1. 引言
随着我国道路建设发展迅速，改性沥青的使用范围不断扩大，目前最为普遍的改性沥青是SBS改性沥青，即将热塑性橡胶SBS (一种苯乙烯和丁二烯嵌段共聚物)添加至基质沥青中生产得到SBS改性沥青。SBS的独特结构使得改性沥青在高温下具有更好的抗变形能力，且在低温下保持一定的柔韧性，这种改性沥青在极端温度条件下表现出卓越性能。但由于SBS作为一种成本较高的石油产品，其在推广应用上受到经济成本的限制。
近年来，使用废旧胶粉对沥青进行改性的技术在道路建设中应用十分广泛。该技术通过将回收的废轮胎处理为细粒胶粉，将其作为一种改性剂融入到沥青中，以此实现降低成本和减轻环境压力的目的。此外，该方法还能显著提升沥青的抗老化性能以及在极端温度条件下的性能 [1] [2] ，同时降低道路噪声 [3] 。但胶粉改性沥青是一个复杂的聚合物体系，其性能由多种因素决定。因此，精确优化生产工艺参数对于制备高品质胶粉改性沥青至关重要 [4] [5] 。
胶粉改性沥青常用高速剪切法制备，高速剪切法是先将胶粉和基质沥青加入搅拌罐中搅拌10~15 min，再送入发育罐充分反应45 min，胶粉和基质沥青经过搅拌混合后，混合料通过胶体磨或高速剪切机进一步研磨并混合均匀。研究表明，增加剪切时间和温度，会促使胶粉在沥青中的吸油和膨胀过程，对改性沥青的高温抗变形性和低温抗裂性都有较好改善效果。但过高的剪切温度和长时间剪切会造成沥青老化和碳化，从而降低胶粉改性沥青使用性能。何立平等 [6] 通过正交试验法得到制备橡胶沥青的最优参数，胶粉掺量为20%~25%，剪切时间30~60 min，以及剪切温度设置在180℃~190℃之间。邹进忠采用了部分分解胶粉工艺制备而成的橡胶沥青，相比常规工艺橡胶沥青，软化点下降1.4%、延度增长56%、粘度下降59%，并不再分层离析 [7] ；熊剑平等基于正交试验研究了不同制备条件下聚辛烯、硫磺在橡胶改性沥青中的作用效果，推荐了橡胶复合改性沥青的掺量和制备工艺 [8] ；曹卫东等研究了硅烷偶联剂水解溶液对橡胶粉的预处理效果，结果表明，硅烷偶联剂对橡胶改性沥青的温度敏感性和储存稳定性有改善效果 [9] ；李波等人研究了不同温度、时间、橡胶粉掺量以及搅拌速率对橡胶沥青黏度的影响，采用布氏黏度、红外光谱(FTIR)、凝胶渗透色谱(GPC)等手段对橡胶沥青粘度以及改性机理进行表征 [10] 。
在剪切法制备改性沥青过程中，剪切温度与时间是两个最为重要的工艺参数 [11] 。根据已有的研究与应用实践可知，在高温和快速剪切环境下，胶粉的溶胀及脱硫速率显著加快，因此，为了增强胶粉改性沥青的高温稳定性，推荐在较低的制备温度下，相应延长制备时间，以达到最优的性能表现。目前，对于解交联胶粉改性沥青(也称微纳化胶粉改性沥青)的剪切工艺研究较少，本研究通过室内试验，研究解交联胶粉改性沥青在不同剪切温度–时间组合下改性沥青的基本性能与规律，推荐合适的加工工艺参数。
2. 原材料与性能
废旧胶粉
基于前期试验研究，本文选用三种不同解交联程度的高粘弹、高效速溶解交联胶粒(粉)，用作生产改性沥青，分别用DCR1 (De-crosslink Crumb Rubber)、DCR2、DCR3表示。选用未解交联的硫化胶粉作为对照，用VCR (Vulcanized Crumb Rubber)表示。根据JT/T 797-2019废胶粉化学组分分析方法，通过热重法对胶粉主要成分进行测定。选取的四种胶粉化学成分组成如表1所示。本研究采用的基质沥青为70#道路石油沥青，其技术指标如表2所示。
Table 1. The main chemical composition of rubber powder
表1. 胶粉主要化学成分
Table 2. Main technical index of base asphalt
