橡胶沥青工艺参数优化与粘弹性分析

橡胶沥青工艺参数优化与粘弹性分析

李少龙

镇江市城市干道工程建设办公室镇江212000

摘要：为研究橡胶沥青性能影响因素和作用机理，通过控制胶粉掺量、制备温度和反应时间，研究各因素对橡胶沥青性能的影响；开展重复蠕变试验和弯曲梁蠕变试验，对基质沥青、SBS沥青和橡胶沥青粘弹性能进行分析。研究结果表明：（1）橡胶粉掺量为20%、制备温度为175℃、反应时间为45min时，橡胶沥青的高温稳定性、低温稳定性、粘弹性能较好，较经济；（2）橡胶沥青GV值为6510.9Pa，k为0.2×10-3，γP/γL为0.3346，表现出较好高温性能、低温性能等；（3）劲度模量S可作为评价沥青低温性能指标，但需对沥青胶浆进行研究分析其对沥青性能的影响。

关键词：橡胶沥青；工艺参数；粉胶比；粘弹性分析

1引言

橡胶沥青因具有较好的高温稳定性、低温柔韧性、水稳定性等性能和环保功能，而被广泛应用于城市道路路面工程中，国外将其列为城市道路常用材料之一[1~2]。国内外学者对橡胶沥青的研究工作较多，Frantzis[3~4]研究了沥青胶结物在橡胶沥青反应过程中的扩散作用；黄卫东等[5]和杨戈等[6]通过室内车辙试验对橡胶沥青混合料的高温稳定进行研究、评价，结果表明胶粉对混合料性能影响较为显著；王笑风等[7]基于细微观技术研究橡胶沥青混合体系的改性机理；黄明等[8]通过四点弯曲疲劳试验，探讨了橡胶沥青混合料疲劳性能的自愈合能力；孙大权等[9]研究了高速剪切搅拌和低速叶片式搅拌等搅拌方式以及橡胶粉对橡胶沥青性能的影响，在此基础上，提出其工艺参数确定方法。

本文通过研究橡胶粉掺量、制备温度、反应时间等因素对橡胶沥青性能的影响，进一步优化橡胶沥青生产工艺参数，并对最优配合比橡胶沥青进行重复蠕变试验和弯曲梁蠕变试验，分析其高温性能、低温性能。

2原材料与橡胶沥青制备

2.1原材料

基质沥青选用中海油（泰州）AH-70基质沥青，其技术参数如表1所示。

3橡胶沥青性能影响因素

3.1橡胶粉掺量

通过改变橡胶粉掺量，对不同胶粉掺量橡胶沥青性能进行比较分析，结果如图2所示。由图2可知，随着胶粉掺量的增大，橡胶沥青软化点分别增加7.41%、19.61%、47.78%，弹性恢复分别增加5.77%、9.34%、12.78%，车辙因子分别增加86.09%、296.99%、585.71%。说明随橡胶粉掺量增加，橡胶沥青的高温稳定性、低温稳定性以及粘弹性逐渐增强。

3.2制备温度

制备温度直接影响橡胶粉与沥青熔融过程，进而影响橡胶沥青物理力学性能。对165℃、175℃、185℃三种温度条件下制备的橡胶沥青性能进行测试，其结果如图3所示。从图3可知，随着温度的增加，橡胶沥青软化点先下降后升高，弹性恢复呈先上升后下降趋势，车辙因子逐渐下降。表明随拌合温度过高或过低，对橡胶沥青高温稳定性和低温稳定性有较大影响，制备温度在175℃时，其高温稳定性、低温稳定性较好。

3.3反应时间

图4反映了橡胶沥青性能与反应时间之间关系。由图4可知，随着反应时间增大，橡胶沥青软化点分别降低4.93%、12.03%，弹性恢复先增加后下降，车辙因子逐渐下降，其分别降低5.41%、12.59%。表明随反应时间延长，橡胶沥青的高温稳定性、低温稳定性下降；反应时间在45min时，橡胶沥青的粘弹性较好。综合比较，反应时间为45min时，橡胶沥青性能较好。

4橡胶沥青粘弹性分析

沥青混合料因其成分的复杂性，表现出低温类似线弹性体，高温呈粘塑性体，过度温度段为粘弹性体。在行车荷载作用下，表现出典型的粘、弹、塑性特征，沥青混合料路用性能与沥青材料的粘弹性特征紧密相关，其粘弹性参数可反映出沥青材料的高温性能、低温性能等。本节通过重复蠕变试验和低温弯曲试验，以材料粘弹性参数表征橡胶沥青的性能。

4.1重复蠕变试验

重复蠕变试验采用加载—回复循环模式，其中加载时间1s，回复时间9s，重复加载100次，如图5所示。通过Burgers四单元流变模型对第50次和51次的试验结果进行拟和，由拟和参数计算得到蠕变柔量的粘性成分Jv。选取蠕变劲度的粘性成分Gv=1/Jv作为高温性能评价指标，累积变形增长率k评价沥青抗车辙能力，残留变形百分率γP/γL评价沥青变形回弹能力。本次试验选取基质沥青、SBS沥青、橡胶沥青为试验对象，分析比较三种沥青Gv、k和γP/γL值，结果如图6、图7和表3所示。

