废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳对沥青胶结料高温性能的影响.pdf

第 卷 第 期 年 月湖南交通科技 ，收稿日期：?作者简介：谭露蝉（），男，工程师，从事房建市政工程、船舶与海洋工程及钢结构工程的建设管理工作。文章编号：?（）?废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳对沥青胶结料高温性能的影响谭露蝉（湖南湘船重工有限公司，湖南 长沙 ）摘要：为研究不同掺量废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳对沥青胶结料高温性能的影响，选取废旧橡胶粉掺量、，选取天然胶乳掺量、，制备不同掺量的改性沥青胶结料，通过针入度、软化点、弹性恢复、旋转黏度、储存稳定性试验以及动态剪切流变试验检测改性沥青性能。试验结果表明，在沥青中掺入废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳对沥青性能起到积极作用，可有效提高沥青软化点和刚度；还可以有效提高沥青抗疲劳性能，随着改性剂掺量增加，弹性恢复率逐渐减小；旋转黏度试验表明在 下改性沥青依然具有可加工性且能保证施工时沥青的泵送；储存稳定性试验表明 种改性沥青试验底部和顶部软化点差值均小于，储存稳定性良好；动态剪切流变试验表明，与未改性沥青相比，种改性沥青复数剪切模量增加，相位角减小，车辙因子增大，改性沥青胶结料具有更好的抗车辙性。可以得出废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳改性沥青性能均优于未改性沥青，将橡胶改性沥青应用于道路工程中，可有效对废旧橡胶回收利用，提高沥青高温性能。关键词：废旧橡胶粉；天然橡胶胶乳；改性沥青；高温性能中图分类号：文献标志码：引言随着我国经济快速发展，机动车辆也持续增长，每年有数以百万计的废旧轮胎被丢弃 ，大量废弃轮胎的堆积对环境将造成严重污染，而对废弃轮胎的处理任务尤为艰巨。同时，交通量的增大也导致路面负载能力增加，对路面性能的要求也越来越高，因此，通常往沥青中掺入改性剂以提高沥青路面性能。将废旧轮胎应用于道路工程中，可以减少废旧轮胎造成的环境污染 ，若该措施能提高沥青路面性能，则废旧轮胎的堆积问题将迎刃而解。已有研究表明，橡胶沥青具有突出的抗反射裂缝、吸收噪音和环保性能，橡胶沥青混合料具有良好的高温性能 。天然橡胶胶乳是一种可持续再生资源，通过橡胶树可以轻松获得，天然橡胶胶乳可应用于合成橡胶部件 ，若能将其应用在沥青生产行业中，环境保护以及资源短缺问题都将得以解决。本文拟定 、等 种废旧橡胶粉掺量和 、等 种天然橡胶胶乳掺量，基质沥青选用 沥青，通过高速剪切仪制备橡胶粉改性沥青和天然橡胶胶乳改性沥青。对改性沥青的针入度、软化点、弹性恢复率、黏度进行研究；然后通过试验顶部和底部的软化点差值评价改性沥青高温储存稳定性，采用动态剪切流变仪对改性沥青的高温性能进行研究，评价废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳及其掺量对 沥青高温性能的影响。试验材料与方案 原材料本研究中采用 道路石油沥青，其性能测试结果见表 。采用 目的废旧橡胶粉（见图），其物理性能测试结果见表。天然橡胶胶乳的性能测试结果见表 。