脱硫胶粉改性沥青的性能研究

甄少华，啜二勇，刘 路，姬玉平，张文博

（天津市交通科学研究院，天津 300399）

随着我国交通运输量的增大及汽车工业的发展，废旧轮胎在道路工程中的应用成为重要的研究课题[1]。研究[2-5]表明，将废旧轮胎胶粉加入到沥青中不仅能够提高沥青的耐高温性能、耐疲劳性能及防滑性能，而且可以大幅降低路面行车噪声及筑路成本。徐晓和等[6]对基质沥青和胶粉改性沥青的高温性能和低温性能进行研究，结果表明胶粉改性沥青的高温性能和低温性能均优于基质沥青。刘向东[7]对基质沥青、普通胶粉改性沥青及微波活化胶粉改性沥青的针入度、延度、软化点、弹性恢复能力和高温稳定性进行测试，并研究了微波活化胶粉改性沥青混合料的路用性能，结果表明微波活化胶粉改性沥青的低温延展性、相容稳定性、高温稳定性和弹性恢复能力更好，其改性沥青混合料的路用性能优于基质沥青混合料。崔亚楠等[8]采用高速剪切设备，以70#沥青及粒径为0.60 mm的胶粉为原材料制备了胶粉改性沥青，并利用红外光谱、热重分析、扫描电子显微镜和动态剪切流变仪研究了胶粉微观结构对改性沥青性能的影响，结果表明胶粉与沥青能够均匀混合，使得沥青的粘度增大，温度敏感性降低，综合性能得到较大幅度改善[9]。综合上述，胶粉改性沥青具有良好的应用前景。

目前，胶粉主要分为硫化胶粉和脱硫胶粉两类，其中硫化胶粉是由废旧轮胎或橡胶制品直接经过不同工艺破碎而制得的，即为普通胶粉，而脱硫胶粉是硫化胶粉经过脱硫而制得的[10-11]，由于脱硫过程使得橡胶中的部分交联键被打断，脱硫胶粉在沥青中的溶胀和分散性能好，因此脱硫胶粉能够大幅改善沥青的性能[9-12]。

本工作对不同掺量脱硫胶粉改性沥青的常规性能进行测试，以确定脱硫胶粉的最佳掺量，并研究最佳掺量的脱硫胶粉改性沥青的热稳定性、高温性能和低温性能，并与基质沥青和普通胶粉改性沥青进行对比，以期为脱硫胶粉改性沥青的实际工程应用提供参考。

1 实验

1.1 主要原材料

基质沥青，昆仑70#道路石油沥青，东莞泰和沥青有限公司产品；脱硫胶粉，粒径为0.45 mm，江阴市安基橡胶工业有限公司产品；普通胶粉（粒径为0.45 mm）改性沥青，实验室自制。

70#基质沥青的性能和脱硫胶粉的性质分别如表1和2所示。

表1 70#基质沥青的性能Tab.1 Performance of 70# base asphalt

表2 脱硫胶粉的性质Tab.2 Properties of desulfurized rubber powder

1.2 脱硫胶粉改性沥青的制备

先将基质沥青置于135 ℃烘箱中约1 h，进行沥青脱水及软化，然后称取一定质量的基质沥青放入剪切机中，将剪切机转速调节至3 500 r·min-1，确保基质沥青具有一定的流动性，当沥青温度升至160 ℃时将掺量（以沥青质量的百分比计）分别为18%，21%，24%，27%，30%的脱硫胶粉加入到基质沥青中；再将剪切机转速逐步增大至5 000～6 000 r·min-1，沥青温度保持在160～190℃范围内并持续剪切60 min左右，至肉眼无可见颗粒时停止剪切，最后将沥青放置在175 ℃烘箱中发育约50 min。

试样制作完成后做好标记，留待性能测试。

1.3 性能测试

1.3.1 常规性能

按照JTG E20—2011[13]规定，采用T 0604—2011试验方法对不同掺量脱硫胶粉改性沥青和普通胶粉改性沥青进行针入度（25 ℃）测试，采用T 0605—2011进行延度（5 ℃）和180 ℃粘度测试，采用T 0606—2011试验方法进行软化点测试。

