廢膠粉改性瀝青抗老化性能的研究

魏宏

（天津城建設(shè)計院有限公司，天津市300121）

0 引言

隨著交通量的迅速增大，車輛大型化、荷載增大，瀝青路面面臨嚴峻的考驗。使用普通瀝青鋪設(shè)的路面容易出現(xiàn)老化。使用早期會出現(xiàn)車轍、坑槽等多種破壞現(xiàn)象，降低了瀝青路面的使用壽命。為了克服普通瀝青抗老化性能的不足，瀝青改性受到人們普遍的重視。摻入改性劑改善瀝青性能的這種方法由來已久，視為世界公害的廢橡膠輪胎作為瀝青的改性劑在多個國家得到廣泛應(yīng)用。這種方法既能夠保護環(huán)境又能改善瀝青路面的性能。

1 瀝青的老化

1.1 老化機理

瀝青路面在使用過程中受到空氣、氣溫、降水、交通等多因素的綜合作用，產(chǎn)生一系列的物理和化學(xué)變化，綜合性能逐漸衰減，變得脆硬老化，實質(zhì)是瀝青混合料發(fā)生了老化。依據(jù)瀝青原樣和老化時組成與結(jié)構(gòu)的變化，認為瀝青老化其實是一個緩慢的自氧化的過程。在溫度或空氣的作用下，瀝青吸入氧發(fā)生氧化反應(yīng)，氧會將瀝青中的輕質(zhì)組分脫出，瀝青發(fā)生脫氫反應(yīng)，分子間形成不飽和鍵，進一步導(dǎo)致聚合反應(yīng)的發(fā)生，生成更高分子量的物質(zhì)。瀝青老化時間越長，老化程度會越深，嚴重影響使用性能。

1.2 抗老化評價指標

瀝青老化過程中，瀝青的化學(xué)組成發(fā)生很大變化，同時它的物理性能也會發(fā)生改變，常規(guī)的指標有軟化點、針入度和延度。

1.2.1 軟化點

軟化點是指瀝青試件受熱軟化而下垂時的溫度，它反映瀝青的溫度敏感度和粘度。一般認為，瀝青的軟化點越高，則溫度穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性越好，也就是說受溫度影響的敏感性越小[1]。

1.2.2 針入度

針入度是評價瀝青軟硬程度和稠度、抗剪切破壞能力的重要指標之一。針入度是在規(guī)定條件下，標準針自由貫入到瀝青中的深度，一般以0.1 mm為單位。針入度越大說明瀝青的粘性越差，反之粘性越好。

1.2.3 延度

延度是反映瀝青塑性和柔韌性的主要指標，延度越大說明瀝青的柔韌性和塑性越好。在低溫條件下如果瀝青的延度越大，則瀝青的低溫抗裂性能越強[2]。瀝青的延度通常與其自身的粘度和組分有關(guān)，一般來說，瀝青含蠟量低則延度大，粘結(jié)性、耐久性、抗老化性能較好；反之含蠟量高，則粘結(jié)性、耐久性和抗老化性能較差。

2 實驗方案

試驗采用國產(chǎn)70#、盤錦90#、遼河AH-110#三種瀝青作為基準材料，廢膠粉是用天津某膠粉廠生產(chǎn)的輪胎粉經(jīng)過粉碎、分離、脫硫等工序制成的。試驗時，將40目、60目、80目、100目、120目5種不同粒徑的廢膠粉顆粒分別以3%、6%、9%、12%、15%的摻量摻入到三種基準瀝青質(zhì)中，每種瀝青質(zhì)制作25組不同的改性瀝青。將每組不同的改性瀝青進行老化試驗，即每組取50 g試樣放入56 mm×25 mm的老化杯中，然后將老化杯置于旋轉(zhuǎn)瀝青薄膜烘箱內(nèi)進行強制老化，烘箱溫度調(diào)至165℃，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為5.5 rad/min，待6 h后對老化的瀝青材料測其針入度、延度、軟化點，分析不同粒徑、不同摻量的廢膠粉配制的改性瀝青的抗老化性能。

