摘 要：为了探究橡胶粉来源及组成对橡胶沥青性能的影响，选用重载卡车轮胎、小轿车轮胎、橡胶鞋底、轮胎胎面和轮胎圈口，采用常温粉碎方法制备5种橡胶粉。通过热重分析方法对5种橡胶粉的成分进行分析，得出各橡胶粉中主要成分及含量。采用甲苯可溶物含量试验，分析橡胶粉在沥青中的降解程度。在此基础上，分别采用弹性恢复试验、动态剪切流变仪(DSR)、低温弯曲梁流变仪(BBR)和测力延度仪对5种橡胶沥青的弹性恢复率、高低温流变性和低温抗裂性能进行评价。研究结果表明：不同来源的胶粉具有不同的成分，轮胎和鞋底橡胶主要包含炭黑和硫化橡胶，硫化橡胶中天然橡胶和合成橡胶的比例存在明显差异；在高温剪切条件下，5种橡胶的甲苯可溶物含量(质量分数，下同)均大于39％，表明橡胶粉在沥青中均存在不同程度的降解行为；由天然橡胶制成的鞋底橡胶粉改性沥青的甲苯可溶物含量为50.97％，明显高于其他几种橡胶沥青；重载卡车轮胎胶粉的甲苯可溶物含量高于小轿车轮胎胶粉，轮胎圈口胶粉的甲苯可溶物含量最低，其在沥青中的解聚过程最微弱；轮胎中的胎圈胶属于硬质胶，其制备的橡胶沥青的弹性恢复性能明显低于其他软质橡胶，重载卡车轮胎胶粉改性沥青的高低温流变性能改善效果最为明显。橡胶粉在沥青中的解聚和溶胀程度共同影响橡胶沥青的性能。

关键词：道路工程 | 胶粉来源 | 橡胶沥青 | 降解行为 | 沥青性能

引言

橡胶沥青路面具有良好的高温稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性能，由于使用废旧轮胎等废弃材料，不但能够降低筑路成本，而且能够有效减少“黑色”环境污染[1-3]。回收的废旧轮胎按类型主要可以分为重载卡车轮胎和小轿车轮胎，目前应用于橡胶沥青中的橡胶粉主要由重载卡车轮胎制备。不同来源的橡胶粉具有不同的化学组成，废旧橡胶粉的化学成分一般包括天然橡胶(NR)、合成橡胶(丁苯橡胶SBR、顺丁橡胶BR)、可塑剂、碳黑及灰分等，其中NR含量对橡胶沥青的性质影响最大[4]。一般认为，增加NR含量，可以加快沥青与橡胶的反应速度，增加橡胶沥青的黏附性。此外，合成橡胶中SBR的物理机械性能和使用性能接近于NR，有些性能(如耐磨、耐热、耐老化及硫化速度)比NR更为优良；BR具有弹性好、耐磨性强、耐低温性能好等优点。有研究表明：NR更易与沥青发生相互作用而形成交联网络结构，并且在相同时间内NR的溶胀程度更高。因此，制备橡胶沥青时应选取NR含量高的橡胶粉对沥青进行改性[5]。 

废旧胶粉的技术特性对橡胶沥青的性能具有重要影响。张宏雷通过溶胀试验分析了载重卡车轮胎橡胶与轿车轮胎橡胶的溶胀行为，结果表明，轿车轮胎橡胶与沥青相互作用缓慢，载重卡车轮胎橡胶与沥青的相互作用迅速[6]。何兆益等研究发现，斜交胎胶粉的改性效果优于子午胎胶粉[7]。王笑风等研究表明，货车轮胎胶粉改性效果优于轿车轮胎胶粉，原因是货车轮胎含有更多的天然橡胶[8]。张继飞等采用机械力化学双螺杆挤出法处理轿车轮胎胶粉，经过加工之后的胶粉具有脱硫程度高、与沥青反应快、改性效果良好等优点[9]。Liu等采用4种不同来源的橡胶粉(轮胎胎面胶粉、重型卡车轮胎胶粉、小型卡车轮胎胶粉和农用车轮胎胶粉)，对不同粒径和胶粉含量的橡胶沥青性能指标进行评价，结果表明，胶粉掺量是影响橡胶沥青性能的主要因素，其次是胶粉类型，胶粉粒径影响最小[10]。姜峰采用废旧橡胶鞋底胶粉对沥青进行改性，结果表明，其对沥青有明显的改性效果[11]。孙增智等通过老化前后不同橡胶粉对橡胶沥青路用性能的影响进行分析，指出橡胶粉种类和掺量对改性沥青路用性能的改善效果具有显著的差异，橡胶粉中的天然胶含量对其改性效果具有显著影响[5]。Tur Rasool等采用常温粉碎法制备大卡车轮胎橡胶粉(天然橡胶含量65％，合成橡胶含量35％，均为质量分数，下同)和轿车轮胎橡胶粉(天然橡胶含量35％，合成橡胶含量65％)，并采用双螺杆挤出设备将2种胶粉在220℃、260℃和300℃条件下进行脱硫降解，研究指出，在相同温度下，天然橡胶比合成橡胶更易发生降解，且天然橡胶和沥青能够更好地溶胀[12]。