1.3.2 热储存稳定性与性能衰变

按照JTG E20—2011[13]规定，采用T 0661—2011试验方法对基质沥青、普通胶粉改性沥青和脱硫胶粉改性沥青进行热储存稳定性测试[14]。

将一定质量的脱硫胶粉改性沥青在165，175，185 ℃的烘箱内储存，测试脱硫胶粉改性沥青分别储存6，12，24，48，72 h时的性能。

1.3.3 高温动态剪切流变性能

采用美国TA公司生产的AR2000EX型动态剪切流变仪（DSR），按照AASHTO TP5规定的试验方法测试基质沥青、普通胶粉改性沥青和脱硫胶粉改性沥青的高温动态剪切流变性能[15]，主要包括复数剪切模量（G*）、相位角（δ）、抗车辙因子（G*/sinδ）。试验选择温度扫描模式，温度范围为58～88 ℃，温度间隔为6 ℃。

1.3.4 低温弯曲蠕变性能

采用美国Cannon公司生产的TE-BBR-F型沥青弯曲梁流变仪（BBR），按照AASHTO TP1规定的试验方法测试基质沥青、普通胶粉改性沥青和脱硫胶粉改性沥青的低温性能，以劲度模量和蠕变速率为主要性能指标。分别测定－12，－18，－24 ℃下沥青的劲度模量和加载60 s的蠕变曲线的斜率即蠕变速率[16]，试验温度波动幅度控制在±0.1 ℃，试样尺寸为127 mm×6.35 mm×6.35 mm。

2 结果与讨论

2.1 脱硫胶粉掺量对改性沥青常规性能的影响

对5种不同掺量脱硫胶粉改性沥青的常规性能进行测试，结果如图1所示。

图1 不同掺量脱硫胶粉改性沥青的常规性能Fig.1 Conventional properties of modified asphalts with different contents of desulfurized rubber powder

由图1可以看出：当脱硫胶粉掺量从18%增大至24%时，脱硫胶粉改性沥青的针入度增大幅度为9.3%；当脱硫胶粉掺量继续增大至30%时，脱硫胶粉改性沥青的针入度减小，减小幅度为16.0%。其原因可能是在高温剪切作用下，适量的脱硫胶粉可以吸收沥青中的轻质组分并发生溶胀和分解，与沥青形成新的连续相结构，使得沥青由粘性体转变为弹性体，但脱硫胶粉掺量过大时导致沥青中的轻质组分大量减少，破坏了沥青的流动性，因此，对于昆仑70#基质沥青，脱硫胶粉掺量不宜大于24%。从延度和软化点来看，当脱硫胶粉掺量为24%时，脱硫胶粉改性沥青的延度和软化点均达到最大值，表明其抵抗低温和高温的延性达到最强。从180 ℃粘度来看，不同掺量下脱硫胶粉改性沥青的粘度变化不大。

综上分析，脱硫胶粉的最佳掺量为24%。下面的脱硫胶粉改性沥青均为该掺量胶粉改性沥青。

2.2 脱硫胶粉改性沥青的热储存稳定性与性能衰变

按照JTG E20—2011规定的T0661—2011对3种沥青进行离析试验，试验温度为（163±5 ℃），试验时间为（48±1 h），测试上半部分与下半部分沥青的软化点，结果如图2所示。

图2 不同沥青的热储存稳定性Fig.2 Thermal storage stabilities of different asphalts

将脱硫胶粉改性沥青分别在165，175，185 ℃条件下加热6，12，24，48，72 h，考察脱硫胶粉改性沥青的基本性能在热储存后的衰变情况，结果如图3所示。

图3 脱硫胶粉改性沥青性能随储存时间的衰变曲线Fig.3 Decay curves of properties of desulfurized rubber powder modified asphalt with storage time

由图2可以看出，相比于基质沥青上半部分与下半部分的软化点之差（以下简称软化点差），普通胶粉改性沥青和脱硫胶粉改性沥青的软化点差均不符合沥青的储存稳定性要求（离析48 h软化点差不大于2.5 ℃）。主要原因是在胶粉改性沥青制备过程中虽然大部分胶粉颗粒在高温条件下发生溶胀和分解，但是仍有一小部分的胶粉颗粒留存于改性沥青中，因此在高温储存条件下改性沥青中的胶粉颗粒向下移动，普通胶粉改性沥青和脱硫胶粉改性沥青的软化点呈现相似规律，即上半部分沥青的软化点低于下半部分沥青。对比两种胶粉改性沥青的软化点差，普通胶粉改性沥青的软化点差高达4.8 ℃，说明普通胶粉改性沥青确实存在明显的高温储存稳定性问题，而脱硫胶粉改性沥青的软化点差为2.9 ℃，比普通胶粉改性沥青软化点差减小了39.6%，表明采用脱硫胶粉可以有效提高改性沥青的高温储存稳定性。

由图3可以看出：在不同温度下，随着储存时间的延长，脱硫胶粉改性沥青的针入度均在48 h时达到最大值，之后减小；软化点呈逐渐下降趋势，延度呈现出先缓慢增大后减小的趋势。

