论文部分内容阅读
【摘 要】本文研究了搅拌方式、搅拌温度、搅拌时间以及胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响，结果发现搅拌方式对橡胶沥青的粘度影响较为显著，对其他指标影响不显著，高速搅拌方式改性效果最好，高速剪切方式效果最差；搅拌温度对橡胶沥青各指标影响显著，较高或较低的生产温度均不利橡胶沥青的性能， 180～200℃可获得较好的改性效果；较高的胶粉掺量有利于橡胶沥青的高低温性能，却增大了其温度敏感性，0.5h～1h的搅拌时间有利于橡胶沥青高温性能；搅拌时间与胶粉掺量是影响橡胶沥青性能最关键的因素，搅拌温度影响次之，搅拌方式影响不大。
【关键词】橡胶沥青；搅拌方式；搅拌温度；搅拌时间；胶粉掺量
Analysis of factors affecting Performance of Rubber Asphalt
Deng Ye1，Zhang De-ou2
（1.Guizhou Road and Bridge Group Co.， Ltd Guiyang Guizhou 550014；
2.Guizhou Lu Tong Highway Engineering Supervision Co.， Ltd Guiyang Guizhou 550014）
【Abstract】This paper studies the influence law of performance of rubber asphalt with different mixing method， mixing temperature， mixing time and rubber powder content. The results shows ： Mixing method has great effect to the viscosity but a little effect to others， the rubber asphalt has the worst performance of high-speed shearing methods， the best performance of high-speed stirring； Mixing temperature has significant effect to all index of rubber asphalt， the higher or lower production temperature has negative significant on performance of rubber asphalt， so it recommends 180～200℃of production temperature of rubber asphalt； the higher rubber powder content has positive significant on high and low temperature performance of rubber asphalt but increases the temperature sensitivity， it recommends 0.5h～1h of mixing time for high temperature performance of rubber asphalt ； Mixing time and rubber powder content are the most critical factors affecting of performance of rubber asphalt， the second is mixing temperature and the last is mixing method.
【Key words】Rubber asphalt；Mixing method；Mixing temperature；Mixing time；Rubber powder content
1. 引言
