溫拌橡膠復合瀝青抗老化性能研究

摘 要：提高橡膠瀝青路面性能的試劑有很多，一般常用的溫拌改性劑是Sasobit 溫拌劑，選擇Sasobit 溫拌劑的主要依據是由該溫拌劑良好的性能決定的。在實際工程應用中，由于受環境以及地理位置等不確定因素的影響，瀝青路面會遭受各種病害，這些病害會導致路面使用年限縮短的問題，降低路面使用的可靠性和安全性。為提高瀝青路面的使用壽命，降低路面建設和維護的成本，本文主要針對熱、氧、水三個因素對瀝青在Sasobit溫拌劑作用下老化程度的影響，通過構建模型，研究橡膠瀝青老化機理。為研究溫拌橡膠瀝青性能的差異性，選用常規的性能試驗方法。試驗研究發現，因瀝青內部組成的相互作用，受養水老化影響，在受熱老化后的瀝青，化學組成中芳香分與飽和分含量減少，膠質與瀝青質含量增加。通過常規的性能試驗，溫拌橡膠瀝青的粘度與延度變大，針入度變小。相較于熱-氧-水浸，熱-氧-水蒸氣條件下，溫拌橡膠瀝青粘度的增長速度更快。

關鍵詞：溫拌橡膠瀝青；熱氧老化；延度文章編號：2095-4085（2024）08-0191-05

0 引言

瀝青路面所遭受病害的程度，因路面車輛數量增多、載重提高而逐漸增大，主要病害包括坑槽、開裂等。為有效緩解路面病害對交通路面造成的影響，通常采用添加瀝青改良劑的方法，提高瀝青路面的性能，這是一種最經濟實惠的方法［1］。通常情況下，橡膠類改性瀝青粘性與低溫抗裂性能良好，樹脂類改性瀝青在低溫條件下雖然抗裂性不佳，但在高溫下穩定性能卻很好。作為具有樹脂與橡膠特性結合體的熱塑性橡膠，表現出了優異的使用性能，例如其抗老化性與高溫穩定性［2］。通過模擬實驗和工程實踐都證明，橡膠瀝青路面具有非常好的使用性能，主要表現在橡膠瀝青路面的抵抗重載、降低噪音、延緩反射裂縫等方面。隨著我國公路事業的快速發展，對橡膠瀝青路面的使用逐漸增多，這得益于橡膠瀝青路面優異的性能。相關學者和施工人員，就橡膠瀝青路面的抗疲勞開裂、抗車轍性以及降噪效果進行深入研究，研究表

明，瀝青混合料可以用攪拌溫度和攤鋪方式進行類別劃分，分別為冷拌、熱拌瀝青混合料［3］。目前，路面工程中常用的是熱拌橡膠瀝青混合料，主要是因為，熱拌橡膠瀝青混合料具有低污染和節約資源的優勢。隨著科學技術的發展進步，溫拌技術被普遍使用［4］。溫拌技術具有更加環保的性能，在實際工程施工過程中，可有效降低有害氣體的排放，并且達到提升路面使用性能的效果［5］。基于此，本文的研究對象是溫拌橡膠瀝青，對溫拌橡膠瀝青抗老化的性能進行研究分析，為溫拌橡膠瀝青的推廣應用提供借鑒。

1 原材料及制備

1.1 瀝青

瀝青的測試，參照國家與行業關于瀝青混合料試驗相關規程和規范標準進行，測試樣本的瀝青是金博70# A級道路石油瀝青，根據上述規程對瀝青相關性質進行相關測試，具體測試性能指標如表1所示。

1.2 橡膠粉

研究的橡膠粉來自廢舊輪胎，該類橡膠屬于40目斜交胎橡膠粉，測試所需的大顆粒度分子由粉碎斷裂獲取。作為橡膠瀝青的重要成分，橡膠粉的性能是影響瀝青指標的重要因素。通過對橡膠粉的物理與化學性能進行測試，得到表2的測試結果。

1.3 溫拌劑

作為德國研發出的一款新型聚烯烴類改性劑，Sasobit溫拌劑一般以粉末或顆粒狀存在。Sasobit溫拌劑對提高施工過程中的工藝性及高溫穩定性具有良好的應用前景，同時還具有降低瀝青混合料生產溫度的功能。Sasobit溫拌劑的相關性能和參數指標如表3所示。

1.4 溫拌橡膠瀝青的配制

本研究中，基質瀝青是70#A級道路石油瀝青，將20%的40目橡膠粉與3%的Sasobit溫拌劑進行混合，采用混合攪拌溶脹的方式，得到溫拌橡膠瀝青。以濕法工藝制備研究所需要的橡膠瀝青，該方法的大概流程是：最開始，在170℃條件下將1kg基質瀝青進行預熱，先加入Sasobit溫拌劑含量占3%，通過5min的攪拌，把40目橡膠粉加入到基質瀝青中，加入的比例是基質瀝青質量的20%，再往已經預熱的基質瀝青中摻入橡膠粉，確保整個過程均勻攪拌。攪拌時，攪拌器的速率是1 000r/min，持續40min，配料溫度控制在165～175℃。完成攪拌后，把充分攪拌的溫拌橡膠瀝青放到樣皿內，進行密封處理，置于室溫條件下進行冷卻，時間為12h，然后對指標進行測試。

