干法胶粉改性沥青混合料的制备和性能

尹以高，李美华

（1.广西交通科学研究院，广西 南宁 530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007）

0 引言

废旧胎粉用于制备橡胶沥青，作为新型路面材料应用于道路工程，不仅节能环保，而且能降低路面噪音并减薄沥青路面厚度，提高沥青路面高温稳定性、抗疲劳和抗低温开裂等路用性能；适应我国当前公路建设可持续发展的需求，符合我国当前建设节约型社会和发展循环经济的政策。

目前常用沥青的高温稳定性、耐老化性和耐久性较差；传统的橡胶沥青技术在一定程度上改善了沥青的路用性能，但同时仍存在高温加工容易老化、高温贮存稳定性差、容易沉淀离析造成质量不稳定的缺陷，而且胶粉利用率低，不能对胶粉进行充分合理的利用。

本研究从橡胶沥青的原材料——胶粉的改性出发，通过对胶粉的活化改性进而制备干法橡胶沥青材料，从而提高橡胶沥青的总体性能。主要内容包括：胶粉改性机理的研究，干法橡胶沥青的制备方法，干法橡胶沥青混合料的性能测试和性能研究。

一般认为，干法橡胶沥青比湿法橡胶沥青能够消耗更多的橡胶粉，但对沥青的改性效果不如湿法，而且沥青混合料的性能也不如湿法混合料稳定。本研究通过对胶粉的活化改性，强化了胶粉对沥青的改性效果，既能发挥干法大量掺入胶粉的优点，又能提高其沥青混合料的综合性能，在提高废胎胶粉的利用率，发挥改性胶粉制备的橡胶沥青独特的路用性能方向具有重要意义。

1 实验内容

普通胶粉，广西交通科学研究院新材料公司产品。

改性胶粉，广西交通科学研究院广西道路结构与材料重点实验室研制。

基质沥青，中石油东海70＃沥青。

粗集料采用辉绿岩，细集料采用石灰岩，ARAC－13级配。为了便于进行性能对比，油石比采用5.2%，胶粉／沥青材料按混合料重量的0.3%添加。

采用矿料加热温度170℃，拌和温度和养生温度160℃，基质沥青温度加热温度155℃，击实成型温度150℃～155℃，干拌时间5min，养生时间为2h的制备工艺，相对湿法橡胶沥青混合料的制备温度降低了10℃～20℃，可以体现干法橡胶沥青混合料温拌效果。

2 结果与讨论

2.1 干法胶粉的改性机理

目前，国内外对橡胶沥青材料进行了广泛研究，集中在改性方法和改性机理，废胎胶粉改性沥青的储存稳定性和流变性、橡胶沥青材料的高温性能、抗老化性能等［1－7］；一般认为橡胶沥青改性以物理共混为主，但过程中存在着脱硫、降解等化学反应，随着共混时间的延长，化学作用越明显［8］。

由于胶粉和沥青的化学结构以及分子量的差异很大，二者的相容性很差，直接混合很容易发生离析，通常需要对胶粉进行化学改性。

图1 胶粉的交联结构图

改性的方法主要有力化学法和热剪切法，前者是胶粉在机械力和化学助剂的共同作用下，发生裂解；后者在热和机械剪切力的共同作用下，胶粉分子中C－S键和S－S键分别发生断裂，生成具有高反应活性的－SH基团。由 于 C－S 键、S－S 键、C－C 键 的 键 能 分 别 为289kJ／mol、268kJ／mol、345kJ／mol，可 知 在 同 样 条 件下，S－S键最容易发生断裂，C－S键次之，C－C较难发生断裂。反应式见图2：

图2 改性胶粉制备过程中发生的化学反应图

改性胶粉的－SH基团进一步与沥青的活性基团（碳碳双键、碳硫键）反应，完成交联，见图3。

图3 改性胶粉与沥青发生的交联反应图

橡胶沥青混合料的制备有干法和湿法之分。湿法是先将废胶粉与沥青混合，形成橡胶粉改性沥青，然后把橡胶粉改性沥青与集料进行热拌，制成混合料；干法是先将橡胶粉加入到集料中，形成的混合集料再与沥青进行热拌，制成混合料。此过程生产的改性沥青一致性差，是把废胶粉当作填料使用。

近年来，广西交通科学研究院广西道路结构与材料重点实验室致力于改性沥青和改性胶粉的研究和应用，成功对相关技术进行了产业化；根据上述胶粉改性机理研制出系列改性胶粉，不仅适用于湿法橡胶沥青，而且成功用于制备性能稳定的干法橡胶沥青，并进行了路用性能验证。

2.2 干法橡胶沥青混合料的高温稳定性

为了评价干法橡胶沥青混合料的高温稳定性，分别对改性胶粉掺量为35%、30%和25%的橡胶沥青混合料进行了70℃车辙试验，同时为了对比，也对普通胶粉25%掺量的橡胶沥青混合料进行了性能检测，检验结果如表1所示。

表1 干法橡胶沥青混合料70℃车辙试验结果表

由表1可知，在车辙试验温度70℃的情况下，30%和35%胶粉掺量的橡胶沥青混合料的动稳定和相对变形量相当，动稳定度8 000次／mm以上。25%胶粉掺量的橡胶沥青混合料的动稳定度相对较低，为5 000次／mm以上，与25%普通橡胶粉掺量的橡胶沥青混合料的动稳定度和相对变形量相当。

