橡胶沥青调和再生沥青的性能分析与效益评估

2022-06-27王伟

交通节能与环保 2022年3期

王伟

（北京城建华晟交通建设有限公司，北京 100444）

0 引言

橡胶沥青采用废旧轮胎胶粉制备，可以有效地利用废旧轮胎，是一种环保型路面材料，在一定程度上解决了废旧轮胎的处理与利用问题。橡胶沥青是通过一定的生产工艺将由废旧轮胎制备的橡胶粉加入沥青当中，形成一种以橡胶粉为改性剂的改性沥青，可广泛应用于沥青混合料、应力吸收层等[1-3]。橡胶沥青在使用及性能方面也积累了较多研究成果，王伟明等[4]通过对不同胶粉掺量、不同静置存放时间、脱硫外掺剂等三大指标，弹性恢复、旋转黏度等性能指标进行研究，得出胶粉掺量、静置时间与静置温度对橡胶沥青的性能有较大影响，脱硫后性能更佳。覃保盛[5]将采购的稳定型橡胶沥青和试验室制备的胶粉与基质沥青和SBS改性沥青进行对比，通过旋转黏度试验与动态剪切流变仪试验评价橡胶沥青的粘温性能和疲劳性能，发现在温度稳定性和疲劳性能方面，橡胶沥青稳定性均大于胶粉改性沥青和SBS改性沥青。Wang等[6]研究发现橡胶沥青的弹性恢复、抗老化性能方面较脱硫改性沥青更好，而储存稳定性、低温性能方面反之。Yang等[7]将胶粉采用微波激活橡胶改性沥青，发现微波激活降低了橡胶改性沥青的应力敏感性。

沥青路面再生技术可以充分地利用原路面沥青混合料回收料（Reclaimed asphalt pavement，RAP），有效解决了RAP堆放问题，具有良好的经济与环境效益。目前，再生沥青混合料研究有较多的研究成果。仰建岗等[8]研究了不同工况下的再生沥青混合料马歇尔指标变化规律，发现碾压温度的影响程度最高。陈晨等[9]研究发现RAP掺量将降低再生沥青混合料水稳定性。熊颖等[10]从经济性及性能可控性角度发现再生剂用量在合理范围时，再生沥青混合料总体性能较优。Gao等[11]结合实际工程，研究了再生沥青混合料应用过程中多来源RAP变异性的控制方法。

1 试验方案

1.1 沥青制备与测试

SBS改性沥青采用4%的SBS改性剂加入基质沥青中，在剪切仪中以3 500 r/min高速剪切45 min，剪切温度为185℃，剪切完成后再保持温度搅拌60 min。普通橡胶沥青所使用的橡胶颗粒是废轮胎颗粒，需要先经过脱硫处理后加入助化剂，使其与沥青在助化剂的催化作用下形成交联的网状结构，使得橡胶沥青与基质沥青混溶，在高温条件下形成高分子聚合状分子结构，形成长期稳定的结构。高性能橡胶沥青是使用20%的稳定型胶粒加入基质沥青中进行加工生产而成，在剪切仪中以3 500 r/min剪切45 min，温度在185℃，剪切完成后再搅拌60 min充分反应。不同沥青的技术指标见表1。

表1 沥青的技术指标Tab.1 Technical indicators of asphalt

1.2 设计试验方案

分别设计0%、30%、50%掺量的老化沥青，老化沥青的技术指标见表2。根据上述老化沥青掺量，分别掺加制备好的SBS改性沥青、普通橡胶沥青、高性能橡胶沥青，搅拌30 min至混合均匀。

表2 老化沥青技术指标Tab.2 Technical index of aged asphalt

1.3 试验方法

分别采用25℃针入度、软化点、5℃延度、135℃黏度试验测试再生沥青的物理性能指标[12]。

（1）25℃针入度

室内温度25℃条件下，采用规定质量100 g或150 g的标准圆锥状钢针，获得在规定时间5 s后贯入沥青试样中的深度。至少进行三次平行试验，有差别较大的数据可以直接剔除，再进行一次平行试验检测，多次测试结果取平均值。

（2）软化点

将制备好的沥青试样、试模、铜套环、钢球和加热管一同放入5℃的恒温水浴箱中浸泡20 min，实验时先将模具套好，在沥青上摆放一个钢球，在套环中卡住，放入水中后启动仪器开始加热，等待水中沥青开始变形，钢球通过沥青掉落接触到底板的瞬间记录下显示器上的温度显示，每种沥青做两组平行试验取平均值。

（3）延度试验

2.1 2组BI、FMA及MAS各项总分比较出院1个月时，2组BI、FMA及MAS各项总分分别与出院时比较均有明显提高(均P<0.05)，且观察组FMA及MAS总分明显优于对照组(均P<0.05)；BI总分2组间比较差异无统计学意义。见表2。