Ghavibazoo等的研究表明，在高温条件下，橡胶粉的种类对其在沥青中的降解程度有着重要的影响，卡车轮胎的胶粉比卡车和轿车轮胎掺混的胶粉的脱硫降解程度更高[13]。MA等对脱硫胶粉与未脱硫胶粉制备的橡胶沥青和沥青混合料的性能进行了研究，结果表明，脱硫胶粉制备的橡胶沥青黏度更低，储存稳定性更好，脱硫橡胶沥青混合料的性能类似于SBS改性沥青混合料[14]。

综上可知，橡胶粉种类和来源对橡胶沥青的性能有重要的影响，重载卡车轮胎胶粉中由于天然橡胶含量较高，能与沥青较好溶胀，且在高温下比合成橡胶更容易降解，因此，其改性效果优于轿车轮胎胶粉。目前，不同来源的橡胶粉的成分不明确，不同橡胶粉在沥青中的降解程度以及橡胶粉的种类与沥青改性效果之间的关系研究较少。因此，本文采用常温粉碎方法制备重载卡车轮胎(Heavy truck，HT)、轿车轮胎(Sedan tire，ST)、橡胶鞋底(Sole rubber，SR)、轮胎胎面(Tire tread，TT)和轮胎圈口(Tirebead，TB)五种胶粉。采用甲苯可溶物试验对5种胶粉在沥青中降解程度进行分析，在此基础上对5种橡胶沥青的流变性能和低温抗裂性能进行分析。

试验概况

1.1原材料

本研究选用的SK90#沥青,其主要技术指标见表1。各项指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中道路石油沥青Ａ级技术要求。

废旧胶粉为采用常温破碎加工而成，粒径小于0.425mm，其物理指标见表2。

1.2橡胶沥青制备工艺

将基质沥青放入150℃烘箱中，加热至沥青完全液化后取出；将沥青置于搅拌机下，调整转速至300r/min，均匀加入胶粉(胶粉掺量为沥青质量的20％，质量分数，下同)，搅拌30min至完全分散，期间温度保持在190℃左右；在190℃、4000r/min的条件下进行沥青的高速剪切70min，期间保持温度不变；剪切完成后，在180℃下继续搅拌发育60min。

1.3橡胶粉热重试验

根据《橡胶和橡胶制品热重分析法—测定硫化胶和未硫化胶的成分》(GB/T14837)中对胶粉成分的测定方法，称取一定量的胶粉放入热重分析仪中，在氮气氛围下以10℃/min的速率将炉温升至300℃，并在300℃恒温10min，然后以20℃/min的速率将炉温升至550℃，并恒温15min至基线平直；然后将温度降至300℃后炉内通入氧气，以20℃/min将炉温升至850℃，恒温至基线平直。挥发性组份CH、有机质CO、炭黑CC、灰分含量CA计算如下

1.4橡胶沥青甲苯可溶物含量试验

采用甲苯溶液对橡胶沥青进行溶解，得到不溶于甲苯的胶粉，通过计算甲苯可溶物含量Q，分析橡胶沥青中胶粉的降解行为。具体步骤如下：称取少量橡胶沥青溶于甲苯溶液，当沥青充分溶解后过0.075mm纱网，然后将用纱网包裹的胶粉放入沥青抽提仪(图1)，抽提到滤液无色为止，然后将冲洗干净的胶粉放入真空干燥箱中干燥至恒重，记录其质量M1。每种橡胶沥青进行3组平行试验，甲苯可溶物含量Q计算式为

1.5弹性恢复试验

采用规范[15]中T0662－2000沥青弹性恢复试验对橡胶沥青的弹性恢复能力进行评价。

1.6橡胶沥青高低温流变试验

采用规范[15]中T0628-2011沥青动态剪切流变仪(DSR)法和T0627-2011沥青弯曲蠕变劲度试验(BBR)对沥青的高低温流变性质进行评价。 

DSR试样采用25mm平行板，厚度1mm，采取应变控制模式时，应变值γ＝8％，频率ω＝10rad/s，在58℃~82℃范围内进行温度扫描试验。BBR试样制备成标准小梁试件，在试验温度下(-12℃、-18℃和-24℃)保温4h后，施加恒定为980±50mN的荷载，以60s所对应的蠕变劲度S及其随时间的变化率m来评价沥青的低温流变性能。