以针入度作为沥青的热储存稳定性控制指标时，综合分析对比不同储存时间、储存温度下的针入度变化情况，建议脱硫胶粉改性沥青的储存温度为165～175 ℃，同时储存时间不应超过48 h。

2.3 改性沥青的流变性能

2.3.1 高温动态剪切流变性能

以70#基质沥青和普通胶粉改性沥青作为对照组，分析脱硫胶粉改性沥青的高温动态剪切流变性能。G*是最大剪应力与最大剪应变的比率；δ是施加应力后产生的应变滞后角；G*/sinδ是高温劲度系数，即抗车辙因子，该系数越大，代表沥青的变形越小，越有利于抵抗车辙。

不同沥青的高温动态剪切流变性能随温度的变化如图4所示。

由图4可以看出：随着温度的升高，3种沥青的G*和G*/sinδ均呈减小趋势，但普通胶粉改性沥青和脱硫胶粉改性沥青的G*和G*/sinδ均比基质沥青大，表明胶粉的掺入有效改善了基质沥青的高温性能；当温度为58，64，70，76，82，88 ℃时，脱硫胶粉改性沥青的G*/sinδ分别比普通胶粉改性沥青增大了21.5%，17.0%，20.9%，45.5%，136.6%，293.1%，可见当温度超过76 ℃之后，脱硫胶粉改性沥青的G*/sinδ明显增大。主要原因可能是普通胶粉主要以物理溶胀状态分散在沥青中，随着试验时间的延长及温度的升高，普通胶粉进一步溶胀及降解，此时普通胶粉改性沥青的粘度降低，抵抗高温永久变形的能力变差，而脱硫胶粉由于与沥青的相容性较强，两者反应交联得更充分，在高温状态下脱硫胶粉改性沥青的性能衰减程度更小，表明脱硫胶粉改性沥青的高温性能更好。从δ的变化趋势来看，随着温度的升高，普通胶粉改性沥青和基质沥青的δ值始终处于小幅波动的不稳定状态，而脱硫胶粉改性沥青的δ呈增大的趋势，这是因为当温度升高时，沥青内部的弹性成分逐渐转变成粘性成分，导致弹性成分比例逐渐减小，宏观表现为沥青由固态转向为流动态，但是从整体来看，普通胶粉改性沥青和脱硫胶粉改性沥青的δ均远远小于基质沥青。

2.3.2 低温弯曲蠕变性能

通过低温弯曲蠕变试验对制备的脱硫胶粉改性沥青的低温性能[16-17]展开研究。沥青相关标准要求加载60 s时的劲度模量不得大于300 MPa，蠕变速率不得小于0.30。

不同沥青的劲度模量和蠕变速率随温度的变化如图5所示。

图5 不同沥青的劲度模量和蠕变速率随温度的变化Fig.5 Variation of stiffness moduli and creep rates of different asphalts with temperatures

由图5可知，随着温度的降低，3种沥青的劲度模量均呈上升趋势，蠕变速率呈下降趋势，其中基质沥青的变化最为明显，普通胶粉改性沥青次之，脱硫胶粉改性沥青的变化趋势最为平缓，表明脱硫胶粉改性沥青的温度敏感性降低。在相同温度下，基质沥青的劲度模量最大，脱硫胶粉改性沥青的劲度模量最小，比基质沥青大幅减小，比普通胶粉改性沥青略有减小。在相同温度下，脱硫胶粉改性沥青的蠕变速率最大，普通胶粉改性沥青次之，基质沥青最小；在－12，－18，－24 ℃下脱硫胶粉改性沥青的蠕变速率比基质沥青分别增大20.6%，46.3%和83.3%，比普通胶粉改性沥青分别增大2.9%，6.2%和33.0%，由此说明脱硫胶粉的掺入有效改善了基质沥青的低温性能，这对于寒冷地区沥青的使用非常重要。

3 结论

通过对实验室制备的不同掺量脱硫胶粉改性沥青进行常规性能测试、储存稳定性和性能衰变测试、高温动态剪切流变试验和低温弯曲蠕变测试，可以得到以下结论。

（1）脱硫胶粉改性沥青的最佳掺量为24%。

（2）推荐脱硫胶粉改性沥青的储存条件为：储存温度165～175 ℃，储存时间不超过48 h。

（3）脱硫胶粉改性沥青的热储存稳定性优于普通胶粉改性沥青。

（4）与普通胶粉相比，脱硫胶粉可以更有效地改善沥青的高温性能和低温性能。