廢舊膠粉改性瀝青流變性能及高溫老化影響研究

張紅波 張洪剛 袁海濤 黎柱強

【摘要：】為探究高溫老化對廢舊膠粉改性瀝青流變性能的影響，文章基于動態剪切流變實驗（DSR）與彎曲梁流變實驗（BBR），研究了廢舊膠粉改性瀝青經不同溫度RTFOT短期老化后的流變性能變化，并在同等條件下與SBS改性瀝青進行了對比分析。結果表明：由于廢舊膠粉改性瀝青中含有較多的天然橡膠（橡膠烴），其低溫抗裂性能、復數模量和抗車轍因子等高溫流變性能優良，并且經老化后，廢舊膠粉改性瀝青抗老化性能優于SBS改性瀝青。

【關鍵詞：】廢舊膠粉改性瀝青;流變試驗;復數模量;車轍因子;老化

0 引言

廢舊汽車輪胎中富含橡膠，其胎源穩定、質量可控，制出的膠粉彈性、抗老化性優良，是制備路用橡膠改性瀝青的理想材料。將廢舊膠粉用于制備橡膠改性瀝青，既可創造良好的經濟效益，又能有效解決環境難題，引發了交通領域學者的廣泛研究。高溫老化是瀝青混合料施工過程中不可避免的現象，其對瀝青路面使用性能的影響不容忽視，因此對橡膠瀝青的老化性能展開研究，對提高橡膠瀝青路面施工質量及使用性能具有積極意義[1]。

李寧利等[2]經動態剪切流變實驗研究發現，橡膠瀝青老化后，彈性增強，高溫抗變形能力增強，但復數模量和相位角的變化幅度小于基質瀝青，抗老化性能優良。張琪[3]測試了橡膠瀝青老化前后的性能變化，發現短期和長期老化作用后，橡膠瀝青的高溫抗變形能力提高，低溫延展性、抗疲勞和抗老化性能均降低。曾文[4]研究了橡膠瀝青RTFOT老化后的高溫流變性能，結果表明，橡膠瀝青的復數剪切模量和車轍因子均隨老化溫度的升高或老化時間的延長而逐漸增大。楊永強等[5]發現隨老化時間的延長和老化溫度的升高，橡膠改性瀝青軟化點升高，活化膠粉/SBS復合改性瀝青在不同老化時間、溫度影響下的軟化點變化幅度明顯小于普通膠粉改性瀝青和活化膠粉改性瀝青。李懷玉等[6]研究表明，橡膠瀝青老化后的針入度、延度減小，且這兩個指標對老化溫度、時間及壓力的敏感度較高，但橡膠瀝青抗老化性能優于SBS改性瀝青。Li等[7]評估了熱老化對微波活化橡膠改性瀝青性能的影響，試驗結果表明，老化后的橡膠瀝青車轍因子和相位角受TFOT老化溫度和時間的影響較為顯著，其中老化時間的影響更顯著。

綜上所述，眾學者對橡膠瀝青高溫老化特性進行了大量研究，得知橡膠瀝青老化后，其高溫抗車轍性能增強，低溫抗裂性能減弱，性能變化幅度受老化時間、老化溫度等的影響較為明顯。然而，目前對廢舊膠粉制備的橡膠瀝青在高溫老化條件下的流變性能變化特征及其與SBS瀝青老化特征的對比研究較少。因此，本文基于動態剪切流變實驗（DSR）、彎曲梁流變實驗（BBR）對比廢舊膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青在不同溫度RTFOT老化后的流變性能，探究高溫老化對廢舊膠粉改性瀝青流變性能的影響，以期為廢舊膠粉改性瀝青的推廣應用提供理論指導。

1 試樣制備

試驗基質瀝青采用泰普克70#瀝青，其性能指標如表1所示。膠粉采用直徑0.9 m以上的大貨車輪胎磨制，其性能指標如下頁表2所示。

廢舊膠粉改性瀝青采用如下工藝制備：基質瀝青加熱至185 ℃，加入與基質瀝青質量比為20%的膠粉混合攪拌40 min使其初步溶脹分散，再以3 000～4 000 rpm的速率高速剪切20 min，獲得廢舊膠粉改性瀝青。為對比廢舊膠粉改性瀝青與SBS改性瀝青性能差異及老化規律，測定二者基本性能指標，如表3所示。