（1）将废旧汽车轮胎加入沥青中，能有效改善沥青的性能，且具有良好的环保效益，所以橡胶沥青近年来得到了越来越多的重视，但其在推广使用过程中发现，质量波动现象时有发生，而工艺参数是其根本原因。根据美国ASTM对橡胶沥青的定义，形成橡胶沥青一般需要三个条件：废橡胶粉掺量要达到一定的量，且要有一定的反应时间使橡胶颗粒在热沥青中充分反应与膨胀，并达到相应的技术指标。可见生产工艺（包括搅拌方式、搅拌时间、搅拌温度和胶粉掺量）是影响反应和溶胀，并进而影响橡胶沥青性能的关键因素[1][2]。
（2）本文采用不同生产工艺参数制备橡胶沥青，测试其性能，并结合聚合物改性沥青的机理，分析橡胶沥青生产过程中其性能的影响因素及其程度，并提出合理的橡胶沥青加工工艺。
2. 试验原材料
基质沥青采用SK90#，废胎胶粉采用西安长大华础公司生产的斜交胎胶粉，规格为40目。原材料各性能均符合规范要求，检测结果见表1～3。
3. 生产工艺参数影响
3.1 搅拌方式。
3.1.1 改性沥青的加工工艺主要有直接投入法和预混法两种。直接投入法实际上等同于橡胶沥青混合料的干法工艺，产品是改性沥青混合料。预混法即湿法工艺，常用的搅拌方式有简单搅拌、胶体磨、高速剪切、低速剪切等几类。
3.1.2 试验选取四种搅拌方式，分别是：（1）简单搅拌（300r/min）。（2）高速剪切（3750r/min）（筛孔状剪切内环）。（3）高速搅拌（2500r/min）。（4）简单搅拌（15min）+高速剪切（1875r/min）（长孔状剪切内环）。所采用的简单搅拌为普通液体搅拌器，高速剪切机采用进口fluko可调速高速乳化剪切机。搅拌温度为180℃，搅拌时间为45min，胶粉掺量为17.6%（外掺），各指标试验结果如表4所示。 3.1.3 从表4数据分析可知：
（1）四种搅拌方式生产的橡胶沥青各性能都有差异，其中弹性恢复、5℃延度、25℃针入度以及软化点差别不显著，粘度和PI差别较为显著。
（2）采用高速剪切方式生产的橡胶沥青的粘度、弹性恢复、PI均比其他三种方式小，而25℃针入度比其他三种方式大。分析认为这是因为在高速剪切过程中较大含量且颗粒较粗的胶粉在剪切机定子和转子之间反复高速摩擦产生大量热量，过高的温度就会使再生橡胶发生脱硫和裂解[3]。脱硫会造成橡胶颗粒失去部分硫化橡胶的弹性，裂解会造成橡胶分子链断裂，分子量降低，从而降低胶粉对沥青的改性效果，所以采用高速剪切得到的橡胶沥青性能欠佳。
（3）采用高速搅拌生产的橡胶沥青性能相对较好，粘度、弹性恢复和5℃延度指标均优于其他三种加工方式生产的橡胶沥青。分析认为这是因为高速搅拌对废胶粉在沥青中的分散均质效果好，能够较快的让胶粉融入沥青中，故而制得的橡胶沥青性能指标较佳。
3.2 搅拌温度。
3.2.1 反应温度是影响聚合物改性沥青反应效果的一个重要因素。在橡胶沥青的加工过程中，反应温度是否会直接影响到最终生产的橡胶沥青的性能？试验选择170℃～210℃之间的5个温度制备橡胶沥青并测试其性能指标。搅拌时间为45min，胶粉掺量17.6%（外掺），搅拌方式采用高速搅拌（2500r/min），各指标试验结果如表5所示。
表5 搅拌温度对橡胶沥青性能的影响
3.2.2 从表5分析可知：
（1）25℃针入度和5℃延度随反应温度的升高而增大，增大的幅度随温度升高而减小。分析认为这是因为随着温度的升高，橡胶沥青脱硫裂解使部分橡胶粉组分以小分子天然橡胶的形式进入到沥青中，改善了沥青的柔韧性。
（2）软化点、弹性恢复、PI和布氏粘度随反应温度的升高先增大后减小。在加工橡胶沥青时的温度越高，废胎胶粉在沥青中就越容易分散，也越容易溶胀，从而保证橡胶沥青的指标得到提高。但是在过高的反应温度下，沥青老化越严重，同时胶粉内部的脱硫和裂解反应也越严重，造成橡胶沥青这种由胶粉和基质沥青所组成的两相体系向着沥青介质的方向靠近，使橡胶沥青粘度、弹性恢复和软化点的降低，针入度变大，沥青整体感温性能降低[4][5]。
（3）试验过程中发现，在同等试验参数下，在较低温度时需要较长的加工时间才能使橡胶沥青粘度达到最大值，而在较高温度时能在较短的加工时间内达到粘度最大值。分析认为这是因为提高温度有利于橡胶颗粒的溶胀，并加快胶粉的溶胀速度，从而使橡胶沥青粘度迅速达到最大值。但是如果高温加工时间过长，会加剧橡胶颗粒组分的脱硫和裂解反应，使胶粉失去所具有的弹性性能，最终重新成为具有塑性状态的再生橡胶。
