热解炭黑改性沥青复合料路用性能测试研究

张梦蕾

（昌吉市华路工程材料试验检测有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

废弃轮胎热解炭黑（PCB）是一种从废弃轮胎中通过热解处理得到的碳黑材料，轮胎经过高温热解反应，其中一个主要的固体产物就是热解炭黑，具有很高的碳含量和一定的结构特性，表面覆有碳质沉积物，粗糙不平，存在多种酯类基团令其更加具有亲油性。将废弃轮胎热解炭黑作为改性剂掺进沥青，所获得的炭黑改性沥青复合料具有优于基质沥青复合料的高低温性能和力学性能。废弃轮胎热解炭黑再生用作公路建设材料，既改善沥青性能，又可以废物利用，优化改善环境，符合环保型、经济型公路工程建设理念。某高速公路工程将该技术应用于沥青路面建设，为保证工程质量，路用前加强了热解炭黑改性沥青复合料的路用性能分析研究。这里介绍的是该研究所进行的热解炭黑改性沥青复合料的抗车辙性能和动态模量的检测分析成果，希望为改性沥青复合料的工程应用提供技术参考，以助力实现优质适用的废弃轮胎热解炭黑沥青复合料应用工程。

1 材料简介

（1）基质沥青。沥青是将不同粒度的骨料黏合在一起的关键成分，它在沥青复合料中起着至关重要的作用。沥青对复合料性能具有非常高的贡献率，其低温性能贡献率甚至可以达到90.00%，高温性能贡献率也达到40.00%。研究复合料所用基质沥青为质量优异的地产A级70#基质沥青，其主要性能参数检测结果如表1 所示[1]。

表1 所用基质沥青的主要性能参数

（2）废弃轮胎热解炭黑。所用废弃轮胎热解炭黑为工程所在地区某环保科技公司用废弃轮胎所生产的热解炭黑，其主要性能参数检测结果如表2 所示。

表2 所用废弃轮胎热解炭黑主要性能参数

（3）集料及矿粉。粗集料采用地方石料厂所生产的粒度5～10 mm 和10～15 mm 的2 种规格石灰岩，细集料采用同厂生产的粒度0～5 mm 的石灰岩细料，该细集料干燥、无杂质、棱角性好、无风化，粗细集料主要性能参数如表3 所示，矿粉为地区另一建材厂所生产的矿粉，该矿粉无杂质、干燥、无结块团粒[2]。

表3 粗细集料主要性能参数

（4）级配与最佳油石比。以15%掺量的热解炭黑进行沥青改性，以级配为0～5 mm ∶5～10 mm ∶10～15 mm ∶矿粉=29%∶41%∶26%∶4%，热解炭黑改性沥青复合料最佳油石比4.70%，构成热解炭黑AC-13 改性沥青复合料。作为对比的基质沥青复合料，除最佳油石比采取4.60%以外，级配和改性掺量参数相同。

2 抗车辙分析

沥青路面分析仪APA（Asphalt Pavement Analyzer）是一种用于评估沥青路面性能的多功能测试仪器，由加荷系统、温控系统、浴水系统、数据采集系统和操纵系统组成，它通过模拟车辆在路面行驶时的力学荷载作用，对沥青路面在不同温度条件下的变形行为进行测量和分析。APA 主要用于开展动态剪切测试，以评估沥青路面材料在实际交通荷载下的变形性能。在测试中，沥青路面试件被置于APA 仪器上，并施加周期性的负荷，模拟车辆经过时对路面产生的剪切应力。同时，通过控制温度来模拟不同的环境条件，仪器会记录并分析路面试件的应力—应变关系，从而得出关于路面材料变形特性和抗剪性能的数据。利用APA 进行沥青路面分析可以提供对路面性能的定量评估，包括疲劳寿命、塑性变形、强度、稳定性等方面。这有助于确定合适的沥青复合料配方和路面结构设计，提高路面的耐久性、承载能力和驾驶舒适度。该设备采用浴水系统，可确保试模与试件全部一起浸入水中，并采用控温系统在40～160 ℃范围控制测试温度。配备有3 个平行钢轮，可同时对3 个试件开展平行测试，对避免测试误差功效明显。

2.1 测试原理

在APA 车辙测试中，需要先设置浴水温度，将试模和试件放在试台上，然后将浴水槽升起，使试件浴水充分。在测试温度下到达所需浴水时间后，钢轮将以预调的压力在充气软管上做往复运动，采集数据系统定时自动采集车辙形变量，并绘制运行次数与车辙的关系曲线。当周期达到8 000 个时，加荷轮自动收回，测试自动停止。干法测试则是将预热至少6～24 h 的试件直接置于试台，不需要浴水和设置水温。

在测试中，钢轮反复碾压充气橡胶软管，模拟胎路作用，使得充气软管受到压力不断发生变形。当钢轮移至某个区域时，此处充气软管受到的压力最大，同时表面水也被挤出，形成了动水冲刷移走钢轮，此处充气软管变形恢复，对试件的压力便随之消失或变得最小。周围水重新流至试件与充气软管之间，钢轮反复作用，软管被反复压挤和恢复，构成了动水冲刷。虽然在测试中试件内部的水没有流动冲刷，但是在钢轮载荷影响下，会使试件孔隙中发生压力或负压，形成孔隙水压力，最终导致沥青从骨料表面剥离，造成集料松散等现象。

