摘   要：本文通过室内试验并参考大量文献，详细分析了橡胶粉与沥青的混熔作用机理，并介绍了橡胶粉对沥青性能的改善效果。在此基础上，从橡胶粉的组成成分、细度、掺加剂量、拌和工艺、拌和时间、拌和温度及基质沥青种类等方面阐述了影响橡胶改性沥青性能的各因素。

 

关 键 词：橡胶改性沥青；机理；性能；影响

 

众所周知，随着我国公路交通运输行业的迅猛发展，高速公路上重载、超载的现象越来越严重，许多公路在路面竣工后不久就出现了车辙、拥包、剥落、裂缝及抗滑性能不足等病害。这说明普通沥青混凝土路面已经无法满足现代公路运输行业对路面的高温稳定性、低温抗裂性、抗滑性及耐久性的要求。而国产沥青存在着含蜡量过高、低温延度小、高温稳定性差、与集料粘附性差等缺陷，严重影响了沥青路面的使用性能和使用年限，必须积极寻求可行的途径来改性国产沥青。

目前国内外使用较多且取得较好成效的改性方法主要是添加高聚物来改性沥青，其中添加废旧橡胶粉是改善沥青路用性能的一种有效方法。橡胶粉用于公路建设不仅有利于废旧产品的再生利用，有益于环境保护，同时对改善沥青混凝土的使用品质，延长路面使用寿命也有着很重要的作用。

 

橡胶粉掺入到沥青中以后制成橡胶粉与沥青的共混物，称为橡胶改性沥青。目前橡胶粉与沥青之间的相互作用机理尚未研究清楚，公认的改性机理有：物理共混说、网络填充说以及化学共混说^[1]。

 

国内诸多科研院校的大量试验研究认为：这些学说所论及的橡胶粉与沥青的相互作用，在其共混过程中都有可能存在，只是程度不同，而这与橡胶粉的成分、沥青的品质、添加剂的种类以及加工方式等因素有着较密切的关系。橡胶粉在与沥青接触时，两者之间会发生明显的物质交换。橡胶粉部分裂解，交联剂硫、丙酮抽出物和油性填充剂、抗老化剂、锌化合物等外加剂和部分炭黑等活性成分通过界面交换进入沥青，这些物质对沥青性能都是有益的，可以改善沥青的温度稳定度、抗老化性及粘附性等。另一方面，沥青中的蜡和轻质组份被橡胶粉吸收，橡胶粉的力学性能有所降低，但仍高于沥青。同时，作为改性剂的橡胶粉颗粒较大，在改性成品中会熔胀变大，并且其高温状态下在沥青中的分布保持相对独立。因此，沥青的高低温性能都会有较大的提高，沥青和橡胶粉的界面逐渐模糊，形成整体性能明显优于基质沥青的新的复合胶结材料^[2]。

 

交通部公路科学研究院和江苏省交通科学研究院分别从试验的角度来研究橡胶粉与沥青的作用机理。从交通部公路科学研究院所做的橡胶沥青的密度试验结果可以看出，橡胶粉和沥青搅拌后还能过滤出橡胶颗粒，说明橡胶粉在沥青中有物理填充的作用；同时过滤后的橡胶沥青密度增大，说明橡胶粉与沥青共熔其间存在化学作用，基质沥青经橡胶粉改性后组分发生了变化，轻质组分被橡胶粉部分吸收后，重质成分相对增加了^[1]。这个试验充分说明橡胶粉掺入沥青中不仅仅是简单的物理填充，也不完全会发生化学反应，而是处于两者共存的状态。而江苏省交通科学研究院有限公司通过对橡胶改性沥青进行电镜分析、差热分析和光谱分析^[3]，也得出了同样的结论。

 