3.3 搅拌时间和胶粉掺量。
3.3.1 搅拌时间和胶粉掺量是影响橡胶沥青性能的另外两个重要因素，之所以把它们放在一块研究原因有两点：一是从聚合物改性沥青的反应机理考虑；二是参考国内外对SBS改性沥青的研究。试验选取0.5h、1.0h、1.5h、2.0h四个搅拌时间，6%、12%、17.6%、22%、28%五个胶粉掺量（外掺），搅拌温度为180℃，搅拌方式采用高速搅拌（2500r/min），各指标试验结果如表6所示。
3.3.2 从表5的结果分析可知：
（1）对于每种胶粉掺量，随着搅拌时间的延长，25℃针入度、弹性恢复逐点增大，软化点和粘度逐点减小。分析认为这是因为当胶粉与基质沥青刚开始作用时，胶粉吸收沥青中的轻质油分使基质沥青变稠，随着反应时间的延长，在高温情况下，胶粉开始产生脱硫反应，向塑状转变，沥青的粘度减小，并逐渐变软。
（2）随着胶粉掺量的增加，除25℃针入度外，橡胶沥青的其他指标都有增大的趋势。分析认为这是因为高的胶粉掺量使沥青具有更好的弹性。对于25℃针入度而言，当加入的胶粉量较低时，针入度间的差别较为明显，但在掺量为17.6%至28%时的差别不大，说明胶粉和沥青组成的两相体系在掺量较低时主要显示出基质沥青的一些性能，随着掺量的增大则更多的表现出胶粉的性能。
（3）在胶粉掺量<17.6%，PI与5℃延度随搅拌时间的延长先增大后减小，在胶粉掺量>17.6%时，随搅拌时间的延长而增大。分析认为这是因为，在低胶粉掺量时，当胶粉溶胀占据主导地位时，橡胶沥青性能有向着橡胶性能发展的趋势，因此其感温性随时间延长而增大；当溶胀发展到一定程度后，脱硫和裂解过程会加速发展，分别导致胶粉颗粒崩裂和分子量降低，因此其感温性和随时间延长而降低；在胶粉掺量较高时，例如掺量为28%，其感温性在两个小时的搅拌时间内一直处于增大状态，分析认为过大的胶粉掺量使橡胶沥青的稠度非常大，破坏了两者所构成的以胶粉为分散相和以基质沥青为分散介质的体系。
4. 结语
生产工艺参数对橡胶沥青的性能有较大影响，通过不同工艺参数对橡胶沥青性能的研究可以得出如下结论：
（1）在几种搅拌方式中，高速搅拌可以加速胶粉溶胀与分散，且能防止裂解和脱硫，生产的橡胶沥青性能最好；高速剪切生产的性能最差。
（2）较高或较低的温度都不利于橡胶沥青的生产，较低的温度会使胶粉溶胀和分散效果欠佳，而过高的温度会使沥青和胶粉产生老化，在180～200℃生产的橡胶沥青性能较好。
（3）较大的胶粉掺量有利于橡胶沥青的高低温性能，但是增大胶粉掺量会造成橡胶沥青感温性增大。为了保证橡胶沥青的高温性能，建议采用搅拌时间0.5h～1h。
（4）橡胶沥青的性能影响因素中，搅拌时间与胶粉掺量是最关键的因素，搅拌温度次之，搅拌方式影响不大。
参考文献
[1] 王旭东，李美江，路凯冀.橡胶沥青及混凝土应用成套技术[M].北京：人民交通出版社， 2008.
[2] 覃淑媛.橡胶沥青研究报告，同济大学道路与交通工程学报1983.7.
[3] M. A. Abderahman， Ph.D Dissertrtion， University of Illinois， 1996.
[4] L. F. M. Leite， B. G. Soares， Interaction of Asphalt with Ground Tire Rubber， Petroleum Science and Technology， 17（9&10）， 1071～1088， 1999.
[5] G. R. Morison， S. A. M. Hesp， Journal of Materials Science， 30， 2584， 1995.
[6] 交通部公路科学研究院.橡胶沥青混合料设计施工技术指南[M].北京：人民交通出版社，2008.
[7] 孙雪伟，唐颂，王建军，陈候杰.橡胶沥青低温延度影响因素研究与分析[J].中外公路，2010，30（5）：310～313.