2 試驗方法

2.1 瀝青指標測試

針入度和延度測試。針入度測試所使用的儀器設備是SYD-2801E型針入度試驗儀，測試所遵循的標準規范是《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）。對瀝青延度進行測試所使用的設備是DF-5型瀝青延度測試儀，所遵循的標準規范與針入度一致［6］。

2.2 熱-氧-水浸老化試驗

熱-氧-水浸老化試驗。對熱-氧-水浸老化進行試驗的過程如下：將烘箱溫度加熱到163℃后，把裝有水的不銹鋼桶置于烘箱內；將溫拌橡膠瀝青通過試樣盛皿置于桶內，水不能將瀝青完全浸沒；讓烘箱保持恒溫163℃并加熱5h，將瀝青試樣從烘箱中取出，進行烘干處理，確保表面沒有殘余水分；最后，在干燥容器內將試樣進行封閉存放，直至其溫度達到室溫。

2.3 熱-氧-水蒸氣老化試驗

熱-氧-水蒸氣老化試驗。熱-氧-水蒸氣老化試驗的過程如下：先將電磁爐預熱，將盛有二分之一水的高壓鍋置于電磁爐上，將圓形蒸架置于高壓鍋的水面上；將內盛溫拌橡膠瀝青的樣品盛皿置于蒸架上，噴灑1.5cm厚度水層在瀝青表面；在加熱過程中有效避免水過早被蒸發，要按照固定時間，間隔加水，時間間隔為2h，加熱過程持續5h，此試驗記為①；以同樣的步驟進重復上述試驗，只是加熱時間持續15h，該試驗記作②；為保證試驗數據的準確性，需確保試驗期間，高壓鍋內壓強確保為標準大氣壓強的二倍。當達到試驗規定要求的時間后，從高壓鍋中把試驗的瀝青樣品取出，進行烘干處理；在干燥容器內，對試樣進行封閉存放，直至其冷卻到室溫為止［7］。

3 結果與討論

3.1 常規三大指標

3.1.1 針入度

作為瀝青的一個重要指標，針入度是衡量瀝青粘稠程度的指標，針入度指標是國際上評價瀝青等級的重要依據。瀝青粘稠度越小，它對應的針入度值就越大。通過配制所得到的溫拌橡膠瀝青，可能含有橡膠顆粒，橡膠顆粒的存在，會增大針入度的離散性，這并不妨礙針入度作為反映瀝青軟度、硬度兩個性能的重要指標，這也是針入度成為評價瀝青指標的主要原因之一。5s內，在規定的溫度下，把標準針插入瀝青內，對插入的深度進行記錄，記錄時所采用的單位是0.1mm。

在15℃、20℃、25℃、30℃溫度下，分別進行針入度試驗，依此來研究Sasobit溫拌橡膠瀝青在熱氧水老化前后的特性。圖1是該試驗的研究結果。

由上圖可知，被熱氧水老化處理后，Sasobit溫拌橡膠瀝青針入度降低了。該結果表明，溫拌橡膠瀝青針入度受氣態水與液態水的影響，二者都使其針入度數值降低。導致這一結果的根本原因，是飽和分和芳香分受瀝青老化的作用，含量降低，但是瀝青含量反而增大。同時，化學組分發生變化，導致瀝青膠體結構從最初的溶膠型轉變為凝膠型，使瀝青的狀態變得更為堅硬。

將Sasobit溫拌橡膠瀝青在同一溫度下，在熱-氧-水浸老化與熱-氧-水蒸氣老化后不同狀況下進行測試，對針入度下降幅度進行對比，在熱-氧-水浸老化的條件下，針入度減小程度更大，即影響更明顯。導致這種結果的原因，是由于熱-氧-水蒸氣的老化，使溫拌橡膠瀝青的表面產生大量微小孔隙，這些小孔隙會加大瀝青的蓬松度。測試時，如果試針恰好插入該區域，必然導致測試結果偏大。同時，橡膠顆粒的存在，導致橡膠瀝青產生不均勻性，也是導致發生離散的主要原因。研究結果表明，與水蒸氣相比，液態水影響針入度老化的程度更高。

3.1.2 延度

延度是指瀝青抵抗外力拉伸塑性變形的能力，是評價瀝青性能的重要指標之一。在低溫環境下，對溫拌橡膠瀝青延度進行測試時，橡膠粉顆粒的存在，導致拉伸應力在該處集中。如果拉伸速率以規定的50mm/min進行，則會引發溫拌橡膠瀝青過早發生斷裂，對測試結果造成很大影響。在實際測試中，為了獲得準確可靠的數據，在低溫延度測試中，通常以低速率進行拉伸，此次測試選用的速率為10mm/min。圖2是測試結果。