干法橡胶沥青混合料中由于改性胶粉在高温下仍然具有良好的弹性变形能力，发挥橡胶材料独特的柔韧性和高温劲度，使得沥青在高温条件下更不易发软，降低橡胶沥青混合料的剩余形变累积，从而提高混合料的高温稳定性。

2.3 干法橡胶沥青混合料的水稳定性

水损害是沥青路面的主要病害之一。除了水份侵蚀和荷载的外因作用，沥青混合料的抗水损害能力是决定沥青路面的水稳定性的根本因素。分别对改性胶粉掺量为35%、30%、25%和普通胶粉掺量为25%的橡胶沥青混合料进行了浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，以评价干法橡胶沥青混合料的水稳定性能，见表2～3。

表2 干法橡胶沥青混合料的浸水马歇尔试验结果表

表3 干法橡胶沥青混合料的冻融劈裂试验结果表

由表2～3可知，每种胶粉掺量的橡胶沥青混合料的残留稳定度都较高，均符合技术要求（≥85%）。冻融劈裂抗拉强度比均符合技术要求（≥80%），混合料表现出良好的柔韧性，没有出现低温脆性破坏；30%胶粉掺量的橡胶沥青混合料相对较低，但是改性胶粉掺量为35%、30%、25%的橡胶沥青混合料冻融前的劈裂强度（低温抗裂性）都比25%普通胶粉掺量的橡胶沥青混合料的高。

表2～3的结果表明，改性胶粉提高了沥青混合料的水稳定性，很可能是因为改性胶粉能更好地发挥对沥青的改性作用，强化橡胶沥青对集料的粘附作用，充分裹附矿料。

2.4 胶粉掺量对沥青混合料性能的影响

分别对改性胶粉掺量为35%、30%、25%的橡胶沥青混合料进行了50℃浸水汉堡车辙试验，以评价干法胶粉掺量对橡胶沥青混合料的高温稳定性和水稳定性能的影响，试验结果如图4～6所示。

汉堡车辙试验评价标准参考山东近几年的汉堡车辙试验评价方法：（1）在轮碾10 000次时是否出现剥落拐点，当剥落拐点＜10 000次时，沥青混合料水稳定性能较差；（2）碾压20 000次时，车辙深度≤10mm。

图4 35%改性胶粉掺量的橡胶沥青混合料轮辙试验曲线图

图5 30%改性胶粉掺量的橡胶沥青混合料轮辙试验曲线图

图6 25%改性胶粉掺量的橡胶沥青混合料轮辙试验曲线图

由图4～6的汉堡车辙试验结果可知，改性胶粉掺量为35%、30%和25%的橡胶沥青混合料的轮辙变形曲线未出现拐点，碾压次数为10 000次时，车辙深度分别为2.53mm、2.60mm和3.60mm，均＜4mm；碾压次数为20 000次时，车辙深度分别为3.09mm、3.27mm和4.64mm，均＜5mm，车辙深度较小，说明改性胶粉三种掺量的沥青混合料的高温稳定性和抗水损能力都良好。

对比三种胶粉掺量的橡胶沥青混合料的轮辙深度可知，随着胶粉掺量的增加，10 000次和20 000次的轮辙深度逐渐减小，由此说明在保证干法橡胶沥青混合料压实性能的情况下，胶粉掺量越高，高温稳定性越好。这可能跟胶粉中抗老化剂有关，胶粉掺量越高，抗老化剂的含量越高。

3 结语

（1）车辙试验温度70℃的情况下，30%和35%胶粉掺量的橡胶沥青混合料的动稳定度和相对变形量相当，动稳定度8 000次／mm以上，高于普通橡胶粉25%掺量的橡胶沥青混合料的动稳定度。

（2）每种改性胶粉掺量的橡胶沥青混合料的残留稳定度都较高，均符合技术要求。冻融劈裂抗拉强度比均符合技术要求，改性胶粉掺量为35%、30%、25%的橡胶沥青混合料冻融前的劈裂强度都比普通胶粉25%掺量的橡胶沥青混合料的高。

（3）汉堡车辙试验结果表明改性胶粉制备的橡胶沥青混合料具有良好的高温稳定性和抗水损性能。

［1］Lesueur D.The colloidal structure of bitumen：Consequences on the rheology and on the mechanisms of bitumen modification［J］.Advances in Colloid and Interface Science，2009，145：42－82.

［2］Navarro FJ，Partal P，Garcia－Morales M，et al、Bitumen modification with reactive and non－reactive（virgin and recycled）polymers：A comparative analysis［J］、Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2009，15：458－464.

［3］Cong P L，Xun P J，Xing M L，Chen S F、Investigation of asphalt binder containing various crumb rubbers and asphalts［J］.Construction and Building Materials，2013，40：632－641.

［4］Dong D W，Huang X X，Li X L，Zhang L Q.Swelling process of rubber in asphalt and its effect on the structure and properties of rubber and asphalt［J］.Construction and Building Materials，2012，29：316－322.

［5］Adhikari B，Maiti D S.Reclamation and recycling of waste rubber［J］.Progress in Polymer Science，2000，25：909－948.

［6］黄文元.废旧轮胎橡胶粉用于路面沥青改性的产业化技术研究［D］.上海交通大学博士后出站报告，2006.

［7］曹荣吉.橡胶沥青及断级配混合料的试验研究［D］.南京：东南大学，2009.

［8］景彦平.沥青结构及高聚物改性沥青机理研究［D］.西安：长安大学，2006.