废轮胎橡胶粉尺寸对橡胶改性沥青性能的影响研究

张慎

摘要：为对比研究不同目数废旧橡胶粉改性沥青的性能，选用30目和50目废轮胎橡胶粉，在室内制备橡胶改性沥青，开展常规性能试验和动态剪切流变性能试验。实验证明：与50目废旧橡胶粉相比，30目废旧橡胶粉改性沥青的物理性质较优，但180℃布式旋转黏度较高，不利于工厂泵送和现场施工；30目橡胶改性沥青与50目橡胶改性沥青的存储稳定性差异较小，但在存储过程中的橡胶颗粒状态有所区别；相比50目橡胶改性沥青，30目橡胶改性沥青的流变特性具有更好的弹性响应，更好的高温性能。

关键词：道路工程；废旧橡胶粉；颗粒大小；常规性能；流变特性

中图分类号：TQ330.9     文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）06-0064-04

0 引言

汽车工业的高速发展带来对橡胶轮胎的巨大需求，然而废旧轮胎的数量也快速增长。回收利用废旧轮胎的方案之一是将其制备为橡胶粉应用于沥青中，制备成橡胶改性沥青。橡胶粉可以直接（干法）添加到沥青混合物，或者可以先与沥青混合料形成改性沥青（湿法），再与集料混合形成沥青混合料［1］。与干法相比，湿法可提升沥青和橡胶粉的相容性，从而提升橡胶改性沥青的性能。然而，湿法制备橡胶改性沥青的过程中，橡胶粉与沥青的相互作用过程取决于各种材料的特性和加工条件［2］。目前，有研究者认为橡胶改性沥青制备过程的相互作用有2种机制，即物理溶胀和化学降解［3-4］。橡胶粉在沥青的溶胀过程经历了一个快速发展阶段，然后达到平衡状态；在相同的橡胶-沥青相互作用时间下，混合温度越高，其膨胀率越大［5-6］。因此，橡胶粉颗粒的实际物理特性对膨胀现象具有重要作用，例如粒径越小，比表面积和长径比越大，改性沥青的黏度、软化点和弹性就越高，抗车辙性就越好。有学者研究表明：在任何情况下，达到平衡溶胀所需的时间与橡胶颗粒直径的平方成反比［7］。橡胶粉的尺寸和化学成分改变了其与沥青的相互作用方式，从而改变了橡胶改性沥青在使用寿命内的服役性能。然而，制造均匀尺寸的橡胶粉颗粒在实践中是不可行的；相反，橡胶粉由不同直径的颗粒组成，具有类似矿粉的级配特征。因此，更合适和实用的方法是研究橡胶粉级配的性能，而不是研究单个颗粒的行为。基于此，本文研究橡胶粉颗粒的大小对橡胶改性沥青的物理、化学、流变和储存稳定性等性能的影响。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

废旧橡胶粉选用30目和50目2种型号，采购自广西南宁某轮胎回收厂，该工厂通过研磨工艺回收重载汽车轮胎用于生产废旧橡胶粉。对废旧橡胶粉颗粒的组成进行筛分，绘制级配曲线图（如图1所示）。从图1可知，与50目橡胶粉相比，30目橡胶粉的级配组成中，大颗粒（＞0.6 mm）占据颗粒组成的40%左右。这意味着相比50目橡胶粉，30目橡胶粉具有更大的比表面积，可用于与沥青的相互作用。

采用70#A级沥青作为基质沥青，其技术指标见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 橡胶改性沥青制备方法

将70#A级沥青加热到170 ℃，添加20%的沥青质量的废旧橡胶粉，采用高速剪切仪以1 000 rpm的剪切速度剪切攪拌60 min，并用锡纸封闭容器口，将剪切搅拌好的橡胶改性沥青在170 ℃烘箱中保温30 min，制得橡胶改性沥青。选用20%掺量的原因为橡胶改性沥青的橡胶粉掺量为18%～23%时具有较佳的性能。

1.2.2 试验方法

（1）常规性能试验。常规性能试验主要包括针入度、软化点、弹性恢复以及储存稳定性，试验过程参考我国规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）［8］中的相关要求。

