温拌橡胶复合沥青抗老化性能研究

摘 要：提高橡胶沥青路面性能的试剂有很多，一般常用的温拌改性剂是Sasobit 温拌剂，选择Sasobit 温拌剂的主要依据是由该温拌剂良好的性能决定的。在实际工程应用中，由于受环境以及地理位置等不确定因素的影响，沥青路面会遭受各种病害，这些病害会导致路面使用年限缩短的问题，降低路面使用的可靠性和安全性。为提高沥青路面的使用寿命，降低路面建设和维护的成本，本文主要针对热、氧、水三个因素对沥青在Sasobit温拌剂作用下老化程度的影响，通过构建模型，研究橡胶沥青老化机理。为研究温拌橡胶沥青性能的差异性，选用常规的性能试验方法。试验研究发现，因沥青内部组成的相互作用，受养水老化影响，在受热老化后的沥青，化学组成中芳香分与饱和分含量减少，胶质与沥青质含量增加。通过常规的性能试验，温拌橡胶沥青的粘度与延度变大，针入度变小。相较于热-氧-水浸，热-氧-水蒸气条件下，温拌橡胶沥青粘度的增长速度更快。

关键词：温拌橡胶沥青；热氧老化；延度文章编号：2095-4085（2024）08-0191-05

0 引言

沥青路面所遭受病害的程度，因路面车辆数量增多、载重提高而逐渐增大，主要病害包括坑槽、开裂等。为有效缓解路面病害对交通路面造成的影响，通常采用添加沥青改良剂的方法，提高沥青路面的性能，这是一种最经济实惠的方法［1］。通常情况下，橡胶类改性沥青粘性与低温抗裂性能良好，树脂类改性沥青在低温条件下虽然抗裂性不佳，但在高温下稳定性能却很好。作为具有树脂与橡胶特性结合体的热塑性橡胶，表现出了优异的使用性能，例如其抗老化性与高温稳定性［2］。通过模拟实验和工程实践都证明，橡胶沥青路面具有非常好的使用性能，主要表现在橡胶沥青路面的抵抗重载、降低噪音、延缓反射裂缝等方面。随着我国公路事业的快速发展，对橡胶沥青路面的使用逐渐增多，这得益于橡胶沥青路面优异的性能。相关学者和施工人员，就橡胶沥青路面的抗疲劳开裂、抗车辙性以及降噪效果进行深入研究，研究表

明，沥青混合料可以用搅拌温度和摊铺方式进行类别划分，分别为冷拌、热拌沥青混合料［3］。目前，路面工程中常用的是热拌橡胶沥青混合料，主要是因为，热拌橡胶沥青混合料具有低污染和节约资源的优势。随着科学技术的发展进步，温拌技术被普遍使用［4］。温拌技术具有更加环保的性能，在实际工程施工过程中，可有效降低有害气体的排放，并且达到提升路面使用性能的效果［5］。基于此，本文的研究对象是温拌橡胶沥青，对温拌橡胶沥青抗老化的性能进行研究分析，为温拌橡胶沥青的推广应用提供借鉴。

1 原材料及制备

1.1 沥青

沥青的测试，参照国家与行业关于沥青混合料试验相关规程和规范标准进行，测试样本的沥青是金博70# A级道路石油沥青，根据上述规程对沥青相关性质进行相关测试，具体测试性能指标如表1所示。

1.2 橡胶粉

研究的橡胶粉来自废旧轮胎，该类橡胶属于40目斜交胎橡胶粉，测试所需的大颗粒度分子由粉碎断裂获取。作为橡胶沥青的重要成分，橡胶粉的性能是影响沥青指标的重要因素。通过对橡胶粉的物理与化学性能进行测试，得到表2的测试结果。

1.3 温拌剂

作为德国研发出的一款新型聚烯烃类改性剂，Sasobit温拌剂一般以粉末或颗粒状存在。Sasobit温拌剂对提高施工过程中的工艺性及高温稳定性具有良好的应用前景，同时还具有降低沥青混合料生产温度的功能。Sasobit温拌剂的相关性能和参数指标如表3所示。

1.4 温拌橡胶沥青的配制

本研究中，基质沥青是70#A级道路石油沥青，将20%的40目橡胶粉与3%的Sasobit温拌剂进行混合，采用混合搅拌溶胀的方式，得到温拌橡胶沥青。以湿法工艺制备研究所需要的橡胶沥青，该方法的大概流程是：最开始，在170℃条件下将1kg基质沥青进行预热，先加入Sasobit温拌剂含量占3%，通过5min的搅拌，把40目橡胶粉加入到基质沥青中，加入的比例是基质沥青质量的20%，再往已经预热的基质沥青中掺入橡胶粉，确保整个过程均匀搅拌。搅拌时，搅拌器的速率是1 000r/min，持续40min，配料温度控制在165～175℃。完成搅拌后，把充分搅拌的温拌橡胶沥青放到样皿内，进行密封处理，置于室温条件下进行冷却，时间为12h，然后对指标进行测试。

