橡膠瀝青膠結(jié)料的老化與再生研究

陳中

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

橡膠瀝青膠結(jié)料的老化與再生研究

陳中

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043）

采用熱氧老化的方法研究了老化對(duì)橡膠瀝青膠結(jié)料粘彈性的影響規(guī)律，并通過添加再生劑對(duì)其軟化點(diǎn)、針入度和延度等性能進(jìn)行恢復(fù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，老化后基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青的軟化點(diǎn)升高、針入度變小、延度降低；老化過程中，基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)和針入度的衰減率均大于橡膠瀝青，但延度的衰減率則小于橡膠瀝青；再生劑能夠恢復(fù)橡膠瀝青性能，但和原樣瀝青相比，軟化點(diǎn)和延度有所降低，針入度則略有增加；延度的再生恢復(fù)效率最高，其次是針入度和軟化點(diǎn)。

橡膠瀝青；老化與再生；性能衰減率；再生恢復(fù)率

隨著橡膠瀝青在世界各國(guó)的應(yīng)用，相關(guān)研究工作也受到世界重視［1－4］?，F(xiàn)在橡膠瀝青混合料的一些特殊性能，如降噪、破冰及環(huán)保等［5－6］，在其他領(lǐng)域也逐步得到應(yīng)用。但是，橡膠瀝青在使用過程中，由于受溫度、氧化、光照、水流等因素的影響，粘度增大［7－8］，最終導(dǎo)致路面產(chǎn)生裂縫、松散、坑洞等早期破害，造成材料報(bào)廢。對(duì)廢舊橡膠瀝青混合料進(jìn)行再生處理，成為相關(guān)研究的熱點(diǎn)問題［9－10］。

丁湛等［11］通過溶脹等工藝，采用橡膠粉開發(fā)出瀝青再生劑，表明橡膠粉在瀝青中具有再生活性。徐東等［12］通過熱氧老化及熱拌再生等方法，研究了橡膠瀝青混合料的再生及老化規(guī)律，研究表明，橡膠瀝青混合料采用添加再生劑的方法能夠?qū)ζ湫阅苓M(jìn)行有效恢復(fù)。但目前對(duì)橡膠瀝青膠結(jié)料的老化及再生研究鮮有報(bào)道。本文采用熱氧老化的方法研究了老化對(duì)橡膠瀝青材料的粘彈性的影響規(guī)律，并通過添加，再生劑對(duì)其軟化點(diǎn)、針入度、延度等性能進(jìn)行恢復(fù)。

1 瀝青老化與再生機(jī)理

1.1 橡膠瀝青老化

廢舊橡膠粉加入熱瀝青后，廢舊膠粉吸附其輕質(zhì)組分，膠粉顆粒溶脹，降低了瀝青中游離蠟的含量。膠粉顆粒吸收油分后，恢復(fù)其生膠性質(zhì)，重新獲得粘性，由原來的緊密結(jié)構(gòu)變成相對(duì)疏松的絮狀，基質(zhì)瀝青逐漸粘稠。此外，橡膠的脫硫和降解反應(yīng)，與瀝青發(fā)生物質(zhì)交換，改善了瀝青的溫度敏感性和耐老化性能。而膠粉在瀝青中形成加勁結(jié)構(gòu)，在裂紋跨越膠粉顆粒的過程中，吸收或消耗了部分能量，提高了瀝青的抗沖擊能力和可塑性［13］。

在服役過程中，由于外界環(huán)境（如溫度、氧化、光照、水流沖刷等）對(duì)橡膠瀝青的作用，瀝青各組分間產(chǎn)生連串反應(yīng)，芳香分轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)，膠質(zhì)轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲苯不容物。而在膠粉改性過程中被膠粉吸附的游離蠟形成結(jié)晶性蠟?，F(xiàn)有研究表明，瀝青老化過程中，由于光、氧、熱等綜合因素，瀝青分子活性基團(tuán)與氧發(fā)生締合，平均分子量及分散度都有所增加［14］。

1.2 瀝青再生

（1）組分協(xié)調(diào)機(jī)理：從組分結(jié)構(gòu)角度來看，瀝青老化就是瀝青組分之間的組分失調(diào)。舊瀝青的再生，可以根據(jù)生產(chǎn)調(diào)和瀝青的經(jīng)驗(yàn)，在老化瀝青中添加某種低粘度油料（再生劑），或加入適當(dāng)稠度的瀝青，通過調(diào)配，使瀝青具有適當(dāng)粘度，并恢復(fù)原有性能［15］。

（2）成分互溶機(jī)理：熱力學(xué)認(rèn)為，摻入再生劑能使瀝青組分間的容度參數(shù)差減小，可降低瀝青質(zhì)含量，提高軟瀝青質(zhì)對(duì)瀝青質(zhì)的溶解能力，使已經(jīng)衰減的路用性能得到改善和恢復(fù)［16］。

