稳定型胶粉改性沥青黏弹特性和微观机制分析研究

马庆伟 郭忠印 郭平 董博

同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 西安公路研究院 中国水利水电第三工程局有限公司勘测设计研究院

摘 要：为橡胶沥青领域提供一种稳定型胶粉改性沥青，从针入度、针入度指数、延度、软化点、135℃黏度等指标确定了稳定型胶粉的最佳掺量，并对稳定型胶粉改性沥青的热储存稳定性和胶粉的溶胀状态及反应机理进行表征。结果表明：稳定型胶粉的加入改善了沥青的温度敏感性，确定了稳定型胶粉掺量为30%,并有效降低了135℃黏度，提高了施工和易性；温度的变化对稳定型胶粉改性沥青的影响小于普通橡胶沥青；比表面积对比试验，说明了稳定型胶粉具有比普通胶粉与沥青基体的接触面积更大的优势；扫描电镜试验和差示扫描量热法试验结果表明，稳定型胶粉改性沥青主要以相容性机理为主，主要发生吸油溶胀-高温剪切-相容分散这一系列过程。

关键词：道路工程;稳定型胶粉改性沥青;黏温曲线;微观形态;热稳定性;

基金：陕西省交通科技项目，项目编号16-41T,19-10K;陕西省创新能力支撑计划，项目编号2019KJXX-035;

目前，Ghazi G. Al-Khateeb[6]等通过添加橡胶粉提高了沥青的复数剪切模量、车辙因子以及疲劳参数等，改善了沥青黏合剂的耐车辙性和耐疲劳性。Kyu-Dong Jeong[7]等发现胶粉掺量越大，沥青中大分子含量越多，主要是由于胶粉吸油溶胀，沥青中轻质组分含量降低。Shatanawi[8]等研究表明，采用脱硫活化后的橡胶粉制备的橡胶沥青其热储存稳定性明显提高。张晓亮[9]等将废旧轮胎胶粉经过维他连接剂处理后，提高了胶粉与沥青的相容性和稳定性。李波[10]等研究发现废胶粉的特性直接影响到橡胶沥青的黏度。董博[11]研究发现脱硫胶粉与沥青相容性显著增强，黏度明显降低，且具有良好抗老化性和热储存稳定性。

1 试验材料与方法

1.1试验材料

(1)沥青。

选用韩国SPC-90号沥青作为基质沥青[12]。其基本性能见表1。

表1 SPC-90号基质沥青基本指标

(2)稳定型胶粉。

所用胶粉为稳定型胶粉，由相应的硫化胶粉经过纯物理热机械-双螺杆挤出法生产，表面形貌见图1。

图1 胶粉表面形貌

(3)其他材料。

为有效评价稳定型胶粉改性沥青基本性能及其混合料路用性能，本试验选用陕西某沥青厂生产的普通橡胶沥青和SBSI-C改性沥青作为对比试验。

1.2试样制备

目前橡胶类改性沥青制备参数和具体试验步骤见图2。

图2 试验室制备稳定型胶粉改性沥青流程

1.3表征手段

1.3.1物理性能试验

依据《公路工程沥青及混合料试验规程》(JTG E20-2019)对稳定型胶粉改性沥青的基本性能测试包括有针入度、软化点、延度和旋转黏度等[13]。

1.3.2黏弹曲线的测定

采用布氏旋转黏度计测试基质沥青(VA)、普通橡胶沥青(AR)、SBS改性沥青(SBSMA)以及稳定型胶粉改性沥青(DRA)的黏度，建立黏温曲线，得到黏度与温度的变化规律。

1.3.3热储存稳定性试验

采用离析试验对稳定型胶粉改性沥青热储存稳定性进行评价。试验见图3。

图3 稳定型胶粉改性沥青离析试验

1.3.4微观试验

采用Autosorb-6B型比表面积及孔径分析仪对胶粉比表面积进行测试；通过JSM-6010LA型扫描电镜(SEM)观测技术，对稳定型胶粉改性沥青的相体结构进行观察；采用德国耐驰公司(NETZSCH)生产的综合热分析仪，对稳定型胶粉内部的聚集态变化进行表征。

