基于瀝青老化對橡膠瀝青性能的影響分析

陳 璨

（山西交通建設監理咨詢集團有限公司，山西 太原 030012）

0 引言

環境污染和資源匱乏是新世紀人類社會亟待解決的兩大問題，將廢棄物進行資源化再利用是解決這兩個問題最為有效的途徑之一。汽車的廢棄輪胎經加工破碎、研磨裂解后得到的具有一定強度和形狀的膠粉顆粒，在合適的溫度下，與基質瀝青混合，可制備成橡膠瀝青（Asphalt Rubber）。橡膠瀝青用于道路工程領域可以有效地消耗掉大量廢棄輪胎，減輕對環境的污染，同時也將廢棄物轉化為有效的資源[1-3]。

瀝青路面暴露于自然環境中，受日光、溫濕度、氧化等影響不斷老化，其結果是瀝青路面的耐久性降低，橡膠瀝青也不能例外。譚憶秋等采用動態力學分析（DMA）方法模擬并評估了紫外老化對瀝青流變性能的影響，并對澆筑式瀝青混合料在過熱老化后回收瀝青的流變特性進行了研究[4]。I.M.Ibrahim等研究了γ輻射后橡膠粉對瀝青短期耐老化性和流變性的影響[5]。梁明等發現微波輻射增加了橡膠瀝青老化，導致疲勞開裂降低[6]。王強等人研究橡膠瀝青暴露于室外的氣候老化規律，結果表明，由于天氣老化，改性瀝青的化學結構和流變性能顯著變化，不同的橡膠改性瀝青表現出不同的老化行為[7]。肖飛鵬等對橡膠瀝青長期熱氧老化后的流變性能進行了研究，發現使用廢橡膠可以有效地提高瀝青的PG分級和抗老化性能,并通過凝膠色譜方法GPC很好地表征了碎屑橡膠瀝青在老化過程中組成的變化[8]。

橡膠瀝青老化的研究多集中在橡膠瀝青整體性能方面，非常少涉及到基質瀝青老化對橡膠瀝青性能的影響。事實上，瀝青的老化一般可以分為兩個階段，短期老化和長期老化。第一個階段是瀝青混合料生產過程中的老化，這一階段又可以分為拌和前和拌和后兩部分。前者包括以熱態運輸、儲存、在儲油罐內預熱，配油釜內調配、升溫及保存引起的瀝青老化。后者包括熱瀝青和加熱的礦料在攪拌機內拌和、運輸、攤鋪及碾壓引起的瀝青老化。第二階段是指路面在使用過程中在陽光、空氣、水分等因素長期作用下產生的老化。

橡膠瀝青生產過程中，基質瀝青被加熱保溫到一定溫度，由于生產工序銜接、生產間隔及其他各種原因，瀝青可能會持續保持高溫數十小時，這一過程會對瀝青產生老化。基質瀝青和膠粉顆粒拌和過程中，基質瀝青同樣存在不同程度的老化，研究不同老化程度的基質瀝青對橡膠瀝青性能的影響，可以為橡膠瀝青生產的控制提供參考，可有效指導橡膠改性瀝青加工過程。

本文通過TFOT老化試驗制備了不同老化程度的基質瀝青，性能測試包括瀝青針入度，軟化點、延度、黏度、彈性恢復，研究分析了基質瀝青的老化對橡膠瀝青的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

1.1.1 基質瀝青

本試驗選用SK 90號瀝青，技術指標見表1，符合規范要求。

表1 基質瀝青技術指標及測試結果

1.1.2 橡膠粉

本研究中所使用的橡膠粉外觀呈現黑色，帶有一種橡膠的氣味，沒有肉眼可見的雜質。膠粉粒徑為40目。

圖1 橡膠粉外觀

1.2 試驗方法

1.2.1 基質瀝青老化試驗

為了獲得不同老化程度的基質瀝青，采用旋轉薄膜烘箱對基質瀝青進行老化，老化溫度163℃，老化時長分別為0 h、4 h、8 h和12 h。并按照規范要求測定老化后的基質瀝青的各項性能指標。

1.2.2 橡膠瀝青制備方法

橡膠瀝青的制備采用普通攪拌的方式進行。主要步驟包括：a）在容器中稱量500 g左右的基質瀝青，加熱至140℃；b）稱取基質瀝青質量20%的橡膠粉備用；c）將容器放在油浴里進行加熱，并不斷攪拌直至溫度達到180℃；d）打開攪拌機并將轉速調節到200 r/min，不斷攪拌基質瀝青，攪拌過程中緩慢加入橡膠粉，全部加入后攪拌10 min；e）提高攪拌機轉速至500 r/min，保持溫度攪拌90 min后制備試驗完成。