期谭露蝉：废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳对沥青胶结料高温性能的影响表 道路石油沥青试验结果性能针入度（，）（）软化点延度（）密度（）测试结果 技术要求 实测图 废旧橡胶粉表 废旧橡胶粉物理性能性能金属含量 含水量 相对密度丙酮抽出物 碳黑含量 灰分测试结果 技术要求 表 天然橡胶胶乳性能形态颜色 干橡胶含量 液体乳白色 复合改性沥青的制备本研究中废旧橡胶粉掺量为 、和 ，天然橡胶胶乳掺量为 和 。将不同掺量的废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳分别加入到基质沥青中（见图 ），采用高速剪切仪在 温度下以 的转速剪切 。（）高速剪切仪（）沥青制品图 复合改性沥青制备 试验结果分析通过软化点、针入度、弹性恢复、旋转黏度、高温储存稳定性、动态剪切流变试验分析废旧橡胶粉和天然橡胶乳对沥青胶结料的高温性能的影响。软化点试验结果分析沥青是一种黏弹性材料，在高温下会逐渐变软变黏。沥青软化点测试结果如图 所示，由图可以看出，废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳对基质沥青的软化点都起到了积极作用。废旧橡胶粉掺量为 和 的改性沥青与天然橡胶胶乳掺量为 和 的改性沥青具有相似的结果，随着改性剂掺量增加，改性沥青的软化点逐渐增加。掺量橡胶改性沥青软化点为 ，而基质沥青为 。这一结果表明在基质沥青中添加废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳具有相同的性能。在 温度下，将橡胶掺入沥青中，相互作用和溶胀作用将导致橡胶质量增加。在沥青中增大废旧橡胶粉掺量将会使沥青质比率增加，这可能使得沥青刚度增大，从而使改性沥青不易受到温度变化的影响。天然橡胶胶乳掺量增加时的软化点变化趋势与废旧橡胶粉改性沥青趋势相似，这是由于天然橡胶胶乳中存在干橡胶，同样可导致胶乳改性沥青软化点升高。图 软化点试验结果 针入度试验结果分析针入度试验是在指定温度下测量沥青稠度最常用的方法。本文所采取的温度为 ，试验结果如图 所示。从试验结果可以看出，改性沥青针入度随着废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳的掺量增大而降低，废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳对沥青的针入度有着显著影响，这表明改性剂可以增大沥青刚度。当废旧橡胶粉掺量为 时，改性沥青的针入度值最低，其值为 （）。沥青针入度值越大，说明沥青越软，适合在在北方地区使用；而针入度值越小，说明沥青越硬，适合在南方地区使用。湖南交通科技 卷图 针入度试验结果针入度指数是描述沥青温度敏感性的指标。针入度指数越大，沥青的温度敏感性越小。根据 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（），对不同沥青进行试验。本文通过当量软化点和 个不同温度下沥青针入度值来计算针入度指数，结果如表 所示。从表 可以得出，所有改性沥青都可用于道路建设，均满足规范要求。表 不同沥青针入度指数未改性 废旧橡胶粉 废旧橡胶粉 废旧橡胶粉 天然橡胶胶乳 天然橡胶胶乳 弹性恢复试验结果分析沥青弹性恢复试验通常用于检测沥青抗疲劳性能或抗永久变形能力。将改性沥青应用于道路工程中，对其弹性恢复有一定的要求，而改性沥青的弹性恢复性能与改性剂掺量有关。弹性恢复试验结果见图，从图可以看出，废旧橡胶粉掺量的改性沥青弹性恢复率为 ，而未改性沥青弹性恢复率为 。弹性恢复率越小，沥青抗疲劳性能越好。与未改性沥青相比，废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳改性沥青的弹性恢复率变小，且随着改性剂掺量的增加，弹性恢复率逐渐减小，故废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳的掺入可以有效提高沥青抗疲劳性能。