2 彎曲梁流變試驗

采用SHRP規范中規定的彎曲梁流變試驗測定SBS改性瀝青和廢舊膠粉改性瀝青的蠕變勁度S和蠕變速率m指標，評價瀝青結合料的低溫抗裂性能。試驗采用彎曲梁流變儀，在-12 ℃和-18 ℃兩種試驗溫度下進行對比研究。試驗結果如表4所示。

根據SHRP技術要求，瀝青結合料在60 s時的勁度模量越小，意味著結合料在低溫下越能更好地適應變形而不開裂，較高的蠕變速率能較快地釋放應力而不至于發生破壞。由表4的試驗結果可知：（1）廢舊膠粉改性瀝青在-12 ℃、-18 ℃溫度下勁度模量S≤300 MPa，蠕變速率m≥0. 說明廢舊膠粉改性瀝青在-12 ℃、-18 ℃溫度下仍具有良好的低溫抗裂性能，且其低溫極限使用溫度（低溫等級）低于-18 ℃;（2）同等試驗條件下，相對于SBS改性瀝青，廢舊膠粉改性瀝青的勁度模量S更小，而滿足技術要求的SBS改性瀝青低溫等級為-12 ℃，因此說明廢舊膠粉改性瀝青低溫抗開裂性能優于SBS改性瀝青。

3 動態剪切流變試驗

常規路用性能指標是瀝青性能的宏觀體現，但往往難以從微觀對其性能進行解釋和區分，因此，借鑒SHRP計劃中對瀝青結合料的評價方法，利用動態剪切流變試驗（DSR），分別對比兩種不同改性瀝青經不同溫度RTFOT熱氧老化后的高溫抗車轍性能及低溫抗裂性能，從而綜合評價高溫老化影響下，廢舊膠粉改性瀝青與SBS改性瀝青的高低溫性能優劣及衰變規律。

試驗過程為：（1）分別對原樣廢舊膠粉改性瀝青（AR）、原樣SBS改性瀝青進行163 ℃、173 ℃、183 ℃的旋轉薄膜短期老化;（2）對原樣瀝青、老化瀝青進行DSR動態剪切試驗，采用應力控制模式，施加10 rad/s頻率的正弦振蕩荷載，試驗溫度為50 ℃～85 ℃;（3）采集相位角、復數模量、車轍因子等試驗指標。

3.1 相位角

在高溫條件下，相位角δ越小，表明該材料彈性成分所占比例越大，即具有較好的抵抗高溫變形的能力。不同老化程度改性瀝青相位角隨掃描溫度的變化規律如圖1所示。

由圖1可知：

（1）除SBS原樣瀝青外，其余老化條件下的瀝青相位角總體隨著掃描溫度的升高而增加。分析認為：隨著溫度的升高，瀝青中軟化點較低的輕質組分逐漸揮發而喪失彈性，使得瀝青整體彈性成分相對減少，黏性成分相對增加，從而使其相位角增大。

（2）廢舊膠粉改性瀝青的彈性明顯優于SBS瀝青。廢舊膠粉改性瀝青在同等老化條件下的相位角均明顯小于SBS瀝青，甚至小于SBS原樣瀝青，說明廢舊膠粉改性瀝青的彈性優于SBS瀝青。

（3）隨老化溫度的升高，兩種瀝青粘彈性特征的變化規律截然相反。相同掃描溫度下，隨老化溫度的升高，SBS瀝青相位角總體逐漸增大，而廢舊膠粉改性瀝青相位角總體逐漸減小，說明短期老化過程中，SBS瀝青彈性成分明顯減少，而廢舊膠粉改性瀝青彈性成分不減反增，這說明高溫老化后廢舊膠粉改性瀝青彈性恢復能力明顯增強。分析認為：SBS瀝青高溫老化后原有網狀結構被破壞，對基質瀝青的束縛效果減弱，導致SBS瀝青彈性被削弱;而廢舊膠粉改性瀝青高溫老化后輕質組分減少，廢舊膠粉老化降解，使得瀝青質與膠質增加，并與橡膠顆粒形成回彈變形能力較強的凝膠體。