2 试验结果与分析

2.1稳定型胶粉改性沥青物理指标

使用SPC90号基质沥青，分别按21%、24%、27%、30%及33%共5种掺量制备了稳定型胶粉改性沥青。测试其基本物理指标结果见表2。

表2 稳定型胶粉改性沥青物理指标

由表2可以看出，相比基质沥青VA针入度，稳定型胶粉改性沥青针入度降低约21.15%,降低幅度明显。表明随着稳定型胶粉的加入，沥青有变硬的趋势，降低了沥青的柔性。但随着稳定型胶粉掺量的继续增大，DRA的针入度呈现出先增大后降低的趋势，说明在21%～27%稳定型胶粉掺量内，稳定型胶粉掺量的增大有效改善了DRA的柔性。

稳定型胶粉改性沥青锥入度变化趋势与其针入度变化趋势类似，均呈现为先增大后降低。表明稳定型胶粉的加入对沥青柔度有较为明显的改变，锥入度指标在27%胶粉掺量时达到极值。随着稳定型胶粉掺量增加，稳定型胶粉改性沥青的软化点先增大后减小，并在30%掺量处达到极值63.8℃,相比基质沥青软化点47.6℃,提高34.1%。稳定型胶粉掺量从21%增加到27%,延度增长42.1%,比基质沥青5℃延度6 cm提高145.5%,比普通橡胶沥青提高58.8%。随着稳定型胶粉掺量的增加，稳定型胶粉改性沥青135℃布氏黏度不断增长，但趋势较为平缓，相比普通橡胶沥青的黏度降低38.9%～65.6%,且135℃布氏黏度不大于3 Pa·s, 符合美国SHRP中关于改性沥青黏度的规范。

综上所述，对比不同胶粉掺量制备的稳定型胶粉改性沥青，为使其具有良好性能，推荐稳定型胶粉最佳掺量范围为27%～30%,后续试验均采用30%掺量制备试验样品。

2.2黏温特性分析

测定VA、AR、SBSMA以及DRA在不同试验温度下的黏度，建立黏温曲线，得到黏度与温度的变化规律。试验结果见图4。

图4 不同种类沥青的黏度随温度变化规律

根据图4拟合公式，以拌和时的黏度0.17±0.02 Pa·s, 压实时黏度0.28±0.03 Pa·s为控制指标，确定不同沥青的压实温度和拌和温度[15]。由图4可以看出：

普通橡胶沥青的拌和温度最高，达到247℃～260℃,压实温度也最大，为232℃～243℃;稳定型胶粉改性沥青的拌和、压实温度较普通橡胶沥青低，分别为216℃～220℃、200℃～210℃,拌和、压实温度分别低约40℃、30℃,且通过对比发现，其与SBS改性沥青180℃黏度相当，可保证稳定型胶粉改性沥青对集料的黏结裹附效果；对于橡胶类改性沥青由于其温度敏感性较为明显，尤其冬季施工，需要严格控制施工温度，确保其黏度处于合理范围，否则橡胶沥青碾压时由于黏度过大，侧胀性较为明显，碾压效果和施工效率会降低。

2.3热储存稳定性

由图5可以看出，相比于基质沥青软化点差，2种橡胶沥青软化点差均不符合规范[15]所要求的贮存稳定性离析48 h软化点差不大于2.5℃。在高温贮存下胶粉颗粒向下移动，2种橡胶沥青的软化点指标呈现类似规律，即上部软化点值小于下部软化点值。对比2种沥青软化点差，普通橡胶沥青软化点差高达5.5℃,说明普通橡胶沥青确实存在明显的高温储存稳定性问题。而稳定型胶粉改性沥青的上下软化点差为2.5℃,比普通橡胶沥青降低54.55%,说明采用稳定型胶粉可以有效提高其高温贮存稳定性。

图5 不同类型改性沥青离析试验结果

2.4胶粉比表面积分析

胶粉比表面积与其对沥青的改性效果息息相关，比表面积越大，胶粉与沥青的接触面积越大，改性效果越显著。对普通胶粉和脱硫胶粉比表面积进行测试，试验结果见图6和表3。

图6 两种胶粉BET多点分析结果

表3 两种胶粉比表面积测试结果

由图6和表3可以看出，稳定型胶粉经过脱硫活化工艺后的比表面积是普通胶粉的1.76倍，说明脱硫作用使胶粉颗粒孔隙率增大，表面结构更为蓬松，直观接触感为脱硫胶粉具有一定的弹性。因此，稳定型胶粉具有比普通胶粉与沥青基体的接触面积更大的优势，增强了两者的相容性。

