废胶粉改性沥青抗老化性能的研究

魏宏

（天津城建设计院有限公司，天津市300121）

0 引言

随着交通量的迅速增大，车辆大型化、荷载增大，沥青路面面临严峻的考验。使用普通沥青铺设的路面容易出现老化。使用早期会出现车辙、坑槽等多种破坏现象，降低了沥青路面的使用寿命。为了克服普通沥青抗老化性能的不足，沥青改性受到人们普遍的重视。掺入改性剂改善沥青性能的这种方法由来已久，视为世界公害的废橡胶轮胎作为沥青的改性剂在多个国家得到广泛应用。这种方法既能够保护环境又能改善沥青路面的性能。

1 沥青的老化

1.1 老化机理

沥青路面在使用过程中受到空气、气温、降水、交通等多因素的综合作用，产生一系列的物理和化学变化，综合性能逐渐衰减，变得脆硬老化，实质是沥青混合料发生了老化。依据沥青原样和老化时组成与结构的变化，认为沥青老化其实是一个缓慢的自氧化的过程。在温度或空气的作用下，沥青吸入氧发生氧化反应，氧会将沥青中的轻质组分脱出，沥青发生脱氢反应，分子间形成不饱和键，进一步导致聚合反应的发生，生成更高分子量的物质。沥青老化时间越长，老化程度会越深，严重影响使用性能。

1.2 抗老化评价指标

沥青老化过程中，沥青的化学组成发生很大变化，同时它的物理性能也会发生改变，常规的指标有软化点、针入度和延度。

1.2.1 软化点

软化点是指沥青试件受热软化而下垂时的温度，它反映沥青的温度敏感度和粘度。一般认为，沥青的软化点越高，则温度稳定性和热稳定性越好，也就是说受温度影响的敏感性越小[1]。

1.2.2 针入度

针入度是评价沥青软硬程度和稠度、抗剪切破坏能力的重要指标之一。针入度是在规定条件下，标准针自由贯入到沥青中的深度，一般以0.1 mm为单位。针入度越大说明沥青的粘性越差，反之粘性越好。

1.2.3 延度

延度是反映沥青塑性和柔韧性的主要指标，延度越大说明沥青的柔韧性和塑性越好。在低温条件下如果沥青的延度越大，则沥青的低温抗裂性能越强[2]。沥青的延度通常与其自身的粘度和组分有关，一般来说，沥青含蜡量低则延度大，粘结性、耐久性、抗老化性能较好；反之含蜡量高，则粘结性、耐久性和抗老化性能较差。

2 实验方案

试验采用国产70#、盘锦90#、辽河AH-110#三种沥青作为基准材料，废胶粉是用天津某胶粉厂生产的轮胎粉经过粉碎、分离、脱硫等工序制成的。试验时，将40目、60目、80目、100目、120目5种不同粒径的废胶粉颗粒分别以3%、6%、9%、12%、15%的掺量掺入到三种基准沥青质中，每种沥青质制作25组不同的改性沥青。将每组不同的改性沥青进行老化试验，即每组取50 g试样放入56 mm×25 mm的老化杯中，然后将老化杯置于旋转沥青薄膜烘箱内进行强制老化，烘箱温度调至165℃，转盘转速为5.5 rad/min，待6 h后对老化的沥青材料测其针入度、延度、软化点，分析不同粒径、不同掺量的废胶粉配制的改性沥青的抗老化性能。

3 废胶粉对改性沥青抗老化性能的研究

3.1 废胶粉对改性沥青软化点的影响

测定的改性沥青软化点的试验结果如图1～图3所示。

图1 胶沥比对国产70#改性沥青软化点的影响曲线图

图2 胶沥比对盘锦90#改性沥青软化点的影响曲线图

图3 胶沥比对辽河AH-110#改性沥青软化点的影响曲线图

根据所测得的软化点的试验结果可以看出，当废胶粉的粒径相同时，软化点随着废胶粉掺量的增加有明显升高的趋势。而当胶沥比一定时，软化点在废胶粉掺量较小时没有明显变化，但是随着废胶粉掺量的增加，以及粒径的减小软化点逐渐升高。这说明，粒径较小的废胶粉能够明显提高改性沥青的软化点，改性效果优于粒径大的废胶粉。出现这种现象的原因是：在一定温度条件下，沥青中加入废胶粉后，对废胶粉颗粒而言沥青中的饱和烃起到完全溶胀作用，芳香烃和胶质起到部分溶胀作用，使得废胶粉颗粒的体积发生膨胀[2]。同时，在一定的搅拌作用下，分散在沥青中的废胶粉颗粒因其粒径小表面能高，使得废胶粉的吸附能力增强，颗粒越小该溶胀作用越明显[3]。随着废胶粉颗粒体积的增大，微粒间距离的缩短，分子间的相互作用力会增大，颗粒之间相互搭接形成具有较好弹性、塑性和延展性的网状结构，所以，随着废胶粉含量的增加软化点会升高[4]。因此，废胶粉的添加对沥青有改性的作用，能够改善沥青的高温性能和低温性能。在此过程中，较小粒径的颗粒明显比颗粒较大的废胶粉更能够促进网状结构的形成，所以较小粒径的废胶粉对沥青的改性效果更好。