1.7低温测力延度试验

测力延度仪采用LYY-10A调温调速沥青延伸度测定仪，数据由计算机系统自动采集。采用8字形普通延度试模，拉伸速度为5cm/min，温度为5℃。橡胶沥青典型荷载-延伸度曲线如图2所示，其中，F1为延度达到D1时出现的峰值力，D2为橡胶沥青断裂时的延伸度，曲线所包络的面积定义为橡胶沥青的黏韧性面积W，单位N·mm。

结果与讨论

2.1橡胶粉成分分析

通过计算得出胶粉中的总有机物含量、挥发性组分含量、炭黑含量及灰分含量，橡胶烃含量为总有机物含量减去丙酮提取物含量，其结果见图3和表3。

橡胶制品中橡胶用树脂、游离硫、增塑剂、加工助剂、矿物油或石蜡、可溶于丙酮的防老化剂、有机促进剂、其分解产物、脂肪酸等物质，在加热条件下可利用丙酮热抽出，从而定量分析胶粉中丙酮提取物含量。从表3可以看出，ST的丙酮提取物含量最大，这是由于轿车轮胎需要有较好的弹性来满足行车舒适性的要求，而重载卡车轮胎需要有较好的耐磨性和抗压性，故在轮胎制作过程中橡胶助剂的掺量不同。炭黑是轮胎工业中重要的填充物，对橡胶的性能有重要的作用。炭黑与烃类聚合物有较好的相容性，在橡胶类聚合物中分散较好。有研究表明，炭黑可以改善沥青的高温稳定性及黏附性等路用性能[16]。从表3可以看出，5种胶粉的炭黑含量基本在30％左右，其中SR中的炭黑含量最高，TT中的炭黑含量最低。

橡胶烃含量为胶粉中硫化胶的总量。从表3可以看出，TT的橡胶烃含量最高，而ST中的橡胶烃含量最低。重载卡车轮胎中天然橡胶含量较高，约占轮胎橡胶总量的65％，而轿车多为半钢子午线轮胎，主要成分为合成橡胶(约占轮胎橡胶总量的65％)[17]。鞋底胶中一般可能包含NR、BR和SBR[18]，不同鞋底的胶含量差异较大，本文所采用的鞋底胶主要为NR。轮胎胎圈是使轮胎固定在轮辋之上的重要部件，如果胎圈胶与胎圈钢丝的粘合力不高，易造成胎圈钢丝松散而使轮胎爆裂，发生安全事故，因此在胎圈胶中一般会添加粘合树脂[19]，并使用较大用量的炭黑，因此，圈口处胶粉硬度较高。胎面胶需具备优异的抗湿滑性能、耐磨性能以及低的滚动阻力，轿车胎面胶主要为天然橡胶和合成橡胶[20]。

2.2橡胶沥青中甲苯可溶物含量

研究表明[21-22]：橡胶粉与沥青既有物理共混又有化学反应，橡胶沥青在高温和高速剪切过程中发生解聚和脱硫，胶粉颗粒会被剪切变小，橡胶分子在沥青中发生断链降解，并释放出小分子物质溶于沥青组分而发挥改性作用[23]；与此同时，沥青中的轻组进入橡胶颗粒中溶胀，降低沥青中的蜡含量。从图4可以得出，由于天然胶含量较高，重载卡车轮胎胶粉的甲苯可溶物含量略高于轿车轮胎胶粉，而天然胶含量最高的SR的甲苯可溶物含量为50.97％。由于添加剂和炭黑用量的增加，圈口胶粉的质量损失率最低，其在沥青中的解聚过程最为微弱。从试验结果还可以看出，橡胶沥青在经过剪切后，因各胶粉成分不同，其降解程度存在较大差异，导致橡胶沥青的各项性能指标不一。5种胶粉中质量损失率最小的是轮胎胎圈胶粉，但也达到39.77％，可见在该剪切温度下胶粉已经开始出现降解过程。

为了进一步验证胶粉与沥青的交互作用，采用扫描电子显微镜(SEM)对胶粉颗粒在溶胀前后的外观进行拍照，见图5。通过图5(a)可以看出，胶粉颗粒表面较为粗糙，且有较多孔洞结构，这有助于胶粉与沥青发生溶胀。从图5(b)可以看出，抽提后胶粉表面变得相对光滑，表面的孔洞结构明显减少，进一步说明高温条件下胶粉在沥青中会发生降解行为。

