廢輪胎熱解炭黑改性瀝青抗紫外老化性能分析

■王金偉

（福建省福泉高速公路有限公司，福州 350011）

隨著交通行業的發展，廢舊輪胎的摻量與正增長速率也在逐年增加。2020 年，世界上的廢舊輪胎的積存量已經超過了50 億條。廢舊輪胎的存量如此龐大，如果不進行有效回收處理，將會成為“黑色垃圾”。目前我國各種廢舊橡膠回收利用率較低，僅為5%，比國外優良水平低3%～4%，另外還有約2%的廢舊輪胎長期堆放。目前輪胎回收主要的方法有制備膠粉、焚燒和熱解。其中廢輪胎熱解技術處理量大、成本低、效益高，環境污染小，不僅解決了廢輪胎堆積帶來的危害和環境污染，還可以將廢輪胎分解成大量的高附加值化工原料，是一種資源化、無害化、減量化的廢棄物處理技術，屬于廢輪胎的無害化處理和資源化利用的良好路徑。通過該方法處理回收的產物包括：廢輪胎熱解炭黑（WTPC）35%；可燃氣10%；燃料油45%；鋼及玻璃纖維10%[1]，其中鋼絲、燃料油、炭黑等屬于國家戰略緊缺資源，炭黑更是作為一種優良的瀝青改性劑被廣泛應用[2]，其可以將紫外光反射和折射從而延緩瀝青在紫外光環境下的老化。但是目前大部分研究都集中于工業炭黑，對于廢輪胎熱解炭黑的抗紫外老化性能仍缺乏相關研究。因此本文對再生炭黑改性瀝青進行室內紫外老化加速老化試驗，研究廢輪胎熱解炭黑的摻入對瀝青抗紫外老化性能的影響。

1 原材料

1.1 基質瀝青

試驗所用基質瀝青為福建省常用70# 道路石油瀝青，其技術指標檢測結果如表1 所示。

表1 70# 基質瀝青主要技術指標

1.2 廢輪胎熱解炭黑

廢輪胎熱解炭黑為黑色粉末，具有大量微孔，能有效對紫外光進行吸收。將廢輪胎熱解炭黑作為道路石油瀝青的改性劑，一方面，能夠拓寬廢輪胎熱解炭黑的應用，促進廢輪胎熱解行業的發展，達到廢輪胎固廢資源化利用的目的；另一方面，添加廢輪胎熱解炭黑后，能夠提升改性瀝青性能，還能夠降低單位質量瀝青混凝土中瀝青含量。廢輪胎熱解炭黑的生產采用高溫密閉裂解反應爐，將廢輪胎投入到高溫密閉裂解反應爐中并充入惰性氣體，在高溫環境下進行熱裂解。將產生的可燃氣和燃料油收集后剩下的便是炭黑和鋼絲。將鋼絲剔除后對剩下的廢輪胎熱解炭黑進行水洗、干燥、粉碎、收集即得到廢輪胎熱解炭黑。本文所用廢輪胎熱解炭黑為福建省某公司生產的廢輪胎熱解炭黑，其技術檢測結果如表2 所示。

表2 廢輪胎熱解炭黑主要技術指標

1.3 廢輪胎熱解炭黑改性瀝青

為防止廢輪胎熱解炭黑不能均勻分散在基質瀝青中或產生了離析，選擇采用高速剪切法制備廢輪胎熱解炭黑改性瀝青。廢輪胎熱解炭黑改性瀝青制備方法如下：首先將基質瀝青放入135℃的烘箱中加熱，直至基質瀝青成為流動狀態，同時將廢輪胎熱解炭黑平鋪在托盤中放入120℃烘箱中加熱烘干水分，直至廢輪胎熱解炭黑的質量不再變化。啟動高速剪切機，向基質瀝青逐步投入廢輪胎熱解炭黑，保持瀝青在155℃條件下以3000 r/min 轉速攪拌30 min。待廢輪胎熱解炭黑完全與基質瀝青混合后倒出備用。