2.5稳定型胶粉改性沥青微观形态分析

普通胶粉是由在常温下剪切力将废橡胶制品粉碎制得，内部分子结构并未遭到严重破坏，因此普通胶粉表面较为密实且呈现出较为明显的棱角，与沥青基体接触面积小，不易与其混合；稳定型胶粉经过纯物理热机械-双螺杆挤出法重新造粒后，内部分子链遭受破坏，胶粉表面凹凸不平，呈现出蓬松的聚集团状，比表面积相对增大，与沥青基体接触面积变大，这与上述胶粉比表面积分析结果一致，见图7。在此基础上，进行SEM微观测试，试验照片见图8。

图7 胶粉微观形貌

由图8可以看出普通橡胶沥青和稳定型胶粉改性沥青的表面光滑度不同，加入胶粉后，表面均较为粗糙。由图8(b)可看出，高温剪切后普通胶粉颗粒具有明显的棱角，剪切痕迹明显，胶粉颗粒均发生不同程度体积的溶胀，且主要呈现以大颗粒为中心，小颗粒分布在周围的扩大式凝胶颗粒核心状，主要是由于机械物理作用使橡胶颗粒被剪碎的结果。在稳定型胶粉改性沥青中，胶粉的颗粒状态明显减小并分散均匀，且稳定型胶粉表面较为蓬松。通过对比图8(b)和图8(c),普通橡胶沥青存在大量褶皱，胶粉表明鲜亮，与沥青接触面清晰，而稳定型胶粉改性沥青则较为光滑，可说明普通橡胶沥青主要以吸油溶胀机理和 络填充机理为主。

图8 不同类型沥青的SEM

2.6稳定型胶粉改性沥青热稳定性分析

由图9可以看出，稳定型胶粉改性沥青与普通橡胶沥青的热分析图谱趋势大体一致，但变化趋势相对较为平缓。主要原因是稳定型胶粉在双螺杆挤出机提供的热能和强剪切作用下，S-S、C-S键已经被破坏，使得硫化橡胶恢复部分可塑性和黏性。此时，稳定型胶粉改性沥青在室温到600℃试验温度范围内，所需要能量更少，说明稳定型胶粉具有比普通橡胶与基质沥青更容易产生物理、化学反应的能力。由DSC曲线可看出，试样质量损失出现的温度在220℃左右，比普通橡胶沥青提前约30℃,一方面是由于稳定型胶粉与沥青更易相容，进而二者之间的物质交换越迅速；另一方面由于稳定型胶粉中天然橡胶(NR)含量较普通胶粉的高，随着分解温度的升高，胶粉改性沥青断链过程首先发生在NR存在的结构处，其与沥青之间的相互作用更激烈。

3 结语

(1)试验研究表明，稳定型胶粉的加入改善了沥青的温度敏感性，提高了其高低温性能，有效降低了135℃黏度过大的问题，根据试验结果推荐稳定型胶粉掺量为30%。

(2)随着试验温度的降低，稳定型胶粉改性沥青布氏黏度不断增大，但变化幅度小于普通橡胶沥青，因此应严格控制温度才能保证稳定型胶粉改性沥青的黏度。

图9 两种橡胶沥青热分析图谱

(3)比表面积对比试验，说明稳定型胶粉具有比普通胶粉与沥青基体的接触面积更大的优势，增强了稳定型胶粉与沥青的相容性。

(4)扫描电镜试验和差示扫描量热法试验结果表明，稳定型胶粉改性沥青主要以相容性机理为主，主要发生吸油溶胀-高温剪切-相容分散这一系列过程。通过对稳定型胶粉改性沥青微观形态和聚集态转化等分析，稳定型胶粉改性沥青在制备初期主要以吸油溶胀机理为主，在热储存阶段主要以相容稳定机理为主。

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