趙林肖

河北交規院瑞志交通技術咨詢有限公司

摘 要：為研究橡膠瀝青性能指标及相關制備工藝對其性能的影響，闡述了原材料性能及橡膠瀝青制備工藝，采用針入度、軟化點等傳統指标以及車轍因子、蠕變勁度等SHRP試驗體系指标，分别研究了膠粉類别及粒徑、摻量以及瀝青标号等因素對橡膠瀝青性能的影響。結果顯示:膠粉類别對橡膠瀝青性能影響較大，且20目膠粉橡膠瀝青綜合性能更優;膠粉摻量越高橡膠瀝青性能越優，但綜合黏度指标膠粉摻量宜控制在16%～18%;瀝青标号提高，高溫穩定性降低、低溫抗裂性能增強。橡膠瀝青應用時，應結合使用環境要求進行具體分析。

關鍵詞：道路工程;橡膠瀝青;性能指标;車轍因子;蠕變勁度;

随着我國汽車工業的飛速發展，國民汽車保有量逐年提升。相應地，随之産生的廢舊汽車輪胎量也顯著增加，黑色污染也愈趨嚴重。為有效消除廢舊輪胎導緻的黑色污染，橡膠瀝青應運而生。橡膠瀝青是指以橡膠粉為改性劑，摻加穩定劑等輔劑，在高溫剪切(工廠化生産時為膠體磨研磨)下制備而成的高性能改性瀝青，符合當今綠色施工的各項要求。研究表明，橡膠瀝青具有較好的高溫穩定性、低溫抗裂性以及路面保黑等優良性能，也具有良好的彈性性能和溫度敏感性，在各種瀝青路面結構中常作為膠結料使用[1,2,3]。

目前對于橡膠瀝青的研究較多，主要有橡膠瀝青性能指标研究及橡膠瀝青混合料研究[4,5]，其中橡膠瀝青性能指标研究仍以我國常用的三大指标等傳統性能指标研究為主[6,7,8]。為了進一步分析橡膠瀝青性能指标及相關因素影響，拟借助SHRP瀝青試驗體系指标(主要采用車轍因子、彎曲蠕變勁度)對各影響因素進行分析，進而為橡膠瀝青的應用提供更深入的理論指導。

SHRP (Strategic Highway Research Program)計劃由美國國會于1987年批準進行，由FHWA(聯邦公路局)和AASHTO(美國各州公路和運輸工作者協會)共同完成，其研究成果對世界各國瀝青混凝土路面、水泥混凝土路面設計産生了極為深遠的影響。SHRP計劃研究内容主要包括瀝青、路面性能、混凝土與結構以及公路運輸等四個方面的重要内容。其中瀝青(此為廣義瀝青，SHRP計劃稱為膠結料)對瀝青試驗方法進行了開創性研究，主要研發出了DSR(動态剪切流變儀)、BBR(彎曲梁流變儀)、DDT(直接拉伸試驗儀)以及RV(旋轉粘度儀)等一系列試驗設備。相較我國傳統采用的三大指标具有與瀝青使用性能相關性好、流變學理論基礎好等一系列優點。

本試驗采用SHRP體系指标主要選用DSR與BBR進行車轍因子與彎曲蠕變勁度兩項指标測試，主要用于表征橡膠瀝青高溫、低溫性能。

為研究不同影響因素對橡膠瀝青性能的影響，首先選取初始組合材料與參數進行橡膠瀝青性能指标試驗:瀝青選取70#基質瀝青，膠粉粒徑選取40目，膠粉摻量為20%，制備溫度選取170～180℃。相關材料技術指标如下:

膠粉采用某材料公司生産的20～60目橡膠粉，胎源全部為900mm以上的大貨車輪胎，經常溫研磨工藝加工而成，橡膠粉物理化學指标見表1、表2。

表1 橡膠粉物理指标檢測結果 下載原圖

表2 橡膠粉化學指标檢測結果 下載原圖

基質瀝青為國創70#A級道路石油瀝青，采用高速剪切攪拌的加工工藝，加工溫度170～180℃，反應時間1h。

70#基質瀝青相關性能指标如表3所示。

表3 基質瀝青檢測結果 下載原圖

橡膠瀝青制備需經過熔融高速剪切以及溶脹發育兩個階段，在已有研究基礎上，制定如下制備工藝進行橡膠瀝青制備(試驗室制備工藝):