2 试验方法

2.1 沥青指标测试

针入度和延度测试。针入度测试所使用的仪器设备是SYD-2801E型针入度试验仪，测试所遵循的标准规范是《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）。对沥青延度进行测试所使用的设备是DF-5型沥青延度测试仪，所遵循的标准规范与针入度一致［6］。

2.2 热-氧-水浸老化试验

热-氧-水浸老化试验。对热-氧-水浸老化进行试验的过程如下：将烘箱温度加热到163℃后，把装有水的不锈钢桶置于烘箱内；将温拌橡胶沥青通过试样盛皿置于桶内，水不能将沥青完全浸没；让烘箱保持恒温163℃并加热5h，将沥青试样从烘箱中取出，进行烘干处理，确保表面没有残余水分；最后，在干燥容器内将试样进行封闭存放，直至其温度达到室温。

2.3 热-氧-水蒸气老化试验

热-氧-水蒸气老化试验。热-氧-水蒸气老化试验的过程如下：先将电磁炉预热，将盛有二分之一水的高压锅置于电磁炉上，将圆形蒸架置于高压锅的水面上；将内盛温拌橡胶沥青的样品盛皿置于蒸架上，喷洒1.5cm厚度水层在沥青表面；在加热过程中有效避免水过早被蒸发，要按照固定时间，间隔加水，时间间隔为2h，加热过程持续5h，此试验记为①；以同样的步骤进重复上述试验，只是加热时间持续15h，该试验记作②；为保证试验数据的准确性，需确保试验期间，高压锅内压强确保为标准大气压强的二倍。当达到试验规定要求的时间后，从高压锅中把试验的沥青样品取出，进行烘干处理；在干燥容器内，对试样进行封闭存放，直至其冷却到室温为止［7］。

3 结果与讨论

3.1 常规三大指标

3.1.1 针入度

作为沥青的一个重要指标，针入度是衡量沥青粘稠程度的指标，针入度指标是国际上评价沥青等级的重要依据。沥青粘稠度越小，它对应的针入度值就越大。通过配制所得到的温拌橡胶沥青，可能含有橡胶颗粒，橡胶颗粒的存在，会增大针入度的离散性，这并不妨碍针入度作为反映沥青软度、硬度两个性能的重要指标，这也是针入度成为评价沥青指标的主要原因之一。5s内，在规定的温度下，把标准针插入沥青内，对插入的深度进行记录，记录时所采用的单位是0.1mm。

在15℃、20℃、25℃、30℃温度下，分别进行针入度试验，依此来研究Sasobit温拌橡胶沥青在热氧水老化前后的特性。图1是该试验的研究结果。

由上图可知，被热氧水老化处理后，Sasobit温拌橡胶沥青针入度降低了。该结果表明，温拌橡胶沥青针入度受气态水与液态水的影响，二者都使其针入度数值降低。导致这一结果的根本原因，是饱和分和芳香分受沥青老化的作用，含量降低，但是沥青含量反而增大。同时，化学组分发生变化，导致沥青胶体结构从最初的溶胶型转变为凝胶型，使沥青的状态变得更为坚硬。

将Sasobit温拌橡胶沥青在同一温度下，在热-氧-水浸老化与热-氧-水蒸气老化后不同状况下进行测试，对针入度下降幅度进行对比，在热-氧-水浸老化的条件下，针入度减小程度更大，即影响更明显。导致这种结果的原因，是由于热-氧-水蒸气的老化，使温拌橡胶沥青的表面产生大量微小孔隙，这些小孔隙会加大沥青的蓬松度。测试时，如果试针恰好插入该区域，必然导致测试结果偏大。同时，橡胶颗粒的存在，导致橡胶沥青产生不均匀性，也是导致发生离散的主要原因。研究结果表明，与水蒸气相比，液态水影响针入度老化的程度更高。

3.1.2 延度

延度是指沥青抵抗外力拉伸塑性变形的能力，是评价沥青性能的重要指标之一。在低温环境下，对温拌橡胶沥青延度进行测试时，橡胶粉颗粒的存在，导致拉伸应力在该处集中。如果拉伸速率以规定的50mm/min进行，则会引发温拌橡胶沥青过早发生断裂，对测试结果造成很大影响。在实际测试中，为了获得准确可靠的数据，在低温延度测试中，通常以低速率进行拉伸，此次测试选用的速率为10mm/min。图2是测试结果。

从图中不难发现，Sasobit温拌橡胶沥青的延度的大小，在热氧水老化前后于15℃与25℃下依次是：热-氧-水蒸气老化15h gt; 热-氧-水浸老化5hgt;热-氧-水蒸气老化5hgt;未老化。该结果证明，水蒸气与液态水导致温拌橡胶沥青延度发生变化，而后者的影响程度更大。沥青延度随着热-氧-水蒸气老化时间的增加而变大，导致这种结果最大的原因，是沥青内部拉伸应力因为橡胶颗粒存在而变大，在该试验条件下进行测试时，热、氧和水蒸气会导致发生耦合作用，增大橡胶沥青内部成分的迁移速率。