1.2.3 橡膠瀝青老化性能試驗

該研究使用TFOT熱氧老化時間分別為0 h、4 h、8 h和12 h的基質瀝青與膠粉混合制備橡膠瀝青。在180℃的條件下，以普通攪拌（500 r/min）的方式制備橡膠瀝青，膠粉的溶脹時間為90 min。通過測試橡膠瀝青的針入度、軟化點、延度、彈性恢復和黏度指標，分析基質瀝青老化程度對橡膠瀝青宏觀性能的影響規律。

2 試驗結果與討論

2.1 基質瀝青老化試驗結果

表2 不同老化時間下基質瀝青三大指標

由表2中的測試結果可知，基質瀝青經過TFOT老化后，隨著老化時間的增加，基質瀝青的老化程度逐漸加深，瀝青中輕質組分不斷減少，導致基質瀝青針入度逐漸減小，軟化點逐漸增大，延度逐漸降低。

2.2 基質瀝青老化對橡膠瀝青常規性能的影響

2.2.1 老化對橡膠瀝青三大指標的影響

橡膠瀝青的針入度、軟化點、延度試驗結果如表3所示。

表3 基質瀝青老化對橡膠瀝青三大指標的影響

由表3中試驗結果可以看出，老化后的基質瀝青制備的橡膠瀝青較未老化的基質瀝青制備的橡膠瀝青的針入度和延度均降低，軟化點升高，基質瀝青老化程度越高，所制備橡膠瀝青指標變化越明顯。說明基質瀝青老化程度越高，所制備的橡膠瀝青黏稠度越大，塑性變差，高溫穩定性增加。

2.2.2 老化對橡膠瀝青彈性恢復的影響

彈性恢復表示橡膠瀝青變形之后的恢復能力，能夠反映抗反射裂縫和抗疲勞等方面的能力。按照T 0662—2000方法，試驗結果如表4所示。

表4 基質瀝青老化時間對橡膠瀝青彈性恢復的影響

由表4中試驗結果可以看出，老化后的基質瀝青制備的橡膠瀝青的彈性恢復能力下降，老化時間越長，所制備橡膠瀝青彈性恢復能力下降越明顯。說明基質瀝青老化程度越高，所制備的橡膠瀝青抗反射裂縫和抗疲勞能力越差。

2.2.3 老化對橡膠瀝青黏度的影響

黏度可以用來監測瀝青自身流動性，評價施工和易性。根據技術指南[9]，黏度測試溫度選擇180℃，并且以50%的扭矩所對應的黏度值作為橡膠瀝青的標準黏度。本研究通過測定180℃下橡膠瀝青試樣在不同轉速（50 rpm、100 rpm）下的黏度，同時采用插值法計算50%扭矩所對應的黏度作為橡膠瀝青黏度的標準值。

不同熱氧老化時間的基質瀝青制備的橡膠瀝青的黏度測試結果如表5所示。

表5 基質瀝青老化時間對橡膠瀝青黏度的影響

由表5中試驗結果可以看出，老化后的基質瀝青制備的橡膠瀝青的黏度值是增加的，隨著基質瀝青老化時間增長，制備橡膠瀝青黏度值越大。說明基質瀝青的老化程度越高，所制備的橡膠瀝青的黏度值越大。這主要是因為基質瀝青老化后，內部輕質組分揮發，其制備的橡膠瀝青內部輕質組分減少，橡膠瀝青變得更加黏稠。

3 結論

研究了不同老化時間的基質瀝青對橡膠瀝青性能的影響。性能測試包括瀝青針入度、軟化點、延度、黏度、彈性恢復。結論如下：

a）基質瀝青的老化會導致由其制備的橡膠瀝青的針入度和延度降低、軟化點升高、彈性恢復降低、黏度升高，導致橡膠瀝青塑性變差，并且這種負面影響會隨著基質瀝青老化程度的增加而不斷增加。

b）基質瀝青熱氧老化后會對橡膠瀝青的性能產生負面影響。黏度升高會導致瀝青路面施工和易性變差，抗反射裂縫和抗疲勞能力越差，從而整體路用性能降低。