（2）按照《动态剪切流变仪测定沥青粘结剂流变特性的标准试验方法》（ASTM D7175—15）［9］中的要求，开展频率扫描试验，试验温度为5 ℃、15 ℃、25 ℃、40 ℃、60 ℃、80 ℃，加载频率为0.1～15 Hz，对每种沥青进行3次重复的频率扫描测试。使用直径为8 mm和25 mm、间隙为2 mm和1 mm的平行板，其中5 ℃和15 ℃为8 mm的平板、2 mm的间隙，其余温度为25 mm的平板、1 mm的间隙。在试验过程中，将应变设置为0.01%，防止沥青结合料超出线性黏弹性区域。

2 试验结果及分析

2.1 常规性能试验结果及分析

常规性能试验结果见表2，试验结果包括针入度、软化点、弹性恢复和180 ℃布式旋转黏度。

由表2可知，掺加废橡胶粉后，橡胶改性沥青常规性能中，针入度降低、软化点和弹性恢复率增大，表明废橡胶粉提高了沥青的弹性能力。橡胶颗粒的大小对橡胶改性沥青的影响较大，30目的橡胶改性沥青的各项性能优于50目橡胶改性沥青，例如30目橡胶改性沥青的针入度和软化点分别为29.8 mm和64.5 ℃，而50目橡胶改性沥青的针入度和软化点分别为35.1 mm和60.1 ℃。橡胶颗粒大小的一个突出的影响表现在25 ℃的弹性恢复和180 ℃布式旋转黏度2个指标上。30目橡胶改性沥青的弹性恢复比50目橡胶改性沥青高12.5%，前者表现出更大的弹性行为。然而，较细颗粒（50目）废橡胶粉对橡胶改性沥青有利的方面是其黏度较低，较低的黏度有利于工厂泵送和施工，并能降低沥青混合料的出厂温度和压实温度，有利于节约能源消耗和实现环保排放。

储存稳定性试验结果见表3。由表3可知：30目橡胶改性沥青的顶部/底部软化点之差为3.2 ℃，而50目橡胶改性沥青的顶部/底部软化点之差为3.4 ℃，表明废旧橡胶粉的颗粒大小对储存稳定性的影响不大。然而，30目橡胶改性沥青的顶部试样具有更高的软化点，这可能是由于30目橡胶改性沥青相比50目橡胶改性沥青具有更高的黏度所致。与50目橡胶改性沥青相比，更高的黏度不利于橡胶颗粒在管中向下迁移。由于橡胶含量高（20%），在烘箱中模拟储存期间，橡胶颗粒比重相较基质沥青更大，因此橡胶颗粒没有足够的空间移动和迁移到管的底部，这解释了为何30目橡胶改性沥青顶部试样具有更高的软化点，而50目橡胶改性沥青底部软化点更高的试验现象。

2.2 动态剪切流变性能试验

2.2.1 频率扫描试验结果及分析

5 ℃和80 ℃的频率扫描试验结果如图2至图5所示。由图2至图5可知：试验温度为5 ℃时，70#沥青的储存模量G′和损失模量值G″都随加载速率先快速增加而后线性增加。表明70#沥青的黏弹性对频率有很高的敏感性。与之类似的，橡胶改性沥青也显示出类似的上升趋势，但橡胶改性沥青的模量随频率的增加幅度和速率小于70#沥青。表明废旧橡胶粉与70#沥青发生了充分的相互作用并对其进行了改性。在80 ℃和低频条件下，未改性的70#沥青表现出一部分熔融状态（如图3所示）。此外，橡胶改性沥青相比70#沥青具有更大的复数剪切模量，而且具有一定的平台区。上述现象表明：废旧橡胶颗粒提升了70#沥青在高温下抵抗剪切变形的能力，并且在抵抗高温变形方面占据主导作用，这一点与聚合物改性沥青的作用类似。在高温下，储能模量G′受到施加载荷速率的影响较小，这是橡胶材料的常见特征［10-11］。

2.2.2 温度扫描试验结果及分析

储能模量和损耗模量可以用复数剪切模量G*和相位角δ的形式共同描述。G*表示材料的总体抗剪切强度，而δ表示弹性和黏性成分的相对比例。相位角大小为0～90°，其中0表示纯弹性（固体），而90°表示纯黏性（流体）材料。复数剪切模量G*和相位角δ随温度的变化如图6和图7所示。