一般轮胎橡胶粉中含有天然橡胶、合成橡胶、硫磺、碳黑、抗老化剂等组成成分^[4]，这些成分对改善沥青混凝土的品质都十分有益。橡胶粉的掺入能够有效提高沥青的软化点，改善其低温下的流动性，降低针入度，提高延度（尤其是低温下的延度）。其中碳黑可以改善沥青的粘附性、耐久性和抗磨性、提高沥青混合料的抗车辙性能；硫磺可以改善沥青的温度稳定性；抗老化剂能够提高沥青抗老化性能。在基质沥青中加入橡胶粉进行改性的橡胶沥青，其改性效果优于其它改性沥青，能够达到优良的技术性能。

 

在普通沥青中加入橡胶粉进行改性后，其针入度减小，粘度增大，软化点提高，同时抗流动性提高，在高温下具有较高的抗车辙能力和抗推移拥抱的能力。同时，在沥青中加入橡胶粉又能够提高沥青在低温下的延度，增加其柔韧性，从而改善其低温性能。

 

橡胶改性沥青在低温条件下敏感性降低，有利于抵抗不利气候的循环作用。同时由于其低温柔韧性的提高，橡胶改性沥青能够承受重复拉应力或拉应变的反复作用，疲劳寿命有了很大提高。另外，经过橡胶粉改性后的沥青，其粘附性增加，石料表面粘附的橡胶沥青膜厚度增加，因而提高了沥青路面抗水损害性能，延长了公路的使用寿命。

 

国内大量试验研究认为：对于橡胶改性沥青路面,由于橡胶粉的高弹性,使得路面具有吸收轮胎振动和冲击的效果，同时橡胶改性沥青混合料是一种内阻尼较大的高分子复合材料，它对轮胎的振动具有较大的衰减功能，因而大大降低了轮胎和路面的振动噪声^[5-7]。

 

橡胶改性沥青的性能关键取决于橡胶粉与沥青的混熔反应情况，因此橡胶粉和沥青作为混熔反应的主体，其内在的化学特性及物理力学性能对橡胶改性沥青的性能有着重要的影响。同时，拌和工艺、拌和时间及拌和温度由于影响着混熔反应的水平及程度，也直接影响着橡胶改性沥青的性能。在改性过程中，必须综合考虑各个影响因素，才能使得橡胶沥青的性能最优化。下面从七个方面全面阐述其影响因素，以供相关研究人员参考。

 

经试验可以证明，相同条件下，斜交胎和子午胎胶粉对沥青性能的改善并不完全一样^[1]。斜交胎胶粉改性沥青的针入度（15℃、25℃、30℃），当量脆点，5℃延度和当量软化点小于子午胎胶粉改性沥青；而斜交胎胶粉改性沥青的软化点，粘度，弹性恢复，针入度指数等指标大于子午胎胶粉改性沥青。总体来说，斜交胎胶粉改性沥青的性能明显好于子午胎胶粉改性沥青。

 

表1  不同轮胎胶粉的部分化学成分分析

检测项目	乘用车轮胎（子午胎）	载重车、大型乘用车轮胎（斜交胎）
橡胶含量 %（间接法）	47.6	54.1
天然橡胶含量 %	20	70
丁苯橡胶含量 %	80	20
顺丁橡胶含量 %	—	10
炭黑含量 %	—	26.3

 

这种差别可以从斜交胎和子午胎自身化学成分上的不同来理解。如表1所示，斜交胎以天然胶为主，而子午胎以合成胶为主，有资料证明天然橡胶对沥青性能的改善程度比合成橡胶要好；而且斜交胎中含有26.3%的炭黑，炭黑本身就是很好的改性剂，可以改善沥青的粘附性、耐久性、抗磨性，增强沥青的高温稳定性和抗老化性能，同时炭黑的增加会导致延度减小；另外炭黑有较强的活性，使得橡胶粉和沥青更容易共混。

 

橡胶粉用细度来表征其粒径的大小。由于表面毛刺和粗糙对橡胶沥青的加工和稳定性有利，因此橡胶改性一般采用常温法加工的橡胶粉^[8]。同济大学曾进行过这方面的试验研究^[1]，基质沥青均采用韩国SK70＃；橡胶粉掺量均选用17％；细度分别采用40目、80目、120目；加工工艺全部采用简单搅拌。试验项目为25℃针入度、软化点、PI、60℃粘度及135℃粘度。试验结果见表2。