旋转黏度试验结果分析为了保证改性沥青具有一定的流动性足以用于泵送和拌和，本文进行了旋转黏度测试。往沥青中掺入聚合物将会增大黏度，在保证性能最佳的同时需满足规范要求。图 为沥青在不同温度下的黏度结果，由图可看出，改性剂的种类、掺量以及试验温度对黏度都有重大影响。当试验温度增加，所有图 弹性恢复试验结果沥青的黏度读数均降低，对于未改性沥青也是如此。根据规范要求，沥青黏度不应大于 ，温度 时，图中所有废旧橡胶粉改性沥青和天然橡胶胶乳改性沥青试验结果均满足规范要求。未改性沥青黏度值最低，相比于废旧橡胶粉改性沥青，天然橡胶胶乳改性沥青具有更大的刚度和更高的黏度值。工程中一般不选用黏度值较高的改性沥青，因为该类沥青拌和、压实温度较高。在掺量相同的情况下，掺量的天然橡胶胶乳改性沥青黏度值高于 掺量的废旧橡胶粉改性沥青；在 下，掺量的废旧橡胶粉改性沥青黏度值高于 掺量的天然橡胶胶乳改性沥青；当温度到达 后，掺量的废旧橡胶粉改性沥青黏度值与 掺量的天然橡胶胶乳改性沥青黏度值相近；当温度为 时，所有沥青（除 掺量的天然橡胶胶乳改性沥青）黏度值均小于 。无论温度如何变化，掺量的天然橡胶胶乳改性沥青黏度值均显著高于其他沥青黏度值。图 旋转黏度试验结果期谭露蝉：废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳对沥青胶结料高温性能的影响 高温储存稳定性试验结果分析储存稳定性不良是聚合物改性沥青面临的主要问题。废旧橡胶粉的不溶颗粒和天然橡胶胶乳液体在高温储存下均会发生相分离，这是由于材料的溶解度、橡胶颗粒大小不同，以及改性剂和沥青密度不同而引起的。为了避免沥青与改性剂发生分离，提高改性沥青耐久性，有必要对改性沥青高温储存稳定性进行检测，通过软化点试验检测沥青与改性剂之间是否发生了相分离，以试样顶部和底部之间的软化点温度差是否 来判断是否有广泛的分离。温度差越大，表明相分离的严重性越高。试验结果见表。由表 可以发现，在高温储存一段时间后，所有改性沥青均呈现出类似的结果，即试样底部的软化点值比试验顶部的软化点值要高；而未改性沥青试样底部与顶部的软化点值相同。由此可以看出，改性剂掺量越大，试验底部软化点越高，这可能是由于改性剂与沥青密度不同造成了偏析现象，也可能是未溶解的废旧橡胶粉颗粒沉降在底部。虽然试验底部和顶部的软化点值有偏差，但是其偏差值均为 ，说明所有改性沥青均具有良好的储存稳定性。表 不同沥青高温储存稳定性指标未改性 废旧橡胶粉 废旧橡胶粉 废旧橡胶粉 天然橡胶胶乳 天然橡胶胶乳顶部软化点 底部软化点 温度差 动态剪切流变试验结果分析通过动态剪切流变仪获得了试样的复数剪切模量和相位角，试验结果如图 所示。复数剪切模量表明了沥青胶结料的强度，决定了沥青的抗变形能力；相位角为剪切过程中弹性与黏性之间的比值。从图 可以发现，所有沥青的复数剪切模量随着温度升高而逐渐降低，这表明温度升高降低了沥青的抗车辙性能；改性沥青复数剪切模量高于未改性沥青复数剪切模量，复数剪切模量的增加反映了沥青在高温下具有更大的刚度和更好的抗车辙性。掺量为 和 的天然橡胶胶乳改性沥青的复数剪切模量均高于掺量为 和 的废旧橡胶粉改性沥青，掺量的废旧橡胶粉改性沥青复数剪切模量均高于掺量为 和 的废旧橡胶粉改性沥图 复数剪切模量试验结果图 相位角试验结果青，掺量的天然橡胶胶乳改性沥青复数剪切模量高于掺量为 的天然橡胶胶乳改性沥青。当温度为 时，所有沥青胶结料的复数剪切模量值相似，这说明所有沥青胶结料在该温度下均失去抗车辙性。