由图6和表7可知，橡胶沥青GV值为6510.9Pa，SBS沥青GV值为1548.3Pa，基质沥青为GV189.6Pa；橡胶沥青累积变形增长率k为0.00002，SBS沥青累积变形增长率k为0.0002，基质沥青累积变形增长率k为0.1615；橡胶沥青残留变形百分率γP/γL为0.3346，SBS沥青残留变形百分率γP/γL为0.6064，基质沥青残留变形百分率γP/γL为99.78。与基质沥青和SBS沥青相比，橡胶沥青具有较好的高温稳定性、抗车辙性能以及变形回弹性能，这是由于胶粉吸收基质沥青中的轻质成分而发生熔胀，且表面吸附沥青形成界面层，溶胀后的胶粉构成网络构架体系与吸附沥青一起对沥青的相对流动形成阻尼作用，从而显著提高了橡胶沥青的粘度，因而在相同的荷载水平下，总变形较小；同时，橡胶沥青制备过程中，在高温、高速搅拌剪切作用下，部分橡胶粉发生分解，溶于沥青而改变了沥青的组分构成，增强了沥青弹性恢复能力，从而表现为变形恢复充分，残留应变小。

4.2弯曲梁蠕变试验

橡胶沥青弯曲梁蠕变试验（BBR）可评价胶结料低温性能，即采用弯曲蠕变劲度模量S和蠕变曲线斜率m评价沥青低温抗裂性能，其试验加载模式如图8所示。图9和图10是三种沥青材料劲度模量S和蠕变曲线斜率m值柱状图。

由图9和图10可知，橡胶沥青蠕变劲度模量S为71.2MPa，m为0.417；SBS沥青蠕变劲度模量S为60.9MPa，m为0.497；基质沥青蠕变劲度模量S为98.9MPa，m为0.490。三种沥青试验劲度模量S和蠕变曲线斜率m表现出来的规律存在一定差异，根据与混合料低温弯曲试验的对比，劲度模量S值与低温弯曲试验最大破坏应变的规律基本相同，推荐S值作为评价低温性能的指标[10]。因此，从劲度模量角度分析，橡胶沥青的低温性能优于基质沥青但不如SBS改性沥青，这与橡胶沥青中含有相当数量的橡胶粉有关，橡胶粉自身变形能力有限，真正起变形作用的是其中的沥青成分，由于含有橡胶粉，使得试件中变形的有效成分变少，从而影响了橡胶沥青试件的低温指标。从沥青混合料的角度考虑，在沥青混合料的组成体系中，集料自身组成的骨架体系并不具备抵抗弯拉变形的能力，而沥青胶结料与矿粉等一起构成沥青胶浆，才真正使沥青混合料具有低温抗裂性能。

5结论

（1）随着橡胶粉掺量增加，橡胶沥青高温稳定性和低温稳定性增强；橡胶粉掺量20%，制备温度175℃，反应时间45min为制备橡胶沥青性能最佳的配比；

（2）与基质沥青、SBS沥青相比，橡胶沥青具有较好的高温稳定性、抗车辙性能以及变形回弹性能；

（3）三种沥青蠕变劲度模量S变化规律不明显，需对沥青胶浆进行研究，对比分析其低温性能等。

参考文献：

[1]安东朝，张国彬.橡胶沥青对混合料高温稳定性的影响[J].交通标准化，2014，42（20）：20-22.

[2]凌天清，肖川，夏玮，等.高温下橡胶沥青胶浆特性及矿料级配优化分析[J].土木建築與環境工程，2010，32（5）：47-52.

[3]FrantzisP.Crumbrubber-bitumeninteractions：Diffusionofbitumenintorubber[J].Journalofmaterialsincivilengineering，2004，16（4）：387-390.

[4]FrantzisP.Crumbrubber–bitumeninteractions：cold-stageopticalmicroscopy[J].Journalofmaterialsincivilengineering，2003，15（5）：419-426.

[5]黄卫东，王伟，黄岩，等.橡胶沥青混合料高温稳定性影响因素试验[J].同濟大學學報（自然科學版），2010，38（7）：1023-1028.

[6]杨戈，黄卫东，李彦伟，等.橡胶沥青混合料高温性能评价指标的试验研究[J].建筑材料学报，2010，13（6）：753-758.

[7]王笑风，曹荣吉.橡胶沥青的改性机理[J].长安大学学报：自然科学版，2011，31（2）：6-11.

[8]黄明，汪翔，黄卫东.橡胶沥青混合料疲劳性能的自愈合影响因素分析[J].中国公路学报，2013，26（4）：16-22.

[9]孙大权，徐晓亮，吕伟民.橡胶沥青生产工艺关键技术参数的研究[J].長沙交通學院學報，2008，24（3）：33-37.