（3）橡膠結(jié)構(gòu)機(jī)理：從橡膠結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，老化瀝青再生是在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中補(bǔ)充油量，恢復(fù)油相對(duì)瀝青大分子的潤(rùn)滑作用，恢復(fù)瀝青粘性組分，使瀝青勁度減小，提高瀝青的低溫抗裂性能。油料對(duì)老化瀝青的溶解和貫入，隔斷了大分子鏈間的連接點(diǎn)，降低了老化瀝青的剛度，干縮的膠粉溶脹，瀝青活性恢復(fù)［17］。

2 材料與方法

2.1 原材料

研究所用基質(zhì)瀝青為埃索90＃，針入度（25℃）為87 mm，軟化點(diǎn)45.7℃，15℃延度大于100 cm，密度為1.029 g／cm3，所有性能指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范要求。橡膠粉改性瀝青制備工藝為濕法改性，膠粉用量19%，先高溫剪切20 min，剪切溫度190℃，持續(xù)攪拌40 min。所用膠粉產(chǎn)自西安膠粉廠，表觀密度1.18 g／cm3，纖維含量0.7%，天然膠含量約33%，細(xì)度60目。

2.2 方法

采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（RTFOT）對(duì)瀝青結(jié)合料進(jìn)行了短期老化［18］。將制備好的瀝青用老化盤放在烘箱中，老化0、5、10、15和20 h。老化后，添加再生劑對(duì)其進(jìn)行性能恢復(fù)，再生劑摻量為瀝青用量的9%。所用再生劑主要由重質(zhì)石油餾分、芳香族石油溶劑及聚合物改性劑構(gòu)成，外觀呈黑色稠狀液體。所有軟化點(diǎn)、針入度及延度（5℃／15℃）的測(cè)定過程參照文獻(xiàn)［19］進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 軟化點(diǎn)

瀝青是非晶體物質(zhì)，無確定熔點(diǎn)，軟化點(diǎn)是一種條件粘度，反映了瀝青的溫度敏感度。一般認(rèn)為，軟化點(diǎn)高，等粘溫度也高，熱穩(wěn)定性好。本文采用環(huán)與球法分別測(cè)定基質(zhì)瀝青與橡膠瀝青軟化點(diǎn)在老化過程中的變化情況，結(jié)果見圖1。

基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)低于橡膠粉改性瀝青，同環(huán)境老化下，基質(zhì)瀝青和膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)均逐漸升高，但基質(zhì)瀝青始終低于橡膠改性瀝青。老化20 h后，基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)增加25%，而橡膠瀝青只有8%，橡膠瀝青軟化點(diǎn)對(duì)老化敏感性弱于基質(zhì)瀝青。圖2所示為橡膠瀝青老化、再生前后的軟化點(diǎn)，通過摻加再生劑的方法能夠使橡膠瀝青軟化點(diǎn)降低到老化前的水平，但再生后的軟化點(diǎn)低于老化前。表明再生劑除了補(bǔ)充輕質(zhì)瀝青組分外，富余油分起到了稀釋瀝青的作用。

圖1 老化時(shí)間對(duì)軟化點(diǎn)的影響Fig.1 Impact of aging time on softening point

圖2 橡膠瀝青老化及再生軟化點(diǎn)變化Fig.2 Aging and regeneration softening point change of rubbermodified asphalt

3.2 針入度

針入度是在規(guī)定的溫度、附加荷重和荷重作用時(shí)間的條件下，標(biāo)準(zhǔn)針貫入瀝青中的深度，針入度越小，表示瀝青稠度越大，反之則越小。圖3所示為基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青針入度在老化過程中的變化情況。結(jié)果表明，老化前基質(zhì)瀝青針入度80～100（0.1 mm）之間（90＃），隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)，針入度不斷降低。老化5 h后，針入度在60～80 mm（0.1 mm）之間（70＃）；老化10 h后，針入度在40～60（0.1 mm）之間（50＃）；老化15 h后，針入度介于20～30（0.1 mm）之間。老化15～20 h時(shí)，基質(zhì)瀝青的針入度變化不大。和基質(zhì)瀝青相比，橡膠瀝青針入度隨著老化時(shí)間變化不明顯，因?yàn)樵跒r青老化過程中，主要是基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)油分減少，橡膠粉受老化的影響較小。在老化10 h后，基質(zhì)瀝青的針入度小于橡膠瀝青，表明此時(shí)基質(zhì)瀝青的剪切阻力大于橡膠瀝青。圖4所示為橡膠改性瀝青老化、再生前后的針入度變化情況。老化20 h后，針入度下降約20%，再生后針入度基本恢復(fù)，但再生后的針入度略大于老化前，結(jié)論和前文一致。

圖3 老化時(shí)間對(duì)針入度的影響Fig.3 Impact of aging time on penetration

圖4 老化及再生瀝青針入度變化Fig.4 Aging and penetration change of rubbermodified asphalt

3.3 瀝青延度

延度是反映瀝青條件延性的指標(biāo)，是其受到外力拉伸時(shí)，所承受的塑性變形總和。延度越大，瀝青的柔韌性越好。圖5所示為瀝青延度隨老化時(shí)間增加的變化情況。基質(zhì)瀝青測(cè)試溫度為15℃，改性瀝青測(cè)試溫度為5℃。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青的延度均逐漸減小。表明隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青中自由蠟產(chǎn)生結(jié)晶，延度變小，瀝青粘結(jié)性和耐久性變?nèi)?。圖6所示為瀝青再生后的延度變化情況，實(shí)驗(yàn)表明，再生橡膠瀝青的延度基本能夠恢復(fù)，但再生后的延度低于老化前。