3 廢膠粉對改性瀝青抗老化性能的研究

3.1 廢膠粉對改性瀝青軟化點的影響

測定的改性瀝青軟化點的試驗結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 膠瀝比對國產(chǎn)70#改性瀝青軟化點的影響曲線圖

圖2 膠瀝比對盤錦90#改性瀝青軟化點的影響曲線圖

圖3 膠瀝比對遼河AH-110#改性瀝青軟化點的影響曲線圖

根據(jù)所測得的軟化點的試驗結(jié)果可以看出，當廢膠粉的粒徑相同時，軟化點隨著廢膠粉摻量的增加有明顯升高的趨勢。而當膠瀝比一定時，軟化點在廢膠粉摻量較小時沒有明顯變化，但是隨著廢膠粉摻量的增加，以及粒徑的減小軟化點逐漸升高。這說明，粒徑較小的廢膠粉能夠明顯提高改性瀝青的軟化點，改性效果優(yōu)于粒徑大的廢膠粉。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：在一定溫度條件下，瀝青中加入廢膠粉后，對廢膠粉顆粒而言瀝青中的飽和烴起到完全溶脹作用，芳香烴和膠質(zhì)起到部分溶脹作用，使得廢膠粉顆粒的體積發(fā)生膨脹[2]。同時，在一定的攪拌作用下，分散在瀝青中的廢膠粉顆粒因其粒徑小表面能高，使得廢膠粉的吸附能力增強，顆粒越小該溶脹作用越明顯[3]。隨著廢膠粉顆粒體積的增大，微粒間距離的縮短，分子間的相互作用力會增大，顆粒之間相互搭接形成具有較好彈性、塑性和延展性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以，隨著廢膠粉含量的增加軟化點會升高[4]。因此，廢膠粉的添加對瀝青有改性的作用，能夠改善瀝青的高溫性能和低溫性能。在此過程中，較小粒徑的顆粒明顯比顆粒較大的廢膠粉更能夠促進網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，所以較小粒徑的廢膠粉對瀝青的改性效果更好。

3.2 廢膠粉對改性瀝青針入度的影響

該項試驗中75組瀝青試樣的針入度試驗數(shù)據(jù)如圖4～圖6所示。

圖4 膠瀝比對國產(chǎn)70#改性瀝青針入度的影響曲線圖

圖5 膠瀝比對盤錦90#改性瀝青針入度的影響曲線圖

圖6 膠瀝比對遼河AH-110#改性瀝青針入度的影響曲線圖

由圖4～圖6可以看出，隨著廢膠粉摻入量的增多，不同粒徑改性瀝青的針入度都有不同程度的降低，說明廢膠粉在一定程度上可以降低改性瀝青的針入度。這是因為改性瀝青中加入廢膠粉可以吸附瀝青中的某些組分，瀝青中的油分和蠟經(jīng)過滲透、擴散進入橡膠粉的結(jié)構(gòu)中，從而使廢膠粉發(fā)生溶脹，有效地降低了游離蠟的含量，瀝青的組分也從溶膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿?凝膠結(jié)構(gòu)，改性瀝青的稠度也隨之提高[3]。同時，由圖4～圖6還可以看出，在相同膠瀝比時，廢膠粉的顆粒越細改性效應(yīng)越明顯，針入度的降低也就越明顯。

