废轮胎热解炭黑改性沥青抗紫外老化性能分析

■王金伟

（福建省福泉高速公路有限公司，福州 350011）

随着交通行业的发展，废旧轮胎的掺量与正增长速率也在逐年增加。2020 年，世界上的废旧轮胎的积存量已经超过了50 亿条。废旧轮胎的存量如此庞大，如果不进行有效回收处理，将会成为“黑色垃圾”。目前我国各种废旧橡胶回收利用率较低，仅为5%，比国外优良水平低3%～4%，另外还有约2%的废旧轮胎长期堆放。目前轮胎回收主要的方法有制备胶粉、焚烧和热解。其中废轮胎热解技术处理量大、成本低、效益高，环境污染小，不仅解决了废轮胎堆积带来的危害和环境污染，还可以将废轮胎分解成大量的高附加值化工原料，是一种资源化、无害化、减量化的废弃物处理技术，属于废轮胎的无害化处理和资源化利用的良好路径。通过该方法处理回收的产物包括：废轮胎热解炭黑（WTPC）35%；可燃气10%；燃料油45%；钢及玻璃纤维10%[1]，其中钢丝、燃料油、炭黑等属于国家战略紧缺资源，炭黑更是作为一种优良的沥青改性剂被广泛应用[2]，其可以将紫外光反射和折射从而延缓沥青在紫外光环境下的老化。但是目前大部分研究都集中于工业炭黑，对于废轮胎热解炭黑的抗紫外老化性能仍缺乏相关研究。因此本文对再生炭黑改性沥青进行室内紫外老化加速老化试验，研究废轮胎热解炭黑的掺入对沥青抗紫外老化性能的影响。

1 原材料

1.1 基质沥青

试验所用基质沥青为福建省常用70# 道路石油沥青，其技术指标检测结果如表1 所示。

表1 70# 基质沥青主要技术指标

1.2 废轮胎热解炭黑

废轮胎热解炭黑为黑色粉末，具有大量微孔，能有效对紫外光进行吸收。将废轮胎热解炭黑作为道路石油沥青的改性剂，一方面，能够拓宽废轮胎热解炭黑的应用，促进废轮胎热解行业的发展，达到废轮胎固废资源化利用的目的；另一方面，添加废轮胎热解炭黑后，能够提升改性沥青性能，还能够降低单位质量沥青混凝土中沥青含量。废轮胎热解炭黑的生产采用高温密闭裂解反应炉，将废轮胎投入到高温密闭裂解反应炉中并充入惰性气体，在高温环境下进行热裂解。将产生的可燃气和燃料油收集后剩下的便是炭黑和钢丝。将钢丝剔除后对剩下的废轮胎热解炭黑进行水洗、干燥、粉碎、收集即得到废轮胎热解炭黑。本文所用废轮胎热解炭黑为福建省某公司生产的废轮胎热解炭黑，其技术检测结果如表2 所示。

表2 废轮胎热解炭黑主要技术指标

1.3 废轮胎热解炭黑改性沥青

为防止废轮胎热解炭黑不能均匀分散在基质沥青中或产生了离析，选择采用高速剪切法制备废轮胎热解炭黑改性沥青。废轮胎热解炭黑改性沥青制备方法如下：首先将基质沥青放入135℃的烘箱中加热，直至基质沥青成为流动状态，同时将废轮胎热解炭黑平铺在托盘中放入120℃烘箱中加热烘干水分，直至废轮胎热解炭黑的质量不再变化。启动高速剪切机，向基质沥青逐步投入废轮胎热解炭黑，保持沥青在155℃条件下以3000 r/min 转速搅拌30 min。待废轮胎热解炭黑完全与基质沥青混合后倒出备用。

总结国内外相关研究成果，废轮胎热解炭黑改性沥青最佳掺量为基质沥青的质量的15%[3-4]。因此本文所制备废轮胎热解炭黑改性沥青中废轮胎热解炭黑的掺量为15%。

2 试验方案

2.1 紫外老化设备

本次试验所用室内紫外老化设备为自研的紫外老化试验箱。该紫外老化试验箱特点为可调整辐照强度和箱内温度。箱内有两个直管形紫外线高压汞灯平行排列以模拟自然紫外光辐射，紫外光波长为360 nm。调整紫外光灯管和试样的距离，使得试样表面的辐照强度为10 W/m2，控制温度使得箱内温度为50℃左右。

2.2 沥青老化试验

沥青老化试验中采用的沥青试样盛样皿为直径120 mm、高度2 mm 的玻璃皿，向玻璃皿中分别倒入基质沥青和废轮胎热解炭黑改性沥青，控制沥青薄膜厚度为0.8 mm。

将废轮胎热解炭黑改性沥青和基质沥青试样放入紫外老化设备中进行紫外老化，老化时间分别为12 h、1 d、3 d、7 d。

3 试验结果分析

3.1 针入度

沥青的针入度指标可以表征沥青在不同温度下的稳定性和抗裂性，对不同紫外老化时间的废轮胎热解炭黑改性沥青和基质沥青样品分别在15℃、25℃、30℃条件下进行针入度检测，针入度的检测结果如图1～3 所示。