圖5 老化時(shí)間對(duì)延度的影響Fig.5 Impact of aging time on ductility

圖6 老化及再生瀝青延度變化Fig.6 Aging and ductility change of rubber modified asphalt

3.4 膠結(jié)料老化的性能衰減

采用老化衰減率和再生恢復(fù)率來評(píng)價(jià)老化、再生過程中的性能變化情況［12］。

式中，R1為瀝青膠結(jié)料性能的老化衰減率（%）；R2為瀝青膠結(jié)料性能的再生恢復(fù)率，（%）；V0為老化前新拌瀝青膠結(jié)料的性能：軟化點(diǎn)（℃）；或針入度；或延度（cm）；V1為老化后瀝青膠結(jié)料的基本性能：軟化點(diǎn)（℃）；或針入度；或延度（cm）；V2為再生后瀝青膠結(jié)料的基本性能：軟化點(diǎn)（℃）；或針入度；或延度（cm）。

3.4.1 橡膠瀝青的老化衰減率

圖7～9分別給出了基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青在老化過程中的軟化點(diǎn)衰減率、針入度衰減率和延度衰減率。研究表明，老化過程中，基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)和針入度對(duì)老化的敏感性高于橡膠瀝青，而橡膠瀝青延度對(duì)老化的敏感性則高于基質(zhì)瀝青。具體表現(xiàn)為：基質(zhì)瀝青老化5 h內(nèi)軟化點(diǎn)衰減15%，5 h后衰減率均勻增加；而橡膠瀝青老化5 h內(nèi)，軟化點(diǎn)衰減不到1.5%，10 h后軟化點(diǎn)衰減逐步穩(wěn)定；同樣的，老化5 h內(nèi)，橡膠瀝青的針入度衰減較小，約為25%左右，10 h后，針入度衰減率超過40%。通過對(duì)延度衰減的研究發(fā)現(xiàn)，5 h內(nèi)，基質(zhì)瀝青的老化衰減強(qiáng)于橡膠瀝青，5 h后基質(zhì)瀝青延度的老化衰減則弱于橡膠瀝青，橡膠瀝青老化過程中低溫性能受到嚴(yán)重影響。

3.4.2 橡膠瀝青的再生恢復(fù)率

再生恢復(fù)率可用來表征瀝青再生后性能的恢復(fù)情況，圖10所示為老化瀝青再生后的再生恢復(fù)率。研究表明，再生后橡膠瀝青的軟化點(diǎn)降低，針入度和延度升高。通過對(duì)軟化點(diǎn)、針入度和延度（5℃）再生恢復(fù)率的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，再生劑對(duì)橡膠老化瀝青的性能恢復(fù)效果為：延度＞針入度＞軟化點(diǎn)。

圖7 軟化點(diǎn)衰減率Fig.7 Attenuation rate of softening point

圖8 針入度衰減率Fig.8 Attenuation rate of penetration

圖9 延度衰減率Fig.9 Attenuation rate of ductility

圖10 瀝青再生恢復(fù)率Fig.10 Recovery rate of asphalt

4 結(jié)論

（1）老化后，基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青的軟化點(diǎn)升高、針入度變小、延度降低。

（2）老化過程中，基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)和針入度的衰減率均大于橡膠瀝青，但延度的衰減率則小于橡膠瀝青。

（3）摻加再生劑后，橡膠瀝青能夠基本恢復(fù)初始性能，但和原樣瀝青相比，軟化點(diǎn)和延度有所降低，針入度則略有增加。

（4）在橡膠瀝青的三個(gè)性能中延度的再生恢復(fù)率最高，其次是針入度，軟化點(diǎn)的再生恢復(fù)率最低。

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Aging and reclaiming of rubbermodified asphalt

CHEN Zhong
（China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd．，Xi＇an 710043，China）

We add ressed the impact of aging on the properties of rubber modified asphalt with thermo-oxidative ageing method．We also restored its softening point，penetration and ductility by regenerant addition．Experimental results show that softening point of matrix asphalt and rubber modified asphalt increases，but their penetration and ductility decrease after aging，The attenuation rate of softening point and penetration of matrix asphalt is greater than that of rubber modified asphalt，except that of ductility．Regenerant can restore the properties of rubber modified asphalt，but its softening point and ductility decrease and its penetration slightly increases，as compared with the control sample．Its recovery efficiency gradully reduces for ductility，penetration and softening point．

rubber modified asphalt；aging and reclaiming；attenuation rate；regenerative recovery rate

U414.701

A

1002-4026（2014）01-0092-06

10.3976／j.issn.1002－4026.2014.01.016

2013-07-12

陳中（1982－），男，工程師，研究方向?yàn)槁坊访婀こ獭mail：414398891＠qq．com