3.2 復數模量與車轍因子

動態剪切流變試驗中采用周期性的應力或應變的振蕩，這種模式可表征瀝青路面在車載條件下流變性能的變化，復數模量G*和車轍因子G*/sinδ均可用于評價瀝青的高溫抗車轍性能，因此將二者合并分析。不同老化程度改性瀝青復數模量隨掃描溫度的變化規律如圖2所示。不同老化程度改性瀝青車轍因子隨掃描溫度的變化規律如圖3所示。

由圖2、圖3可知：

（1）瀝青是一種感溫材料，溫度升高時，瀝青從高彈態向粘流態轉化，復數模量和車轍因子會逐漸降低。在本文試驗中，隨掃描溫度的升高，兩種改性瀝青的復數模量和車轍因子均下降，即抗車轍能力下降，但原樣及老化廢舊膠粉改性瀝青的復數模量與車轍因子普遍大于SBS改性瀝青。

（2）根據SHRP的研究結論，原樣瀝青的車轍因子應≥1.0 kPa，原樣SBS改性瀝青的車轍因子在掃描溫度約為80 ℃時降至1.0 kPa，而原樣廢舊膠粉改性瀝青的車轍因子在掃描溫度達到85 ℃后依然為2.4 kPa。

（3）經短期老化的瀝青在高溫等級條件下車轍因子應≥2.2 kPa。SBS改性瀝青在經歷163 ℃、173 ℃和183 ℃短期老化后，分別在掃描溫度為72 ℃、74 ℃和74 ℃時對應的車轍因子達到2.2 kPa，即SBS改性瀝青的高溫等級為72 ℃。廢舊膠粉改性瀝青在經歷163 ℃、173 ℃和183 ℃的短期老化后，在82 ℃下其車轍因子約為4.5 kPa，仍>2.2 kPa，故廢舊膠粉改性瀝青的高溫等級為82 ℃。因此，廢舊膠粉改性瀝青高溫抗車轍性能優于SBS改性瀝青。

4 結語

本文通過動態剪切流變及彎曲梁流變實驗，對比廢舊膠粉改性瀝青與SBS瀝青經不同溫度高溫老化后的流變性能。結果表明：同等老化條件下，相較于SBS瀝青，廢舊膠粉改性瀝青的蠕變勁度較小，低溫抗裂性較優，相位角較小，復數模量與車轍因子較大，表現出更多的彈性特質，高溫抗車轍性能較好，抗老化性能更優。

[1]文思源.廢舊輪胎膠粉改性瀝青熱老化性能研究[J].公路交通技術，2016，123（2）：34-39.

[2]李寧利，趙新坡，孫吉書，等.老化對橡膠瀝青高溫流變性能的影響[J].公路，2015，60（2）：165-168.

[3]張 琪.老化條件下溫拌膠粉改性瀝青流變和微觀特性研究[D].呼和浩特：內蒙古工業大學，2020.

[4]曾 文.不同老化模式下橡膠瀝青的高溫流變性能研究[J].內蒙古公路與運輸，202 185（5）：15-17，25.

[5]楊永強，康秉鐸，郭海東，等.活化膠粉/SBS復合改性瀝青短期老化性能[J].長安大學學報（自然科學版），202 205（5）：23-33.

[6]李懷玉，張洪剛，袁海濤.不同老化條件對橡膠瀝青性能的影響對比研究[J].西部交通科技，2020，152（3）：8-9，31.

[7]Li B，Zhou J，Zhang Z，et al.Effect of Short-Term Aging on Asphalt Modified Using Microwave Activation Crumb Rubber[J].Materials，2019，12（7）：36-37.