使用延度仪进行测定，将沥青试样制成标准试模，测量在规定的5 cm/min拉伸速度和试验温度25℃下拉断时的沥青试件伸长的长度。采取平行试验方法。

（4）黏度试验

采用旋转黏度试验，选用21#号转子，沥青试样加热到135℃，在圆筒锥状试模中加入8.5 g试样。对普通橡胶沥青以及高性能橡胶沥青试样做实验时，选用了27#号转子，沥青试样加热到180℃，在圆筒锥状试模中加入12.5 g试样。将选定的转子安放在仪器的钩子上，让钩子没过试模中一定的距离，启动仪器，一边加热一边旋转转子，观察显示屏度数变化，等待小数点后两位的数字稳定后可开始读数，每60 s记录一次，连续读数三次，以三次读数的平均值作为实验的最后测定值。

2 结果与讨论

2.1 针入度

不同老化沥青含量的改性SBS沥青、普通橡胶沥青及高性能橡胶沥青调和再生沥青的25℃针入度试验结果如图1所示。

图1 再生沥青针入度指标Fig.1 Penetration index of recycled asphalt

由图1可知，随着老化沥青的比例增加，再生沥青的25℃针入度在逐渐降低。橡胶沥青的针入度比改性SBS沥青的25℃针入度低，且高性能橡胶沥青最低。加入老化沥青后，改性SBS沥青的25℃针入度下降速度比普通橡胶沥青和高性能橡胶沥青更快。

2.2 软化点

不同老化沥青含量的改性SBS沥青、普通橡胶沥青及高性能橡胶沥青调和再生沥青的软化点试验结果如图2所示。

图2 再生沥青软化点指标Fig.2 Softening point index of recycled asphalt

由图2可知，随着加入老化沥青的比例增加，再生沥青的软化点逐渐升高。0%与50%老化沥青掺量下，普通SBS改性沥青的软化点较橡胶沥青低，高性能橡胶沥青的软化点最高。30%老化沥青掺量下的普通橡胶再生沥青的软化点最高。此外，加入老化沥青后，高性能橡胶沥青的软化点增长速度较普通橡胶沥青上升更迅速。

2.3 延度

不同老化沥青含量的改性SBS沥青、普通橡胶沥青及高性能橡胶沥青调和再生沥青的15℃延度试验结果如图3所示。

图3 再生沥青延度指标Fig.3 Ductility index of recycled asphalt

由图3可知，随着老化沥青掺量的增加，再生沥青的15℃延度逐渐降低。橡胶沥青的15℃延度比SBS改性沥青低，高性能橡胶沥青的15℃延度最低。此外，加入老化沥青后，SBS改性沥青的15℃延度下降速度比普通橡胶沥青和高性能橡胶沥青的下降速度更快。老化沥青的掺量对沥青延度的影响很大，并且随着老化沥青掺量的增加，15℃延度会急剧降低。

2.4 黏度

不同老化沥青含量的改性SBS沥青、普通橡胶沥青及高性能橡胶沥青调和再生沥青的135℃黏度试验结果如图4所示。

图4 再生沥青黏度指标Fig.4 Viscosity index of recycled asphalt

随着老化沥青掺量的增加，再生沥青135℃黏度逐渐升高。橡胶沥青的135℃黏度较SBS改性沥青高，而高性能橡胶沥青的旋转黏度最高。此外，加入老化沥青后，高性能橡胶沥青的135℃黏度增长速度较普通橡胶沥青和SBS改性沥青上升更显著，且老化沥青掺量在50%时旋转黏度会迅速上升。

综上所述，橡胶沥青及高性能橡胶沥青具有很大的黏度，能够为老化沥青提供很强的黏性。随着老化沥青含量的增加，25℃针入度减小。由于橡胶沥青本身的25℃针入度较低，导致其减小量小于橡胶沥青本身。此外，橡胶沥青调和再生沥青的软化点略有提高，整体保持不变。同时，橡胶沥青和再生沥青都具有较高的黏度，主要是因为橡胶沥青本身具有高黏性。较高的黏度可以保证再生沥青混合料在夏季高温条件下仍具有良好的抗流变性，而一般通过改性SBS沥青调和或者添加再生剂的方式，则无法保留旧沥青本身的高温性能。因此，使用橡胶沥青再生具有良好的抗高温性能。同时，橡胶沥青可以采用废旧轮胎改性生产制作，导致橡胶改性沥青的生产成本较SBS改性沥青略低，节约成本。橡胶沥青调和再生沥青的性能较为优良，可用于再生沥青混合料的生产制备工作。

3 经济效益分析

根据路面工程材料询价结果，SBS改性外加剂的价格为16 000元/吨，使用SBS改性外加剂加入基质沥青合成改性SBS沥青时可置换4.3%的基质沥青。通过计算可以得出目前市场上改性SBS沥青的单价为 4 500元/吨。基质沥青目前的市场单价为4 000元/吨，胶粉的价格为1 700元/吨，置换出20%基质沥青，减去净味剂等其他外加剂合计100元，使用橡胶沥青可比使用改性SBS沥青节省400元/吨。以30%RAP掺量的再生沥青混合料为例，SBS改性沥青、普通橡胶改性沥青合成1吨再生沥青混合料的生产施工费用分别为434.6元、304.6元（不考虑设备、人工费用等间接费用），普通橡胶改性沥青再生沥青混合料较SBS改性沥青低32.5%，可见橡胶改性沥青生产再生沥青混合料具有良好的经济效益。