表2. 基质沥青主要技术指标
3. 试验方法
本研究探究时–温反应进程对改性沥青基本性能的影响，采用三大指标(软化点、延度、针入度)的变化规律来确定最佳工艺条件。采用高速剪切的方法制备解交联胶粉改性沥青。首先将基质沥青预热至160℃，再向基质沥青中分次缓慢加入胶粉，搅拌10 min；然后采用高速剪切装置对改性沥青进行剪切，将剪切温度分别设置为160℃、180℃和200℃，剪切时间分别设置为45 min、60 min和90 min，剪切速度为4000 r/min；最后将橡胶沥青置于180℃搅拌发育60 min。为减少试验量，各种胶粉掺量均采用18% (占基质沥青的质量分数)，总计36种时–温组合，即制备36种改性沥青。三大指标的测试参照JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行。
4. 试验结果与分析
四种胶粉(DCR1、DCR2、DCR3、VCR)在不同时–温反应进程下制备的改性沥青的软化点变化规律如图1、图2所示。
(a) 45 min(b) 60 min
(c) 90 min
Figure 1. The schematic diagram of softening point variation with temperature
图1. 软化点随温度变化示意图
(a) 160˚C(b) 180˚C
(c) 200˚C
Figure 2. The schematic diagram of softening point variation with time
图2. 软化点随时间变化示意图
图2是四种胶粉改性沥青的软化点在3个剪切温度下随着剪切时间的变化规律。由图2可知，在剪切温度相同时，解交联胶粉改性沥青的软化点随着剪切时间的延长总体趋势是先上升后下降(DCR1除外)；DCR1在温度160℃、180℃时，软化点随着时间的延长呈上升趋势，45~60 min软化点提升幅度较大，但在60~90 min的软化点提升幅度不明显，说明剪切时间处于60~90 min对于改性沥青的高温性能提升作用不明显。为达到降本增效的目的，剪切时间可选择60 min。VCR改性沥青的软化点在160℃、180℃随着剪切时间的延长而逐渐增大，但在200℃时随着时间的延长先上升而后下降，因而对于VCR胶粉改性沥青，如制备温度选定为200℃，则剪切时间为60 min比较合适；当然如制备温度为180℃，则制备时间90 min比较合适。
四种胶粉(DCR1、DCR2、DCR3、VCR)在不同时–温反应进程下制备的改性沥青的针入度变化规律如图3、图4所示。
由图3可知，对于DCR系列改性沥青，其针入度随着制备温度从160℃升至200℃呈现先增大后降低的变化规律，尤其在180℃时达到最大值。相反，VCR改性沥青的针入度随剪切温度升高而逐渐增加，在200℃时达到最大值。这一结果反映了沥青在不同温度下的物理和化学性质变化。初期，剪切温度升高，沥青中轻质组分活跃，导致制得的沥青变软，流动性增加，针入度增大；当剪切温度超过180℃时，沥青中轻质组分蒸发以及化学结构变化使得流动性降低，从而导致针入度的增加幅度减小抑或针入度减小。与此同时，VCR改性沥青在高温条件下显示出更大的黏稠度。
图4是四种胶粉改性沥青的针入度在3个剪切温度下随着剪切时间的变化规律。剪切温度为160℃、180℃时，三种DCR改性沥青的针入度比VCR改性沥青大，剪切温度为200℃时低于VCR改性沥青。DCR改性沥青在较低的剪切温度下可能具有更好的热稳定性，也可能是DCR中的组分能更有效地降低沥青粘度，提高其流动性。当剪切温度固定为160℃时，四种胶粉改性沥青的针入度随着剪切时间增加，针入度先升高后略有下降。当剪切温度为180℃、200℃时，随着剪切时间增长，DCR1、DCR2、VCR针入度随着剪切时间延长，针入度先增加后减小，DCR3的针入度随剪切时间增加而一直增大。这可能表明DCR3具有更好的耐热性或者在剪切过程中能够更稳定地保持其结构不被破坏，从而使得针入度随剪切时间的增长而持续增大。