(1) 170～180℃條件下添加橡膠粉，手動攪拌15min。

(2)添加穩定劑，采用高速剪切機，在1000～3000r/min速率範圍内高速剪切30min。

(3)在170～180℃溫度範圍内發育溶脹1h。

為研究不同粒徑膠粉對橡膠瀝青性能的影響，選取兩類來源膠粉1#和2#，分别制備成20目、40目以及60目三種膠粉，按照上述制備工藝分别制備成成品橡膠瀝青。對橡膠瀝青進行軟化點、彈性恢複以及采用DSR進行車轍因子測試，結果如表4所示。

由試驗結果分析可知:

(1)加入橡膠粉後，軟化點大幅提升，表明瀝青高溫穩定性得到有效提高。這是由于膠粉與瀝青之間的物理、化學作用(目前認為以物理作用為主)使得瀝青内部形成網格結構，增強了瀝青的高溫抗變形能力。但随着膠粉粒徑減小(即目數增大)，1#橡膠瀝青軟化點先增大後減小，2#橡膠瀝青軟化點持續減小，表明僅就軟化點而言存在最佳膠粉粒徑。

表4 不同粒徑膠粉橡膠改性瀝青性能指标 下載原圖

(2)整體而言，随着膠粉粒徑減小，不同膠粉橡膠瀝青彈性恢複性能差異較大，其中1#膠粉粒徑對橡膠瀝青彈性恢複影響較小，而2#膠粉當膠粉粒徑達到60目時彈性恢複顯著減小，表明膠粉的來源與制備工藝對橡膠瀝青存在較大影響，另一方面也可表明膠粉與瀝青存在配伍性。

(3)随着膠粉粒徑減小，瀝青車轍因子顯著下降，表明瀝青高溫抗變形能力出現下降，這與軟化點結論一緻，表明橡膠瀝青高溫抗變形能力随着膠粉粒徑減小而下降。同時也可發現，1#膠粉橡膠瀝青高溫穩定性優于2#膠粉橡膠瀝青。

(4)比較不同粒徑膠粉蠕變勁度，不同類型膠粉變化規律并不一緻:1#膠粉橡膠瀝青随粒徑減小呈現減小規律，2#膠粉則呈現一定增長規律。但整體而言1#膠粉橡膠瀝青蠕變勁度指标小于2#膠粉橡膠瀝青，表明1#膠粉橡膠瀝青低溫開裂性能優于2#膠粉橡膠瀝青。

綜合分析，1#膠粉橡膠瀝青性能優于2#膠粉橡膠瀝青，其中20目膠粉橡膠瀝青綜合性能更優。但低目數(即大粒徑)的膠粉易導緻橡膠瀝青的離析，且高溫黏度更大、施工難度更大，實際使用時應結合橡膠瀝青的性能與施工适用性進行綜合分析進行選用。

采用20目膠粉為基準，對不同摻量下橡膠瀝青性能指标進行測試，試驗結果如表5所示。

由表5分析可知:

(1)随着膠粉摻量提高，橡膠瀝青軟化點升高。這是由于膠粉摻量提高後膠粉對瀝青的網格交聯作用加強，同時随着膠粉摻量增大橡膠瀝青的高熔點特性對瀝青影響更加顯著。

表5 不同摻量膠粉橡膠改性瀝青性能指标 下載原圖

(2)随着膠粉摻量提高，橡膠瀝青彈性恢複逐漸增大，橡膠瀝青彈性變形性能得到提高，表明提高摻量對橡膠瀝青抵抗變形後的恢複性能得到改善。另一方面也表明膠粉與瀝青理化交聯效果較佳，摻量達到20%時彈性恢複仍為90%，并未出現明顯的膠粉過量導緻的聚集而使彈性恢複減小現象。