2.3橡胶沥青弹性恢复率

图6为橡胶沥青弹性恢复率试验结果。从图6可以看出，除TB橡胶沥青，其他4种橡胶沥青的弹性恢复率均大于80％，且其差异较小。这是由于胶粉的弹性远大于沥青，在拉伸过程中，胶粉与沥青同时发生形变，在恢复过程中，胶粉具有较大的弹性使得橡胶沥青发生回弹。TB改性沥青的弹性恢复率明显小于其他橡胶沥青，这可能是由于其属于硬质橡胶，在拉伸过程中，沥青对胶粉的拉伸带动较小，即胶粉的形变本身较小，因此在恢复过程中其回弹能力较弱，导致橡胶沥青弹性恢复率较小。虽然SR在沥青中的降解程度较大，但其与沥青发生溶胀较好，因此其弹性恢复性能也较优异，但还是低于其他3种橡胶沥青。HT的甲苯可溶物含量与ST和TT相当，但其与沥青的溶胀更充分[24]，因此其弹性恢复能力最优。

2.4动态剪切流变试验

车辙因子(G＊/sin(δ))表征沥青抵抗高温永久变形的能力，其值越大越有利于沥青的弹性恢复，沥青抗车辙性能越好。图7为橡胶沥青车辙因子随温度变化。由图7可知，从58℃到82℃所有橡胶沥青的车辙因子下降明显，当温度达到76℃时，5种橡胶沥青的车辙因子之间的差距显著减小，说明橡胶沥青的黏弹性在该温度范围内明显改变。从图7还可以得出，HT的高温性能高于其他几种橡胶沥青，其在沥青中能够充分溶胀，因此车辙因子较大。而SR改性橡胶沥青的车辙因子最小，可见胶粉的解聚将会使橡胶沥青的抗高温永久变形能力减小。

2.5BBR低温蠕变试验

具有较小劲度模量S和较大蠕变速率ｍ值的粘合剂的低温抗裂性良好。图8为温度对低温蠕变试验结果影响。从图8可以看出，当温度高于-18℃时，5种橡胶沥青的劲度模量相差不大，当温度达到-24℃时，5种橡胶沥青的劲度模量差别明显增加，在该温度下S值从大到小依次为TB、ST、TT、SR、HT，可见橡胶的降解和溶胀过程对橡胶沥青的低温流变性能有显著的影响。

2.6测力延度试验

图9为橡胶沥青测力延度。从图9可知，SR橡胶沥青的延度明显高于其他4种橡胶沥青的延度，HT、ST、TT和TB的延度差别较小，这可能是由于SR橡胶沥青中的胶粉发生降解。有研究表明，延度指标并不能很好反映橡胶沥青的低温延展性能[25]。橡胶沥青由于胶粉的存在，在低温时仍具有较高的弹性，当受到外力作用时可产生高度的应力集中，诱发大量的银纹和剪切带，其能抵消大量的能量。因此，可以提高橡胶沥青的冲击强度和可塑性，而较大的胶粉颗粒能够防止单个银纹的生长和断裂，使其不至于很快发展为破坏性裂纹，从而改善沥青的低温柔性[21，26]。从最大屈服应力结果可以看出，5种橡胶沥青差异较为明显，其中HT最大屈服应力最大，SR最小。图10为橡胶沥青黏韧性。从图10可知，HT的黏韧性最大，TB次之。从甲苯可溶物试验结果可以看出，由于鞋底胶的解聚反应剧烈，解聚后的橡胶分子变为小分子链[24]，这将导致SR的延度增大，延长其屈服过程，因此其黏韧性也较大。 

结语

(1)不同来源的胶粉具有不同的成分，轮胎和鞋底橡胶主要由炭黑和硫化橡胶组成。硫化胶中天然橡胶和合成橡胶的比例存在明显差异。根据甲苯可溶物含量试验可以得出，在高温剪切条件下，5种橡胶粉均存在较为明显的降解行为，重载卡车轮胎胶粉的甲苯可溶物含量略高于轿车轮胎胶粉，而天然胶含量最高的SR甲苯可溶物含量为50.97％，圈口胶粉的质量损失率最低，其在沥青中的解聚过程最为微弱。

(2)轮胎中的胎圈胶属于硬质胶，其制备的橡胶沥青的弹性恢复性能明显低于其他软质橡胶粉制备的橡胶沥青。SR橡胶沥青由于胶粉降解程度较大，因此其弹性恢复能力小于其他3种橡胶沥青。HT橡胶沥青由于溶胀充分，其弹性恢复能力最优。 

(3)根据动态剪切流变试验，重载卡车轮胎胶粉改性沥青的高温性能明显高于其他几种橡胶沥青，而鞋底胶改性橡胶沥青的车辙因子最小，胶粉的解聚使橡胶沥青的抗高温永久变形能力减小。从测力延度和BBR试验可以得出，重载卡车轮胎胶粉对沥青的低温流变性能改善效果最佳。

(4)本文针对不同来源橡胶粉对橡胶沥青的流变性能、弹性恢复性能和低温测力性能进行了研究。下一步将对其储存稳定性、黏温特性和老化性能等进行研究，以全面掌握不同来源橡胶粉对橡胶沥青性能的影响规律。