(a) 45 min(b) 60 min
(c) 90 min
Figure 3. The schematic diagram of penetration variation with time
图3. 针入度随温度变化示意图
(a) 160˚C(b) 180˚C
(c) 200˚C
Figure 4. The schematic diagram of penetration variation with time
图4. 针入度随时间变化示意图
四种胶粉(DCR1、DCR2、DCR3、VCR)在不同时–温反应进程下制备的改性沥青的延度变化规律如图5、图6所示。
根据图5中所示数据，得到四种胶粉(DCR1-3和VCR)改性沥青在不同剪切时间下延度随剪切温度变化的规律。对于DCR系列改性沥青，在固定剪切时间下，延度总体上随着剪切温度的增加呈现出先升高后降低的趋势，(剪切时间90 min时，DCR3的延度表现为下降趋势)。在180℃的剪切温度下，DCR1、DCR2和DCR3的延度达到最大值，表明该温度下低温性能最优。因此，可认为180℃是解交联胶粉改性沥青的最佳制备温度。
另一方面，硫化胶粉VCR改性沥青的延度随制备温度的升高持续上升，在60 min剪切时间和200℃制备温度下达到峰值，显示出较好的低温性能。这表明对于VCR改性沥青，60 min的剪切时间和约200℃的剪切温度是比较适宜的制备工艺。在比较不同改性沥青的低温性能时，发现DCR1、DCR2改性沥青的性能更加突出。
(a) 45 min(b) 60 min
(c) 90 min
Figure 5. The schematic diagram of ductility variation with temperature
图5. 延度随温度变化示意图
(a) 160˚C(b) 180˚C
(c) 200˚C
Figure 6. The schematic diagram of ductility variation with time
图6. 延度随时间变化示意图
图6是四种胶粉改性沥青的延度在3个剪切温度下随着剪切时间的变化规律。由图6可知，剪切时间45~90 min时，DCR1、DCR2、DCR3、VCR改性沥青的延度均随着剪切时间的延长先增大后减小，在剪切时间为60 min时，四组改性沥青的延度达到最大，说明剪切时间60 min比较适宜，此时各改性沥青的低温性能最好，其中，DCR1、DCR2的低温性能更加优异。
5. 结论
本文对不同时–温反应进程下的解交联胶粉DCR和普通硫化胶粉VCR改性沥青的基本性能进行了评价分析，得出以下结论：
(1) 在剪切时间固定的条件下，DCR改性沥青的性能总体上随着剪切温度的升高呈现先上升后下降的趋势，在180℃时表现最优。相反，VCR改性沥青的性能随着温度的增加而持续增强，在200℃时表现最优。
(2) 在剪切温度固定的条件下，DCR改性沥青的性能总体上随剪切时间增长先升后降，在60 min时达到最优。VCR改性沥青也呈现类似趋势，60 min时性能最优。基于节能减排的原则，剪切时间选择60 min较为合适。
(3) 综上可知，解交联胶粉DCR改性沥青的制备工艺推荐温度180℃、剪切时间60 min；硫化胶粉VCR改性沥青的工艺为200℃、剪切时间60 min。因此，与常规的硫化胶粉改性沥青相比，胶粉解交联后再改性沥青则可使制备温度降低约20℃，这可有效降低改性沥青制备过程中的能耗与排放。