从图6和图7中可以看到，即使在中等温度（25 ℃）条件下，70#沥青也容易受到温度变化的影响。此外，橡胶改性沥青在低温条件下具有较低的刚度和相位角值，适用于寒冷地区；而且在高温条件下的刚度较大，因此在炎热气候区域也适用。从图2至图7中可以看出，就橡胶沥青颗粒大小因素的影响而言，30目橡胶改性沥青在弹性方面比50目橡胶改性沥青表现更好，尤其是在高温条件下，这可能与较大尺寸颗粒的比例比50目橡胶改性沥青相对较高有关。如果粗和细2种颗粒在高温下与沥青发生溶胀，则细颗粒将具有更大的溶胀潜力，并且其比粗颗粒具有更大的比表面积，因此可以更快地溶胀。如果2种颗粒都与沥青相互作用一段时间（即直到较粗的颗粒达到其平衡阶段），则较细的颗粒很有可能解聚并溶解在沥青中。解聚现象导致聚合物添加到基础沥青中的不利影响的损失，从而导致高温下的相位角更大。然而，较粗的颗粒具有较低的溶胀程度，这意味着与较细的颗粒相比，它从基质沥青中吸收的油分较少，膨胀的颗粒分散在基质沥青中，如果与沥青相互作用的时间更长，混合物的热稳定性将更高。尽管较细的橡胶颗粒显示出较高的溶胀潜力和溶胀程度，但会引起橡胶沥青的弹性降低且热稳定性较差。

2.2.3 Black曲线分析

为了进一步理解和验证橡胶改性沥青流变特性变化，根据频率扫描试验结果绘制70#基质沥青、橡胶改性沥青Black曲线（如图8所示）。Black曲线是区分简单流变材料和复杂材料的一种简便的方法。简单流变材料随着温度的变化表现出从黏弹性固体到黏弹性流体的平稳过渡，而任何添加剂的存在都会改变这种平稳过渡，这是由于基质沥青和添加剂的流变特性会随着温度变化而发生变化。

从图8可以观察到，70#基质沥青产生了平滑的过渡曲线，表明材料的热流变性主要体现为简单流变材料。废旧橡胶粉的加入使热流变模式从简单材料变为复杂材料。与未改性沥青相比，可以观察到在中、低温度（5～25 ℃）下添加废旧橡胶粉的变化主要为复数剪切模量值下降。在5～25 ℃的范围内，橡胶改性沥青也遵循70#基质沥青的变化规律，因此该温度范围的橡胶改性沥青的黏弹特性主要由基质沥青主导。然而，废旧橡胶粉的加入降低了低温下的复合剪切模量，能避免路面在低温下的开裂风险，并提高其抗疲劳特性。25～60 ℃有一个过渡区，2种类型的材料（基质沥青和橡胶改性沥青）都显示出黏弹特性的变化过程，表现为复数剪切模量的显著下降和相位角值的微小变化。复数剪切模量的下降是由沥青随着温度的升高而软化引起的，而相位角值的变化是由于加入橡胶粉导致的。80 ℃时，与橡胶改性沥青相比，基质沥青流变行为变化最小，因为它已经处于流体状态。对于橡胶改性沥青而言，此时橡胶粉在高温下占主导地位，导致相位角的大小急剧降低，从而产生非弹性响应。橡胶粉颗粒大小因素的影响表现为低温和高温下复数剪切模量的差异，最显著的影响是高温区的相位角，2种不同大小颗粒的橡胶粉改性沥青之间的差异约15°，30目橡胶改性沥青能提供更弹性的响应。此外，与50目橡胶改性沥青相比，30目橡胶改性沥青的Black曲线更光滑、连续。

3 结论

通过对不同颗粒大小的橡胶改性沥青以及70#基质沥青开展物理、储存稳定性以及流变性能试验，得出结论如下：在物理性质方面，30目橡胶改性沥青比50目橡胶改性沥青的性能表现更好，但50目橡胶改性沥青具有更低的180 ℃布式旋转黏度，因此在工厂泵送和现场施工方面比30目橡胶改性沥青具有优势。在储存稳定性方面，30目橡胶改性沥青与50目橡胶改性沥青差别较小，但二者的存储稳定性有不同的表现，30目橡胶改性沥青在存储中，其橡胶颗粒不易下沉，而50目橡胶改性沥青在存储中，其橡胶颗粒容易下沉。废旧橡胶粉颗粒大小对橡胶改性沥青的性能有一定的影响。研究发现，与30目橡胶改性沥青相比，50目橡胶改性沥青降低了橡胶改性沥青的弹性（弹性恢复率和相位角），其在溶胀形式下更具颗粒韧性，而30目橡胶改性沥青流变特性更多是弹性响应。

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