總結國內外相關研究成果，廢輪胎熱解炭黑改性瀝青最佳摻量為基質瀝青的質量的15%[3-4]。因此本文所制備廢輪胎熱解炭黑改性瀝青中廢輪胎熱解炭黑的摻量為15%。

2 試驗方案

2.1 紫外老化設備

本次試驗所用室內紫外老化設備為自研的紫外老化試驗箱。該紫外老化試驗箱特點為可調整輻照強度和箱內溫度。箱內有兩個直管形紫外線高壓汞燈平行排列以模擬自然紫外光輻射，紫外光波長為360 nm。調整紫外光燈管和試樣的距離，使得試樣表面的輻照強度為10 W/m2，控制溫度使得箱內溫度為50℃左右。

2.2 瀝青老化試驗

瀝青老化試驗中采用的瀝青試樣盛樣皿為直徑120 mm、高度2 mm 的玻璃皿，向玻璃皿中分別倒入基質瀝青和廢輪胎熱解炭黑改性瀝青，控制瀝青薄膜厚度為0.8 mm。

將廢輪胎熱解炭黑改性瀝青和基質瀝青試樣放入紫外老化設備中進行紫外老化，老化時間分別為12 h、1 d、3 d、7 d。

3 試驗結果分析

3.1 針入度

瀝青的針入度指標可以表征瀝青在不同溫度下的穩定性和抗裂性，對不同紫外老化時間的廢輪胎熱解炭黑改性瀝青和基質瀝青樣品分別在15℃、25℃、30℃條件下進行針入度檢測，針入度的檢測結果如圖1～3 所示。

圖1 15℃條件下針入度技術指標

圖2 25℃條件下針入度技術指標

圖3 30℃條件下針入度技術指標

由試驗結果可知：（1）廢輪胎熱解炭黑改性瀝青的針入度較基質瀝青下降，隨著紫外老化時間的增加，紫外老化程度逐漸加深，基質瀝青和廢輪胎熱解炭黑改性瀝青的針入度逐漸減小。（2）由基質瀝青和廢輪胎熱解炭黑改性瀝青在不同紫外老化時間下針入度變化趨勢可以看出，基質瀝青15℃針入度在7 d 紫外老化條件下降低了4.0 mm（15.8%）；25℃針入度在7 d 紫外老化條件下降低了12.8 mm（18.8%）；30℃針入度在7 d 紫外老化條件下降低了17.6 mm（16.9%）。廢輪胎熱解炭黑改性瀝青15℃針入度在7 d 紫外老化條件下降低了2.7 mm（12.2%）；25℃針入度在7 d 紫外老化條件下降低了7.9 mm（13.1%）；30℃針入度在7 d 紫外老化條件下降低了12.6 mm（13.2%）。輪胎熱解炭黑改性瀝青的針入度降低速率明顯低于基質瀝青，說明廢輪胎熱解炭黑有效緩解了瀝青的紫外老化。

3.2 軟化點

軟化點可以有效表征瀝青的高溫性能，對不同紫外老化時間的廢輪胎熱解炭黑改性瀝青和基質瀝青樣品進行軟化點檢測，軟化點的檢測結果如圖4所示。

圖4 軟化點技術指標

由試驗結果可知：（1）基質瀝青中摻入廢輪胎熱解炭黑后軟化點升高，瀝青的高溫性能增強。（2）隨著紫外老化時間的增加，基質瀝青和廢輪胎熱解炭黑改性瀝青的軟化點均逐漸升高。紫外老化7 d 后廢輪胎熱解炭黑改性瀝青軟化點增加了15.3%，基質瀝青增加了19.3%。廢輪胎熱解炭黑改性瀝青軟化點提升速率明顯低于基質瀝青，說明廢輪胎熱解炭黑有效緩解了瀝青的紫外老化，隨著老化時間的延長基質瀝青的軟化點將逐漸超過廢輪胎熱解炭黑改性瀝青。