[8] 黄敦颧， 王旭东.橡胶粉在沥青混凝土中的应用[J].西安公路交通大学学报.2001.10.
[文章编号]1006-7619（2014）03-18-128
[作者简介] 邓烨，男，职称：工程师，工作单位：贵州路桥集团有限公司。
张德欧（1980.02-），男，职称：工程师，工作单位：贵州陆通公路工程监理有限责任公司。
【关键词】橡胶沥青；搅拌方式；搅拌温度；搅拌时间；胶粉掺量
Analysis of factors affecting Performance of Rubber Asphalt
Deng Ye1，Zhang De-ou2
（1.Guizhou Road and Bridge Group Co.， Ltd Guiyang Guizhou 550014；
2.Guizhou Lu Tong Highway Engineering Supervision Co.， Ltd Guiyang Guizhou 550014）
【Abstract】This paper studies the influence law of performance of rubber asphalt with different mixing method， mixing temperature， mixing time and rubber powder content. The results shows ： Mixing method has great effect to the viscosity but a little effect to others， the rubber asphalt has the worst performance of high-speed shearing methods， the best performance of high-speed stirring； Mixing temperature has significant effect to all index of rubber asphalt， the higher or lower production temperature has negative significant on performance of rubber asphalt， so it recommends 180～200℃of production temperature of rubber asphalt； the higher rubber powder content has positive significant on high and low temperature performance of rubber asphalt but increases the temperature sensitivity， it recommends 0.5h～1h of mixing time for high temperature performance of rubber asphalt ； Mixing time and rubber powder content are the most critical factors affecting of performance of rubber asphalt， the second is mixing temperature and the last is mixing method.
【Key words】Rubber asphalt；Mixing method；Mixing temperature；Mixing time；Rubber powder content
1. 引言
（1）将废旧汽车轮胎加入沥青中，能有效改善沥青的性能，且具有良好的环保效益，所以橡胶沥青近年来得到了越来越多的重视，但其在推广使用过程中发现，质量波动现象时有发生，而工艺参数是其根本原因。根据美国ASTM对橡胶沥青的定义，形成橡胶沥青一般需要三个条件：废橡胶粉掺量要达到一定的量，且要有一定的反应时间使橡胶颗粒在热沥青中充分反应与膨胀，并达到相应的技术指标。可见生产工艺（包括搅拌方式、搅拌时间、搅拌温度和胶粉掺量）是影响反应和溶胀，并进而影响橡胶沥青性能的关键因素[1][2]。