2.2 测试方案

因为梁式试件的成型相对复杂，而且难以控制空隙率，所以研究以SGC 旋转压实仪成型圆柱体试件。先制作了2 组柱体试件，规格φ75×150 mm±2 mm，每组3 个，共计12 个，目标空隙率4.00%。其中一组为基质沥青试件，记为AB 组，另一组为热解炭黑改性沥青试件，记为CD组。为了利于对比分析，对AC 组开展APA 车辙干法测试，BD 组开展APA 浴水车辙测试。根据ASTM 标准规定，APA 车辙干法测试温度应与该沥青PG 分级规定的高温级别等同，浴水车辙测试温度应比对应的PG 级别的高温低一级别。动态剪切流变测试得出，15.00%剂量的热解炭黑改性沥青其PG 为PG70-22，因此浴水车辙测试温度取为64 ℃，干法车辙测试温度取为70 ℃。为了方便比较测试结果，将浴水和干法车辙测试的温度均设为64 ℃，测试轮载荷445 N±22 N，运行频率取60 Hz，加荷周期设8 000 个，软管压力690 kPa±35 kPa。将AC 组试件置入测试箱内，在64 ℃温度条件下预热6 h 后开展测试，BD 放入64 ℃浴水槽中浴水2 h。加载周期、运行频率、软管压力、轮荷载和温度等条件与APA 车辙测试相同。

2.3 测试结果分析

测试数据用于评价沥青复合料的高温稳定性能，采用APA 浴水车测试来评价其水稳性，即通过干湿车辙深度比来衡量。因此，通过车辙深度和干湿车辙比这两个指标来评估热解炭黑对沥青复合料的影响程度，测试结果如表4 所示。

通常车辙比越大，意味复合水稳性更好；车辙深度越小，意味复合料抗高温形变性能越好。干法辙测试结果显示，炭黑改性沥青复合料具有较好的高温稳定性。此结果与浴水马歇尔测试、冻融劈裂测试得出的结论一致，浴水车辙测试结果显示，炭黑改性沥青AC-13 复合料的水稳性比基质沥青AC-13 复合料更优。此结果与浴水马歇尔测试、冻融劈裂测试得出的结论相反。测试过程中，基质沥青复合料试件的轮迹带剥落比炭黑改性沥青复合料试件的更明显，浴水车辙测试更利于模拟现场载荷和环境条件，所以认为热解炭黑可以增强沥青复合料的水稳性。

3 动态模量分析

3.1 温度选择

单轴压缩的动态模量测试温度，国外有规范采取5 ℃、25 ℃、40 ℃，也有国外规范采取4.4 ℃、21.1 ℃、37.8 ℃、54.4 ℃。基于我国沥青公路试验规程，该次测试采取-10 ℃、5 ℃、20 ℃、35 ℃、50 ℃等5 个温度级别[3]。

3.2 频率选择

车速是影响载荷作用频率的主要因素之一，因此载荷测试频率的选择应尽可能涵盖各种应用场景。在长陡坡、收费站、城市平交路口等特殊路段，车辆速度相对较低，与0.10 Hz 载荷频率相当；当车速30～40 km/h 时，与5.00 Hz 的荷载作用频率相当，我国绝大部分城市道路及二级以下公路的车速多处于此范围；当车速为60～65 km/h时，与10.00 Hz 的荷载作用频率相当；当车速高于120 km/h时，与25.00 Hz 的荷载作用频率相当。因此选择0.10 Hz、0.50 Hz、1.00 Hz、5.00 Hz、10.00 Hz、25.00 Hz 作为该次测试的荷载频率，可以涵盖应用场景的行车速度。

3.3 测试结果与分析

根据JTGE20—2011 公路沥青复合料测试规程中的T0738 方法，分别制备AC-13 基质沥青AC-13 热解炭黑改性沥青复合料试件，并开展SPT 单轴压缩动态模量测试。在不同的测试条件下进行了3 次平行测试，通过数据处理确定有效数值，采用t 分布法，按95%的保证率，整理计算动态模量代表值。国家标准70 号基质沥青复合料在10 Hz、20 ℃的条件下的动态模量为0～12 000 MPa，改性沥青同条件下的动态模量为0～12 500 MPa。该次测出热解炭黑改性沥青和70 号基质沥青的动态模量分别为10 932.20 MPa 和9 056.20 MPa，而均在规定范围内，测试结果如表5 所示。

表5 沥青复合料动态模量检测结果

4 结语

该文介绍了某公路工程应用的热解炭黑改性沥青复合料技术。

（1）介绍了该改性沥青复合料构成。以15%掺量的热解炭黑进行沥青改性，以级配为0～5 mm ∶5～10 mm ∶10～15 mm ∶矿粉=29%∶41%∶26%∶4%，热解炭黑改性沥青复合料最佳油石比4.70%，构成热解炭黑AC-13改性沥青复合料。

（2）介绍该炭黑改性沥青复合料的抗车辙分析测试分析结果。干法车辙检测显示，热解炭黑可以增强沥青复合料的水稳性；浴水车辙测试结果显示，炭黑改性沥青AC-13 复合料的水稳性比基质沥青AC-13 复合料更优。

（3）介绍了动态模量分析结果。炭黑AC-13 的抗高温性能和抗低温性能均强于AC-13（基质沥青）；在测试频率0.10～25.00 Hz 范围内，热解炭黑对复合料性能的改善作用十分显著。在0.10～1.00 Hz 内低频范围内，炭黑AC-13 动态模量增长速度明显高于基质AC-13，表明在低频条件下，炭黑改性沥青复合料能够更好地承受低荷载频率的作用。