3.3 廢膠粉對改性瀝青延度的影響

在進行延度試驗分析時，分別在15℃和5℃兩種情況下對不同粒徑、不同膠瀝比的改性瀝青的延度進行了測定。試驗結(jié)果如圖7～圖12所示。

圖7 膠瀝比對國產(chǎn)70#改性瀝青15℃延度的影響曲線圖

圖8 膠瀝比對國產(chǎn)70#改性瀝青5℃延度的影響曲線圖

圖9 膠瀝比對盤錦90#改性瀝青15℃延度的影響曲線圖

圖10 膠瀝比對盤錦90#改性瀝青5℃延度的影響曲線圖

圖11 膠瀝比對遼河AH-110#改性瀝青15℃延度的影響曲線圖

圖12 膠瀝比對遼河AH-110#改性瀝青5℃延度的影響曲線圖

從上面的試驗數(shù)據(jù)可以看出，摻入廢膠粉的改性瀝青與基質(zhì)瀝青相比，15℃的延度相對較小，而5℃的延度相對較高。這是因為，廢膠粉作為改性劑主要改善瀝青低溫下的彈性，當溫度高時，廢膠粉的彈性不能充分發(fā)揮出來，低溫下廢膠粉有一定的柔韌性，變形能力比瀝青要強，瀝青的延度主要靠廢膠粉的延度決定，所以提高了低溫延度。因此，5℃的延度比15℃的延度更適合用于評價改性瀝青的低溫抗裂性[4]。從試驗結(jié)果還可以看出，添加了廢膠粉的改性瀝青5℃的延度比基質(zhì)瀝青的延度要高，說明改性瀝青的低溫抗裂性能可以改善。

從上面的試驗數(shù)據(jù)還可以看出，隨著廢膠粉摻入量的增加，不同粒徑的改性瀝青延度曲線都呈現(xiàn)出先平緩升高后下降的趨勢。這是因為隨著廢膠粉顆粒的逐漸增加，改性劑的彈性作用逐漸發(fā)揮出來，但是廢膠粉的摻入量不是越多越好，而是存在一個最佳值。超過這個最佳值后，部分廢膠粉會在瀝青中形成不能分散的膠粉小團使得膠粉團內(nèi)部的膠粉顆粒幾乎沒有結(jié)合力，不能與瀝青質(zhì)充分結(jié)合和接觸，降低了廢膠粉的粘結(jié)力。當膠粉團越來越多時，自然會降低瀝青的延度。因此，在使用廢膠粉作為改性劑時不是量越多越好，而要依據(jù)試驗確定最佳膠瀝比，才能使得廢膠粉發(fā)揮最大的改性作用。在該項試驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，粒徑較大的廢膠粉最佳膠瀝比范圍在0.11～0.13，100目和120目廢膠粉的最佳膠瀝比范圍在0.09～0.11。

最后還發(fā)現(xiàn)，在膠瀝比相同的條件下，粒徑較小的廢膠粉比粒徑較大的廢膠粉更能夠提高瀝青延度，這說明粒徑較小的廢膠粉比粒徑大的廢膠粉對瀝青的改性效果要明顯。這是因為廢膠粉顆粒越細，廢膠粉越能夠分散、滲透進瀝青中，促進分子之間的接觸，形成具有彈性的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生較好的改性效應(yīng)。

4 結(jié)語

通過添加廢膠粉研究對瀝青的改性效果試驗，可以得出以下結(jié)論：

（1）廢膠粉對改善瀝青的抗老化性能具有明顯的效果，而且隨著廢膠粉粒徑的減小效果越明顯。

（2）廢膠粉的摻入能夠提高瀝青的軟化點降低針入度，延度在15℃減小而在5℃增大，能夠改善瀝青的低溫性能。

（3）雖然摻入廢膠粉能夠改善瀝青的性能，但是廢膠粉的摻入量不是越多越好，而是存在一個最佳值，超過這個最佳值反而會起到負面效果。同時，這個最佳值的范圍和廢膠粉顆粒粒徑的大小有關(guān)，在試驗中粒徑較大的廢膠粉最佳膠瀝比范圍在0.11～0.13，100目和120目廢膠粉的最佳膠瀝比范圍在0.09～0.11。

[1]延西利.瀝青混合料強度形成機理研究[J].西安公路學(xué)院學(xué)報.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]劉鳳歧,湯心頤.高分子物理[M].北京：高等教育出版社，2005:112-113.

[4]郝培文,牛長友.丁苯橡膠改性瀝青混合料路用性能的研究[J].石油煉制與化工,2003,33(10):5-8.