（2）本文采用不同生产工艺参数制备橡胶沥青，测试其性能，并结合聚合物改性沥青的机理，分析橡胶沥青生产过程中其性能的影响因素及其程度，并提出合理的橡胶沥青加工工艺。
2. 试验原材料
基质沥青采用SK90#，废胎胶粉采用西安长大华础公司生产的斜交胎胶粉，规格为40目。原材料各性能均符合规范要求，检测结果见表1～3。
3. 生产工艺参数影响
3.1 搅拌方式。
3.1.1 改性沥青的加工工艺主要有直接投入法和预混法两种。直接投入法实际上等同于橡胶沥青混合料的干法工艺，产品是改性沥青混合料。预混法即湿法工艺，常用的搅拌方式有简单搅拌、胶体磨、高速剪切、低速剪切等几类。
3.1.2 试验选取四种搅拌方式，分别是：（1）简单搅拌（300r/min）。（2）高速剪切（3750r/min）（筛孔状剪切内环）。（3）高速搅拌（2500r/min）。（4）简单搅拌（15min）+高速剪切（1875r/min）（长孔状剪切内环）。所采用的简单搅拌为普通液体搅拌器，高速剪切机采用进口fluko可调速高速乳化剪切机。搅拌温度为180℃，搅拌时间为45min，胶粉掺量为17.6%（外掺），各指标试验结果如表4所示。 3.1.3 从表4数据分析可知：
（1）四种搅拌方式生产的橡胶沥青各性能都有差异，其中弹性恢复、5℃延度、25℃针入度以及软化点差别不显著，粘度和PI差别较为显著。
（2）采用高速剪切方式生产的橡胶沥青的粘度、弹性恢复、PI均比其他三种方式小，而25℃针入度比其他三种方式大。分析认为这是因为在高速剪切过程中较大含量且颗粒较粗的胶粉在剪切机定子和转子之间反复高速摩擦产生大量热量，过高的温度就会使再生橡胶发生脱硫和裂解[3]。脱硫会造成橡胶颗粒失去部分硫化橡胶的弹性，裂解会造成橡胶分子链断裂，分子量降低，从而降低胶粉对沥青的改性效果，所以采用高速剪切得到的橡胶沥青性能欠佳。
（3）采用高速搅拌生产的橡胶沥青性能相对较好，粘度、弹性恢复和5℃延度指标均优于其他三种加工方式生产的橡胶沥青。分析认为这是因为高速搅拌对废胶粉在沥青中的分散均质效果好，能够较快的让胶粉融入沥青中，故而制得的橡胶沥青性能指标较佳。
3.2 搅拌温度。
3.2.1 反应温度是影响聚合物改性沥青反应效果的一个重要因素。在橡胶沥青的加工过程中，反应温度是否会直接影响到最终生产的橡胶沥青的性能？试验选择170℃～210℃之间的5个温度制备橡胶沥青并测试其性能指标。搅拌时间为45min，胶粉掺量17.6%（外掺），搅拌方式采用高速搅拌（2500r/min），各指标试验结果如表5所示。
表5 搅拌温度对橡胶沥青性能的影响
3.2.2 从表5分析可知：
（1）25℃针入度和5℃延度随反应温度的升高而增大，增大的幅度随温度升高而减小。分析认为这是因为随着温度的升高，橡胶沥青脱硫裂解使部分橡胶粉组分以小分子天然橡胶的形式进入到沥青中，改善了沥青的柔韧性。
（2）软化点、弹性恢复、PI和布氏粘度随反应温度的升高先增大后减小。在加工橡胶沥青时的温度越高，废胎胶粉在沥青中就越容易分散，也越容易溶胀，从而保证橡胶沥青的指标得到提高。但是在过高的反应温度下，沥青老化越严重，同时胶粉内部的脱硫和裂解反应也越严重，造成橡胶沥青这种由胶粉和基质沥青所组成的两相体系向着沥青介质的方向靠近，使橡胶沥青粘度、弹性恢复和软化点的降低，针入度变大，沥青整体感温性能降低[4][5]。
（3）试验过程中发现，在同等试验参数下，在较低温度时需要较长的加工时间才能使橡胶沥青粘度达到最大值，而在较高温度时能在较短的加工时间内达到粘度最大值。分析认为这是因为提高温度有利于橡胶颗粒的溶胀，并加快胶粉的溶胀速度，从而使橡胶沥青粘度迅速达到最大值。但是如果高温加工时间过长，会加剧橡胶颗粒组分的脱硫和裂解反应，使胶粉失去所具有的弹性性能，最终重新成为具有塑性状态的再生橡胶。
3.3 搅拌时间和胶粉掺量。