3.2 废胶粉对改性沥青针入度的影响

该项试验中75组沥青试样的针入度试验数据如图4～图6所示。

图4 胶沥比对国产70#改性沥青针入度的影响曲线图

图5 胶沥比对盘锦90#改性沥青针入度的影响曲线图

图6 胶沥比对辽河AH-110#改性沥青针入度的影响曲线图

由图4～图6可以看出，随着废胶粉掺入量的增多，不同粒径改性沥青的针入度都有不同程度的降低，说明废胶粉在一定程度上可以降低改性沥青的针入度。这是因为改性沥青中加入废胶粉可以吸附沥青中的某些组分，沥青中的油分和蜡经过渗透、扩散进入橡胶粉的结构中，从而使废胶粉发生溶胀，有效地降低了游离蜡的含量，沥青的组分也从溶胶结构转变为溶-凝胶结构，改性沥青的稠度也随之提高[3]。同时，由图4～图6还可以看出，在相同胶沥比时，废胶粉的颗粒越细改性效应越明显，针入度的降低也就越明显。

3.3 废胶粉对改性沥青延度的影响

在进行延度试验分析时，分别在15℃和5℃两种情况下对不同粒径、不同胶沥比的改性沥青的延度进行了测定。试验结果如图7～图12所示。

图7 胶沥比对国产70#改性沥青15℃延度的影响曲线图

图8 胶沥比对国产70#改性沥青5℃延度的影响曲线图

图9 胶沥比对盘锦90#改性沥青15℃延度的影响曲线图

图10 胶沥比对盘锦90#改性沥青5℃延度的影响曲线图

图11 胶沥比对辽河AH-110#改性沥青15℃延度的影响曲线图

图12 胶沥比对辽河AH-110#改性沥青5℃延度的影响曲线图

从上面的试验数据可以看出，掺入废胶粉的改性沥青与基质沥青相比，15℃的延度相对较小，而5℃的延度相对较高。这是因为，废胶粉作为改性剂主要改善沥青低温下的弹性，当温度高时，废胶粉的弹性不能充分发挥出来，低温下废胶粉有一定的柔韧性，变形能力比沥青要强，沥青的延度主要靠废胶粉的延度决定，所以提高了低温延度。因此，5℃的延度比15℃的延度更适合用于评价改性沥青的低温抗裂性[4]。从试验结果还可以看出，添加了废胶粉的改性沥青5℃的延度比基质沥青的延度要高，说明改性沥青的低温抗裂性能可以改善。

从上面的试验数据还可以看出，随着废胶粉掺入量的增加，不同粒径的改性沥青延度曲线都呈现出先平缓升高后下降的趋势。这是因为随着废胶粉颗粒的逐渐增加，改性剂的弹性作用逐渐发挥出来，但是废胶粉的掺入量不是越多越好，而是存在一个最佳值。超过这个最佳值后，部分废胶粉会在沥青中形成不能分散的胶粉小团使得胶粉团内部的胶粉颗粒几乎没有结合力，不能与沥青质充分结合和接触，降低了废胶粉的粘结力。当胶粉团越来越多时，自然会降低沥青的延度。因此，在使用废胶粉作为改性剂时不是量越多越好，而要依据试验确定最佳胶沥比，才能使得废胶粉发挥最大的改性作用。在该项试验结果中发现，粒径较大的废胶粉最佳胶沥比范围在0.11～0.13，100目和120目废胶粉的最佳胶沥比范围在0.09～0.11。

最后还发现，在胶沥比相同的条件下，粒径较小的废胶粉比粒径较大的废胶粉更能够提高沥青延度，这说明粒径较小的废胶粉比粒径大的废胶粉对沥青的改性效果要明显。这是因为废胶粉颗粒越细，废胶粉越能够分散、渗透进沥青中，促进分子之间的接触，形成具有弹性的空间网状结构，产生较好的改性效应。

4 结语

通过添加废胶粉研究对沥青的改性效果试验，可以得出以下结论：

（1）废胶粉对改善沥青的抗老化性能具有明显的效果，而且随着废胶粉粒径的减小效果越明显。

（2）废胶粉的掺入能够提高沥青的软化点降低针入度，延度在15℃减小而在5℃增大，能够改善沥青的低温性能。

（3）虽然掺入废胶粉能够改善沥青的性能，但是废胶粉的掺入量不是越多越好，而是存在一个最佳值，超过这个最佳值反而会起到负面效果。同时，这个最佳值的范围和废胶粉颗粒粒径的大小有关，在试验中粒径较大的废胶粉最佳胶沥比范围在0.11～0.13，100目和120目废胶粉的最佳胶沥比范围在0.09～0.11。

[1]延西利.沥青混合料强度形成机理研究[J].西安公路学院学报.1994,(2):21-24.

[2]Tunnicliff D G,Root R E.Antistripping additives in asphalt concrete State-of the-Art1981.Journal of Association of Asphalt Paving Technologists.1982，（51）:265.

[3]刘凤歧,汤心颐.高分子物理[M].北京：高等教育出版社，2005:112-113.

[4]郝培文,牛长友.丁苯橡胶改性沥青混合料路用性能的研究[J].石油炼制与化工,2003,33(10):5-8.