图1 15℃条件下针入度技术指标

图2 25℃条件下针入度技术指标

图3 30℃条件下针入度技术指标

由试验结果可知：（1）废轮胎热解炭黑改性沥青的针入度较基质沥青下降，随着紫外老化时间的增加，紫外老化程度逐渐加深，基质沥青和废轮胎热解炭黑改性沥青的针入度逐渐减小。（2）由基质沥青和废轮胎热解炭黑改性沥青在不同紫外老化时间下针入度变化趋势可以看出，基质沥青15℃针入度在7 d 紫外老化条件下降低了4.0 mm（15.8%）；25℃针入度在7 d 紫外老化条件下降低了12.8 mm（18.8%）；30℃针入度在7 d 紫外老化条件下降低了17.6 mm（16.9%）。废轮胎热解炭黑改性沥青15℃针入度在7 d 紫外老化条件下降低了2.7 mm（12.2%）；25℃针入度在7 d 紫外老化条件下降低了7.9 mm（13.1%）；30℃针入度在7 d 紫外老化条件下降低了12.6 mm（13.2%）。轮胎热解炭黑改性沥青的针入度降低速率明显低于基质沥青，说明废轮胎热解炭黑有效缓解了沥青的紫外老化。

3.2 软化点

软化点可以有效表征沥青的高温性能，对不同紫外老化时间的废轮胎热解炭黑改性沥青和基质沥青样品进行软化点检测，软化点的检测结果如图4所示。

图4 软化点技术指标

由试验结果可知：（1）基质沥青中掺入废轮胎热解炭黑后软化点升高，沥青的高温性能增强。（2）随着紫外老化时间的增加，基质沥青和废轮胎热解炭黑改性沥青的软化点均逐渐升高。紫外老化7 d 后废轮胎热解炭黑改性沥青软化点增加了15.3%，基质沥青增加了19.3%。废轮胎热解炭黑改性沥青软化点提升速率明显低于基质沥青，说明废轮胎热解炭黑有效缓解了沥青的紫外老化，随着老化时间的延长基质沥青的软化点将逐渐超过废轮胎热解炭黑改性沥青。

3.3 BBR 性能

BBR 试验能够有效表征沥青在低温环境下的蠕变劲度模量S 和应力松弛能力m，因此可用来评价沥青的低温性能。对不同紫外老化时间的废轮胎热解炭黑改性沥青和基质沥青样品进行BBR 性能检测，设定BBR 试验温度为－12℃，荷载施加时间为60 s，BBR 试验结果见图5～6。

图5 蠕变劲度模量

图6 应力松弛能力

由试验结果可知：（1）废轮胎热解炭黑改性沥青相较基质沥青蠕变劲度模量S 增大，应力松弛能力m减小，因此废轮胎热解炭黑的掺入使得基质沥青的低温性能下降。（2）基质沥青在紫外老化7 d 后蠕变劲度模量S 增加了53.9%，应力松弛能力m 降低了6.8%；废轮胎热解炭黑改性沥青在紫外老化7 d后蠕变劲度模量S 增加了36.1%，应力松弛能力m降低了5.6%。

虽然废轮胎热解炭黑的掺入降低了基质沥青的低温性能，但是废轮胎热解炭黑改性沥青具有更好的抗紫外老化性能，在紫外老化后能保持更好的柔性和应力松弛能力。因此废轮胎热解炭黑改性沥青在紫外老化环境下具有更好的低温性能。

3.4 结果分析

（1）废轮胎热解炭黑的加入吸附了沥青中的轻质组分使得沥青变得更加粘稠从而使得基质沥青变硬。因此废轮胎热解炭黑沥青相较基质沥青针入度降低，软化点升高，蠕变劲度模量升高，应力松弛能力降低。（2）沥青在紫外光环境下发生了老化，饱和分和芳香分向沥青质大分子转变，从而使得沥青变硬，针入度下降，软化点升高，低温性能降低，抗裂性降低。（3）废轮胎热解炭黑作为一种紫外光吸收剂均匀的分散在基质沥青中，能有效吸收紫外光，从而减缓沥青中饱和分和芳香分的挥发，明显减缓了沥青在在紫外老化环境下的硬化，延缓了紫外光对沥青的老化作用。（4）虽然废轮胎热解炭黑的掺入使得基质沥青的针入度和应力松弛能力下降，软化点和蠕变劲度模量升高，但是随着紫外老化时间的增加，废轮胎热解炭黑改性沥青由于具有更好的抗紫外老化性能，性能衰减较基质沥青更为缓慢，其高、低温性能，柔性也会逐渐超越基质沥青。

4 结论

本文通过室内紫外光老化模拟试验，围绕废轮胎热解炭黑对基质沥青的抗紫外老化性能影响展开研究，得出结论如下：（1）废轮胎热解炭黑掺入基质沥青质中使得沥青的高温性能得到增强，柔性和低温性能降低。（2）废轮胎热解炭黑能吸收自然环境下紫外光，缓解沥青在紫外光老化环境下的硬化，将其掺入基质沥青之中能有效提升沥青的抗紫外老化性能，降低沥青的紫外光敏感度，从而可以有效提高沥青路面的服役寿命。（3）废轮胎热解炭黑作为废轮胎热解的产物之一，比起一般传统工业炭黑的制程，降低了约90%的碳排放量，环境效益显著。废轮胎热解炭黑以15%的掺量掺入沥青之中，既能提升沥青性能，还能降低单位质量沥青混凝土中沥青含量，从而有效沥青路面的材料成本，经济效益显著。