3.2 弹性恢复

弹性恢复是衡量沥青在外力作用后，恢复至最初状态性能的指标，常被用来衡量沥青的抗变形能力、抗高温性能、抗疲劳性。美国学者曾指出，弹性恢复能够反映橡胶沥青反射裂缝性能与抗疲劳性能，是评价沥青性能好坏的重要参考指标。试验价格见图3。

根据图3得知，Sasobit温拌橡胶沥青弹性恢复指标的大小，在热氧水老化前后在25℃下依次是：热-氧-水浸老化5h gt; 热-氧-水蒸气老化5h gt; 热-氧-水蒸气老化15h。该结果说明，温拌橡胶沥青弹性恢复的指标受热-氧-水浸老化的影响，经过热-氧-水浸老化后，弹性恢复增加，弹性恢复在热-氧-水蒸气老化测试条件下，弹性恢复降低。需要指出的是，在热-氧-水蒸气老化试验下，弹性恢复下降的数值，5h比15h更大。导致这种结果的原因，在5-10h间隔内，由于橡胶的不断溶胀，使胶粉和沥青的交联网络结构更加复杂。但是，随着其老化时间的推移，小分子会转变为大分子，这主要是由于水蒸气引起的沥青油分挥发和氧化导致的，并且伴随着橡胶主链中的硫键断裂，致使温拌橡胶沥青弹性恢复变小，得知沥青变得更硬、更脆。

3.3 粘度

粘度用以衡量温拌橡胶沥青受外力时所具有的抗变形能力。一般情况下，温拌橡胶沥青粘度较高，而60℃已经使得布什粘度计不能适用，为了获取准确的数据，本文以更高温度分别是135℃、150℃、165℃和180℃进行测试。粘度试验结果如图4所示。

在135℃下，Sasobit温拌橡胶沥青在5h热-氧-水浸老化后其粘度为70.6Pa·s，和水老化前4.17Pa·s相比呈16倍速增加。粘度于150℃、180℃下，增加倍速分别是10.3倍、 13.2倍。该试验结果说明，Sasobit温拌橡胶沥青受热-氧-水浸老化影响程度较大，沥青内部结构受液态水浸入而发生形变，使粘度增加幅度大，并且影响幅度比热-氧-水蒸气老化条件更大。

在135℃、150℃、165℃和180℃条件下，Sasobit温拌橡胶沥青在老化前与热-氧-水蒸气老化后其粘度的变化次序为：热-氧-水蒸气老化15h＞热-氧-水蒸气老化5h＞水老化前。该结果表明，两种温拌橡胶沥青在热-氧-水蒸气老化条件下，其胶体结构和成分都受到影响，使得粘度变大。粘度的增加速度，在老化时间推移下愈加明显。

4 结论

通过研究，在经历热氧水老化前后条件下，Sasobit温拌橡胶沥青宏观性能的变化趋势，同时研究感温性能的变化。研究分析，得出以下结论：

（1）Sasobit温拌橡胶沥青的针入度，在热氧水老化影响下会降低，并且针入度受热-氧-水浸老化影响的程度更大。

（2）Sasobit温拌橡胶沥青，在不同温度下受热氧水老化的影响，导致其延度显著增大，延度同时受水蒸气和液态水的影响，并且是积极影响。

（3）弹性恢复的性能，在热-氧-水浸老化后条件下增大，而在热-氧-水蒸气老化后条件下则减小。

（4）老化后，温拌橡胶沥青粘度增大，热-氧-水浸老化条件下比热-氧-水蒸气老化条件下的增幅更大，这种变化在高温下尤为明显。

参考文献：

［1］张战军，周鑫杰，黄港竣，等.改性废轮胎橡胶粉对温拌沥青特性影响的研究［J］.现代化工，2022，42（5）：192-196.

［2］刘宇，国良，骆锦安，等.不同热-氧-水老化条件对Evotherm温拌橡胶沥青性能的影响［J］.公路，2019，64（8）：188-193.

［3］刘宇，杨国良，骆锦安，等.短期老化与热-氧-水蒸气老化作用下温拌橡胶沥青的性能分析［J］.中国胶粘剂，2020，29（8）：21-26.

［4］齐秀廷，秦阳.紫外老化对温拌橡胶沥青流变性能的影响［J］.公路，2016，61（7）：270-273.

［5］杨国良，黄文杰，彭少策，等.热-氧-水耦合老化作用对温拌橡胶沥青流变性能影响［J］.广东建材，2023，39（3）：19-22.

［6］杨国良，谢礼焕，黄祥鹏，等.橡胶粉掺量对Sasobit温拌橡胶沥青抗短期老化性能影响［J］.路基工程，2019（4）：96-99，115.

［7］马育，何兆益，何亮，等.温拌橡胶沥青的老化特征与红外光谱分析［J］.公路交通科技，2015，32（1）：13-18.

作者简介：刘华庆（1986—），男，汉族，山东济南人，硕士研究生，中级工程师。研究方向：道路交通工程质量和安全管理。