沥青在高温下表现出黏性，在低温下表现出弹性。和 分别代表着弹性和黏性，因此根据相位角容易区分沥青胶结料的特性。由图 可以看出，随着温度增加，相位角均呈现出增加趋势。与未改性沥青相比，改性沥青由于聚合物的掺入导致相位角降低，这表明改性沥青更偏向于弹性材料。掺量的废旧橡胶粉改性沥青相位角小于掺量为 和 的废旧橡胶粉改性沥青，这是由于橡胶颗粒具有弹性特征，可将沥青胶结料从黏性转变成弹性；而对于天然橡胶胶乳改性沥青，掺量越高，相位角越小，掺量的天然橡胶胶乳改性沥青的弹性归因于聚合物的弹性结构。改性沥青相位角减小，有利于增加沥青的高温抗车辙性。沥青胶结料车辙因子试验结果如图 所示，可以发现废旧橡胶粉改性沥青和天然橡胶胶乳改性沥湖南交通科技 卷青车辙因子均高于未改性沥青，这表明了废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳能够增加沥青温度敏感性和弹性，改性沥青在高温下也不易产生永久变形。改性剂掺量越大，车辙因子越大，未改性沥青在 下满足 的最低车辙因子要求；、掺量的废旧橡胶粉改性沥青满足最低车辙因子要求的温度分别为 、；、掺量的天然橡胶胶乳改性沥青满足最低车辙因子要求的温度分别为 、。图 车辙因子试验结果 结论在目前的研究中，改性沥青一直是道路工程中研究的重点。本文采用了 、掺量废旧橡胶粉和 、掺量天然橡胶胶乳对基质沥青进行改性，通过广泛的试验对改性沥青进行性能测试，得出以下结论：）改性沥青软化点结果表明废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳的掺入均可提高沥青软化点。掺量废旧橡胶粉改性沥青软化点为 ，掺量天然橡胶胶乳改性沥青软化点为 ，沥青是一种黏弹性材料，在施工过程中应根据所处位置的气候条件选择合适的改性剂。）废旧橡胶粉掺量改性沥青的弹性恢复最大，弹性恢复率为 ，而未改性沥青弹性恢复率为 。在施工过程中，应当选取弹性恢复最大的改性沥青胶结料，以确保其能够抵抗车辆荷载并可尽快恢复其原始形状。）废旧橡胶粉改性沥青和天然橡胶胶乳改性沥青均具有较好的高温储存稳定性。试样底部和顶部的温度差均小于，均在允许范围内。）废旧橡胶粉改性沥青和天然橡胶胶乳改性沥青均可提高沥青的复数剪切模量和车辙因子，减小相位角，表明废旧橡胶粉和天然橡胶胶乳改性剂可以增强沥青胶结料的高温稳定性。参考文献：方烁，张广泰，叶奋 基于活化温度的橡胶沥青流变及微观性能研究 公路工程，（）：，李铁成，胡超峰，冯明林，等 复合改性橡胶沥青应力吸收层应用技术研究 公路与汽运，（）：，程其瑜，祝谭雍，黄晓明，等 稳定型橡胶沥青厂拌热再生混合料性能研究 公路工程，（）：张晓亮，陈华鑫，张奔，等 不同来源橡胶粉对橡胶沥青性能影响 长安大学学报（自然科学版），（）：程一鸣 温拌沥青混合料应用研究及节能减排效益分析 中外公路，（）：张广泰，方烁，叶奋 双螺杆挤出胶粉改性沥青流变性能研究 中国公路学报，（）：，杨茂军 胶粉表面处治对橡胶沥青中高温性能影响研究 公路，（）：刘斌，胡省 废橡胶粉 复合改性沥青技术性能研究 公路工程，（）：杨光，申爱琴，陈志国，等 季冻区橡胶粉与 复合改性沥青混合料性能及改性机理 长安大学学报（自然科学版），（）：，张通文 橡胶沥青性能影响因素及粘弹性性能分析 西安：长安大学，杨光，申爱琴，陈志国，等 废旧橡胶粉与 复合改性沥青混合料路用性能及应用技术 公路交通科技，（）：王芳 废胎橡胶改性沥青的改性机理及路用性能研究 西安：长安大学，周志刚，蔡扬发，谭军 聚酯纤维对橡胶改性沥青混凝土性能的影响 长沙理工大学学报（自然科学版），（）：冯明林，冯正翔，郑伟，等 橡胶沥青性能试验及影响因素分析 交通科学与工程，（）：，