 

表2  橡胶粉细度与橡胶沥青常规指标间的关系(同济大学试验)

试验样品	软化点	25℃针入度	PI	60℃粘度，泊	135℃粘度，泊
40—17％简单拌和	59.3	38.3	2.27	30100	36.7
80—17％简单拌和	57.2	38.8	0.66	15740	25.0
120—17％简单拌和	54.5	45.0	－0.36	9113	13.0

 

通过表2的试验结果可以看出，随着橡胶粉目数的增加，橡胶粉由硬变软，软化点降低、针入度增大，另外其粘度降低很快，但温度敏感性升高很快。这说明橡胶粉的细度对橡胶沥青的流变性能影响很大。这可能是因为橡胶颗粒变大以后，其作为固相的结构能力迅速增大，从而对整个复合材料流动的约束也快速增加，而这种固相结构能力的作用受温度的变化相对较小。

 

尽管橡胶粉细度的变化对橡胶沥青性能的影响是明显的，但是不能简单地用有益或有害来评价。到底选择多细的胶粉，要综合考虑性能、工作性、稳定性和加工成本。

 

橡胶粉与沥青组成比例的变化，对复合材料的性能会有相当大的影响。同济大学曾进行过这方面的试验研究^[1]，基质沥青采用韩国SK70＃；采用80目橡胶粉作为改性剂；掺加剂量分别为为10％、17％、24％；室内加工工艺均采用简单拌和共炼法。试验项目为25℃针入度、软化点、PI、60℃粘度及135℃粘度。试验结果见表3。

 

表3  橡胶粉掺量与橡胶沥青常规指标间的关系(同济大学试验)

试验样品	软化点	25℃针入度	PI	60℃粘度，泊	135℃粘度，泊
80—10％高速剪切	53．2	40．3	-0.05	5250	10.0
80—17％简单拌和	57．2	38．8	0．66	15740	25.0
80—24％简单拌和	66．0	38．7	0.95	32140	36.0

 

通过表3的试验结果可以看出，橡胶粉的掺量对橡胶沥青粘度的影响也是比较大的。随着橡胶粉掺量的增加，橡胶沥青由软变硬，针入度减小，软化点、粘度的增长幅度都较大；PI值随橡胶粉掺量的变化比随橡胶粉细度的变化要小得多。由此可见，增加橡胶粉掺量对于提高橡胶沥青的性能是有利的。但同时应注意橡胶沥青的施工性能，随着橡胶粉掺量的增加，橡胶沥青在施工温度下的粘度会随之升高，过高的粘度会给沥青的泵送以及混合料的拌和、摊铺等带来困难。

 

在试验室中主要采用简单搅拌和高速剪切两种手段来加工橡胶沥青。通过试验对比高速剪切和简单搅拌工艺对橡胶沥青常规指标的影响^[9]，可以看出：17％掺量时，两种工艺各项指标相差不大；但当掺量达到24％时，高速剪切的各项指标却明显下降，甚至还比不上17％掺量时的指标。这说明橡胶粉已经经过硫化交联处理，强度和韧性都大大超过其他改性剂，高速剪切达不到迅速粉碎颗粒的效果。因此有理由认为，颗粒的细度应主要依靠胶粉加工阶段来达到，而室内搅拌工艺的主要作用是用来分散和匀质。

 

同时采用试验室高速剪切法和现场胶体磨制备相同的橡胶沥青，从其性能指标测试结果可以看出，采用胶体磨加工的同样橡胶沥青的技术指标都要比高速剪切机加工的橡胶沥青的技术指标好^[1]。这说明虽然同为快速剪切设备，不同的加工工艺对橡胶沥青的技术指标影响比较显著。

 

综上所述，高速剪切类的切碎匀化设备不适用于橡胶改性沥青的加工。考虑到生产效率以及橡胶粉的结团问题，辅助以低速剪切设备是更明智的选择。

 