3.3 BBR 性能

BBR 試驗能夠有效表征瀝青在低溫環境下的蠕變勁度模量S 和應力松弛能力m，因此可用來評價瀝青的低溫性能。對不同紫外老化時間的廢輪胎熱解炭黑改性瀝青和基質瀝青樣品進行BBR 性能檢測，設定BBR 試驗溫度為－12℃，荷載施加時間為60 s，BBR 試驗結果見圖5～6。

圖5 蠕變勁度模量

圖6 應力松弛能力

由試驗結果可知：（1）廢輪胎熱解炭黑改性瀝青相較基質瀝青蠕變勁度模量S 增大，應力松弛能力m減小，因此廢輪胎熱解炭黑的摻入使得基質瀝青的低溫性能下降。（2）基質瀝青在紫外老化7 d 后蠕變勁度模量S 增加了53.9%，應力松弛能力m 降低了6.8%；廢輪胎熱解炭黑改性瀝青在紫外老化7 d后蠕變勁度模量S 增加了36.1%，應力松弛能力m降低了5.6%。

雖然廢輪胎熱解炭黑的摻入降低了基質瀝青的低溫性能，但是廢輪胎熱解炭黑改性瀝青具有更好的抗紫外老化性能，在紫外老化后能保持更好的柔性和應力松弛能力。因此廢輪胎熱解炭黑改性瀝青在紫外老化環境下具有更好的低溫性能。

3.4 結果分析

（1）廢輪胎熱解炭黑的加入吸附了瀝青中的輕質組分使得瀝青變得更加粘稠從而使得基質瀝青變硬。因此廢輪胎熱解炭黑瀝青相較基質瀝青針入度降低，軟化點升高，蠕變勁度模量升高，應力松弛能力降低。（2）瀝青在紫外光環境下發生了老化，飽和分和芳香分向瀝青質大分子轉變，從而使得瀝青變硬，針入度下降，軟化點升高，低溫性能降低，抗裂性降低。（3）廢輪胎熱解炭黑作為一種紫外光吸收劑均勻的分散在基質瀝青中，能有效吸收紫外光，從而減緩瀝青中飽和分和芳香分的揮發，明顯減緩了瀝青在在紫外老化環境下的硬化，延緩了紫外光對瀝青的老化作用。（4）雖然廢輪胎熱解炭黑的摻入使得基質瀝青的針入度和應力松弛能力下降，軟化點和蠕變勁度模量升高，但是隨著紫外老化時間的增加，廢輪胎熱解炭黑改性瀝青由于具有更好的抗紫外老化性能，性能衰減較基質瀝青更為緩慢，其高、低溫性能，柔性也會逐漸超越基質瀝青。

4 結論

本文通過室內紫外光老化模擬試驗，圍繞廢輪胎熱解炭黑對基質瀝青的抗紫外老化性能影響展開研究，得出結論如下：（1）廢輪胎熱解炭黑摻入基質瀝青質中使得瀝青的高溫性能得到增強，柔性和低溫性能降低。（2）廢輪胎熱解炭黑能吸收自然環境下紫外光，緩解瀝青在紫外光老化環境下的硬化，將其摻入基質瀝青之中能有效提升瀝青的抗紫外老化性能，降低瀝青的紫外光敏感度，從而可以有效提高瀝青路面的服役壽命。（3）廢輪胎熱解炭黑作為廢輪胎熱解的產物之一，比起一般傳統工業炭黑的制程，降低了約90%的碳排放量，環境效益顯著。廢輪胎熱解炭黑以15%的摻量摻入瀝青之中，既能提升瀝青性能，還能降低單位質量瀝青混凝土中瀝青含量，從而有效瀝青路面的材料成本，經濟效益顯著。