3.3.1 搅拌时间和胶粉掺量是影响橡胶沥青性能的另外两个重要因素，之所以把它们放在一块研究原因有两点：一是从聚合物改性沥青的反应机理考虑；二是参考国内外对SBS改性沥青的研究。试验选取0.5h、1.0h、1.5h、2.0h四个搅拌时间，6%、12%、17.6%、22%、28%五个胶粉掺量（外掺），搅拌温度为180℃，搅拌方式采用高速搅拌（2500r/min），各指标试验结果如表6所示。
3.3.2 从表5的结果分析可知：
（1）对于每种胶粉掺量，随着搅拌时间的延长，25℃针入度、弹性恢复逐点增大，软化点和粘度逐点减小。分析认为这是因为当胶粉与基质沥青刚开始作用时，胶粉吸收沥青中的轻质油分使基质沥青变稠，随着反应时间的延长，在高温情况下，胶粉开始产生脱硫反应，向塑状转变，沥青的粘度减小，并逐渐变软。
（2）随着胶粉掺量的增加，除25℃针入度外，橡胶沥青的其他指标都有增大的趋势。分析认为这是因为高的胶粉掺量使沥青具有更好的弹性。对于25℃针入度而言，当加入的胶粉量较低时，针入度间的差别较为明显，但在掺量为17.6%至28%时的差别不大，说明胶粉和沥青组成的两相体系在掺量较低时主要显示出基质沥青的一些性能，随着掺量的增大则更多的表现出胶粉的性能。
（3）在胶粉掺量<17.6%，PI与5℃延度随搅拌时间的延长先增大后减小，在胶粉掺量>17.6%时，随搅拌时间的延长而增大。分析认为这是因为，在低胶粉掺量时，当胶粉溶胀占据主导地位时，橡胶沥青性能有向着橡胶性能发展的趋势，因此其感温性随时间延长而增大；当溶胀发展到一定程度后，脱硫和裂解过程会加速发展，分别导致胶粉颗粒崩裂和分子量降低，因此其感温性和随时间延长而降低；在胶粉掺量较高时，例如掺量为28%，其感温性在两个小时的搅拌时间内一直处于增大状态，分析认为过大的胶粉掺量使橡胶沥青的稠度非常大，破坏了两者所构成的以胶粉为分散相和以基质沥青为分散介质的体系。
4. 结语
生产工艺参数对橡胶沥青的性能有较大影响，通过不同工艺参数对橡胶沥青性能的研究可以得出如下结论：
（1）在几种搅拌方式中，高速搅拌可以加速胶粉溶胀与分散，且能防止裂解和脱硫，生产的橡胶沥青性能最好；高速剪切生产的性能最差。
（2）较高或较低的温度都不利于橡胶沥青的生产，较低的温度会使胶粉溶胀和分散效果欠佳，而过高的温度会使沥青和胶粉产生老化，在180～200℃生产的橡胶沥青性能较好。
（3）较大的胶粉掺量有利于橡胶沥青的高低温性能，但是增大胶粉掺量会造成橡胶沥青感温性增大。为了保证橡胶沥青的高温性能，建议采用搅拌时间0.5h～1h。
（4）橡胶沥青的性能影响因素中，搅拌时间与胶粉掺量是最关键的因素，搅拌温度次之，搅拌方式影响不大。
参考文献
[1] 王旭东，李美江，路凯冀.橡胶沥青及混凝土应用成套技术[M].北京：人民交通出版社， 2008.
[2] 覃淑媛.橡胶沥青研究报告，同济大学道路与交通工程学报1983.7.
[3] M. A. Abderahman， Ph.D Dissertrtion， University of Illinois， 1996.
[4] L. F. M. Leite， B. G. Soares， Interaction of Asphalt with Ground Tire Rubber， Petroleum Science and Technology， 17（9&10）， 1071～1088， 1999.
[5] G. R. Morison， S. A. M. Hesp， Journal of Materials Science， 30， 2584， 1995.
[6] 交通部公路科学研究院.橡胶沥青混合料设计施工技术指南[M].北京：人民交通出版社，2008.
[7] 孙雪伟，唐颂，王建军，陈候杰.橡胶沥青低温延度影响因素研究与分析[J].中外公路，2010，30（5）：310～313.
[8] 黄敦颧， 王旭东.橡胶粉在沥青混凝土中的应用[J].西安公路交通大学学报.2001.10.
[文章编号]1006-7619（2014）03-18-128
[作者简介] 邓烨，男，职称：工程师，工作单位：贵州路桥集团有限公司。
张德欧（1980.02-），男，职称：工程师，工作单位：贵州陆通公路工程监理有限责任公司。