交通部公路科学研究院采用高速剪切法搅拌，在不同搅拌时间下对橡胶沥青进行取样的显微镜放大照片。由时间影响照片可以看出，搅拌时间对橡胶沥青的匀质性影响很大，随着搅拌时间的延长，胶粉颗粒逐渐打散和融胀，由开始的絮状块体，逐渐分散成单个的胶粉颗粒，随后胶粉颗粒在沥青中吸收轻质油份，逐渐在沥青中融胀，在搅拌时间达到2小时时，橡胶沥青已经基本融进沥青中，胶粉颗粒明显减小，与沥青的界面开始模糊。另外，搅拌半小时和搅拌2小时的情况下，胶粉在沥青中的状态差别很大，而在1小时和2小时的差别显著减小^[1]。同时考虑到高温搅拌过程中的沥青老化情况，建议室内橡胶改性沥青制备的搅拌时间最好为1小时。

 

拌和温度是橡胶沥青的重要施工控制条件，拌和温度直接影响橡胶粉与沥青熔融的速度和程度，从而对橡胶沥青的技术性能有明显影响。江苏省交通科学研究院利用SHRP指标对此进行试验研究，得出结论为：橡胶改性沥青的车辙因子G*/sinδ和抗疲劳因子G*sinδ在不同温度下表现出明显的规律性，随着拌和温度的升高，橡胶沥青的抗车辙因子逐渐降低，抗疲劳因子逐渐升高，表明较高的拌和温度对于橡胶沥青的高温性能和抗疲劳性能不利^[3] 。

 

用不同的基质沥青（青岛90#、SK70#），同样的橡胶粉和同样加工工艺的橡胶沥青（掺量分别为5%、10%）进行试验，从试验结果可以看出，基质沥青的性能直接影响橡胶沥青的性能，在掺量较低时，基质沥青的影响比较显著，能够比较明显地体现基质沥青的性质。随着掺量的增加，基质沥青的影响相对减少，两种基质沥青的橡胶沥青指标开始接近^[1]。因此在具体工程中应该考虑到基质沥青的影响情况。

 

（1）橡胶粉掺入沥青中不仅仅是简单的物理填充，也不完全会发生化学反应，而是处于两者共存的状态，其产物是橡胶粉和沥青的共混体系。橡胶粉的掺入对沥青的物理性能和化学性能都有所改善。

 

（2）橡胶粉的掺入能够显著提高沥青的高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害性及耐久性，同时能够降低路面噪音。

 

（3）橡胶粉的组成成分、细度、掺加剂量、拌和工艺、拌和时间、拌和温度以及基质沥青等因素对橡胶沥青的改性效果都有一定的影响，必须综合考虑其影响因素及改性效果，从而使得橡胶改性沥青的性能达到最优。

 

参考文献：

[1]交通部公路科学研究所．废旧橡胶粉用于筑路的技术研究[R].2004.

[2]王琪．废旧橡胶粉改性沥青的试验与应用[J]．辽宁交通科技，2000(12)．

 

[3]江苏省高速公路建设指挥部，江苏省交通科学研究院．橡胶沥青在连盐通高速公路上的应用研究[R].2006.

[4]董诚春．废橡胶资源综合利用[M]．北京：化学工业出版社，2003．

 

[5]王旭东.低噪声沥青路面机构设计研究[J].公路交通科技,2003.

[6]曹卫东，陈旭等.简述国内外低噪声沥青路面研究状况[R].2005(1).

 

[7]路凯冀，杨芸波.胶粉改性沥青路面减噪技术[J].2006(2).

[8]叶智刚，孔宪明，余剑英，魏连启，蒋中林．橡胶粉改性沥青的研究[J]．武汉理工大学学报，2003(1).

 

[9]谭昆华等．废旧橡胶粉改性沥青的试验研究[J]．云南交通科技，2002(4).

[10]叶智刚，孔宪明，余剑英，魏连启，蒋中林．橡胶粉改性沥青的研究[J]．武汉理工大学学报，2003(1).