(3)随着膠粉摻量提高，車轍因子顯著提高、低溫彎曲蠕變勁度逐漸減小，表明随着摻量增大橡膠瀝青高溫穩定性、低溫抗裂性均得到有效改善。

綜合前述分析，在考慮橡膠瀝青性能指标的同時，還需對橡膠瀝青施工性能進行考量。采用1#橡膠粉橡膠瀝青，選取典型加工溫度180℃進行布氏黏度測試，測試結果見表6。

表6 不同摻量橡膠瀝青黏度測試結果 下載原圖

由于黏度為瀝青的重要性能指标，與其它路用指标具有一定的相關性，橡膠瀝青黏度應保持在适當範圍。當黏度過小時，橡膠瀝青高溫穩定性等性能指标将過小，改性效果不明顯;但當黏度過大時，為保證施工和易性，要求必須提高作業溫度，一方面會加速瀝青老化降低瀝青疲勞性能，另一方面也會增加拌和站燃料投放，不符合綠色施工技術要求。綜合考慮，根據現有研究表明，一般要求黏度在1.5～4.0 Pa·s。綜合分析，在加工工藝不變條件下，1#橡膠粉橡膠瀝青最佳摻量宜為16%～18%。

如前所分析，不同來源膠粉與瀝青性能存在較大差異，推測膠粉與瀝青存在配伍性選擇，為此選取另一種基質瀝青制備橡膠瀝青進行相關性能指标分析。其中，膠粉粒徑為20目、摻量為18%，加工溫度為180℃，試驗結果見表7。

分析可知:70#基質瀝青橡膠瀝青軟化點、車轍因子兩項指标優于90#基質瀝青橡膠瀝青，而彈性恢複、低溫彎曲蠕變勁度兩項指标則90#基質瀝青橡膠瀝青較優。表明标号越小瀝青制備的橡膠瀝青高溫穩定性越好，但彈性恢複性能及低溫抗裂性能相對較差。這是由于标号越大瀝青針入度越大，對應瀝青稠度越小，高溫條件下抵抗變形性能較差，而低溫條件下自愈性能更佳，具備更好的低溫抗裂能力。

表7 不同标号瀝青橡膠改性瀝青性能指标 下載原圖

基于傳統指标及SHRP試驗體系指标，分别研究了膠粉類别及粒徑、摻量以及瀝青标号等影響因素對橡膠瀝青性能的影響。得出如下結論:

(1) 1#膠粉橡膠瀝青性能優于2#膠粉橡膠瀝青，20目膠粉橡膠瀝青綜合性能更優。

(2)随着膠粉摻量提高，車轍因子顯著提高、低溫彎曲蠕變勁度逐漸減小，表明随着摻量增大橡膠瀝青高溫穩定性、低溫抗裂性均得到有效改善。

(3)瀝青标号提高，高溫穩定性降低、低溫抗裂性能增強。橡膠瀝青應用時，應結合使用環境進行具體分析。

[1] 張慶，侯德華，史紀村．橡膠瀝青的微觀表征方法及其微觀特性綜述[J]．材料導報，2019(S2):247-253.

[2] 商淑傑．溫拌橡膠瀝青結合料及其膠漿性能研究[D]．濟南:山東大學，2009.

[3] 肖川．橡膠瀝青及混合料高溫性能與施工工藝研究[D]．重慶:重慶交通大學，2009.

[4] 賈文濤．橡膠瀝青及其混合料路用性能研究[D]．西安:長安大學，2013.

[5] 付超，周雄，吳林生．濕法和幹法SBS改性瀝青混合料對比研究[J]．公路工程，2018(6):212-215.

[6] 彌海晨，張娟，郭平，等．老化後橡膠瀝青混合料高溫性能研究[J]．中外公路，2019(4):251-254.

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[8] 李正中，柴東然，李翠紅，等．膠粉類改性瀝青技術理念及性能指标體系對比研究[J]．中外公路，2019(3):231-234.

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