫性能的結果一致。 （5）在相同溫度下，隨細度模數增大膠粉變細，橡膠瀝青的蠕變速率整體也呈上升趨勢，表明在同一溫度下細級配膠粉對瀝青低溫性能的改善效果更好，在寒冷地區的抗凍裂性能也更優越。 （6）蠕變速率與膠粉的40 目和60 目篩孔通過率呈正相關、 與細度模數呈負相關，隨膠粉變細橡膠瀝青的蠕變速率增大，對其低溫性能的改善效果更好。

Fig 2 Low-temperature performance of rubber asphalts with different rubber powder grades

3 橡膠瀝青微觀分析

3.1 熱 重

選取膠粉級配分別為1、5 和8 的橡膠瀝青進行熱重分析的結果如圖3 所示， 可以看出，其質量變化溫度大概為240 ℃， 其中級配1 橡膠瀝青的起始點溫度為265.2 ℃， 級配8 橡膠瀝青最低為231.4 ℃。 橡膠顆粒越小改性瀝青的熱解反應速率越快。經過1 h 升溫后，三種橡膠瀝青的質量損失分別為76.3%、79.2%和80.7%， 隨膠粉變細橡膠瀝青的質量損失逐漸增大。 由于三種膠粉在瀝青中的發育程度不同， 膠粉吸收了輕質組分，則瀝青中重質組分的比例增大，而細膠粉更易降解，輕質組分比例有所回升，也說明粗膠粉級配的橡膠瀝青對溫度的敏感性降低，其高溫穩定性更好。

Fig 3 Thermogravimetric analysis curves of rubber asphalts with different rubber powder grades

3.2 熒光顯微鏡

由圖4 可以看出，級配1 和級配5 試樣中都出現了大塊膠粉， 這是由于膠粉的團聚所致；級配8 膠粉均以細小的顆粒均勻分布。 這表明細級配膠粉在瀝青中的分散更均勻，細小膠粉顆粒在瀝青中更易降解， 從而使未降解膠粉充分溶脹，提高了膠粉與瀝青之間的相容性，更易于瀝青形成穩定結構，減少膠粉沉降，從而改善了橡膠瀝青的儲存穩定性。

Fig 4 Fluorescence images of rubber asphalts with different rubber powder grades

3.3 膠粉在瀝青中的降解程度

由表5 可知，隨著膠粉變細，其在瀝青中的降解程度逐漸增大，也說明不同粒徑膠粉所需要的最佳發育時間是不同的。 膠粉降解程度過低則橡膠瀝青黏度大；發育程度過高，膠粉在瀝青中不能形成骨架結構，導致橡膠瀝青黏度小、軟化點低。

Table 5 Degradation degree of different grade rubber powders in asphalt

4 結 論

a）隨著膠粉級配變細，橡膠瀝青的延度和針入度上升，軟化點和黏度下降，儲存穩定性得到改善，與40 目和60 目篩孔通過率及細度模數都具有較為密切的相關性。

b）粗級配膠粉有利于提升橡膠瀝青的高溫性能，最粗較最細膠粉的高溫性能提升了253%；而細級配膠粉有利于提升橡膠瀝青的低溫性能，最細較最粗膠粉的低溫性能提升了46%。

c）粗級配膠粉有利于增強橡膠瀝青的高溫穩定性。 細級配膠粉在瀝青中的分散更加均勻，有利于膠粉與瀝青之間的相容，改善了橡膠瀝青的儲存穩定性。 與粗級配膠粉相比，細級配膠粉在瀝青中的降解程度更大。