從圖中不難發現，Sasobit溫拌橡膠瀝青的延度的大小，在熱氧水老化前后于15℃與25℃下依次是：熱-氧-水蒸氣老化15h gt; 熱-氧-水浸老化5hgt;熱-氧-水蒸氣老化5hgt;未老化。該結果證明，水蒸氣與液態水導致溫拌橡膠瀝青延度發生變化，而后者的影響程度更大。瀝青延度隨著熱-氧-水蒸氣老化時間的增加而變大，導致這種結果最大的原因，是瀝青內部拉伸應力因為橡膠顆粒存在而變大，在該試驗條件下進行測試時，熱、氧和水蒸氣會導致發生耦合作用，增大橡膠瀝青內部成分的遷移速率。

3.2 彈性恢復

彈性恢復是衡量瀝青在外力作用后，恢復至最初狀態性能的指標，常被用來衡量瀝青的抗變形能力、抗高溫性能、抗疲勞性。美國學者曾指出，彈性恢復能夠反映橡膠瀝青反射裂縫性能與抗疲勞性能，是評價瀝青性能好壞的重要參考指標。試驗價格見圖3。

根據圖3得知，Sasobit溫拌橡膠瀝青彈性恢復指標的大小，在熱氧水老化前后在25℃下依次是：熱-氧-水浸老化5h gt; 熱-氧-水蒸氣老化5h gt; 熱-氧-水蒸氣老化15h。該結果說明，溫拌橡膠瀝青彈性恢復的指標受熱-氧-水浸老化的影響，經過熱-氧-水浸老化后，彈性恢復增加，彈性恢復在熱-氧-水蒸氣老化測試條件下，彈性恢復降低。需要指出的是，在熱-氧-水蒸氣老化試驗下，彈性恢復下降的數值，5h比15h更大。導致這種結果的原因，在5-10h間隔內，由于橡膠的不斷溶脹，使膠粉和瀝青的交聯網絡結構更加復雜。但是，隨著其老化時間的推移，小分子會轉變為大分子，這主要是由于水蒸氣引起的瀝青油分揮發和氧化導致的，并且伴隨著橡膠主鏈中的硫鍵斷裂，致使溫拌橡膠瀝青彈性恢復變小，得知瀝青變得更硬、更脆。

3.3 粘度

粘度用以衡量溫拌橡膠瀝青受外力時所具有的抗變形能力。一般情況下，溫拌橡膠瀝青粘度較高，而60℃已經使得布什粘度計不能適用，為了獲取準確的數據，本文以更高溫度分別是135℃、150℃、165℃和180℃進行測試。粘度試驗結果如圖4所示。

在135℃下，Sasobit溫拌橡膠瀝青在5h熱-氧-水浸老化后其粘度為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，增加倍速分別是10.3倍、 13.2倍。該試驗結果說明，Sasobit溫拌橡膠瀝青受熱-氧-水浸老化影響程度較大，瀝青內部結構受液態水浸入而發生形變，使粘度增加幅度大，并且影響幅度比熱-氧-水蒸氣老化條件更大。

在135℃、150℃、165℃和180℃條件下，Sasobit溫拌橡膠瀝青在老化前與熱-氧-水蒸氣老化后其粘度的變化次序為：熱-氧-水蒸氣老化15h＞熱-氧-水蒸氣老化5h＞水老化前。該結果表明，兩種溫拌橡膠瀝青在熱-氧-水蒸氣老化條件下，其膠體結構和成分都受到影響，使得粘度變大。粘度的增加速度，在老化時間推移下愈加明顯。

4 結論

通過研究，在經歷熱氧水老化前后條件下，Sasobit溫拌橡膠瀝青宏觀性能的變化趨勢，同時研究感溫性能的變化。研究分析，得出以下結論：

（1）Sasobit溫拌橡膠瀝青的針入度，在熱氧水老化影響下會降低，并且針入度受熱-氧-水浸老化影響的程度更大。

（2）Sasobit溫拌橡膠瀝青，在不同溫度下受熱氧水老化的影響，導致其延度顯著增大，延度同時受水蒸氣和液態水的影響，并且是積極影響。

（3）彈性恢復的性能，在熱-氧-水浸老化后條件下增大，而在熱-氧-水蒸氣老化后條件下則減小。

（4）老化后，溫拌橡膠瀝青粘度增大，熱-氧-水浸老化條件下比熱-氧-水蒸氣老化條件下的增幅更大，這種變化在高溫下尤為明顯。

參考文獻：

［1］張戰軍，周鑫杰，黃港竣，等.改性廢輪胎橡膠粉對溫拌瀝青特性影響的研究［J］.現代化工，2022，42（5）：192-196.

［2］劉宇，國良，駱錦安，等.不同熱-氧-水老化條件對Evotherm溫拌橡膠瀝青性能的影響［J］.公路，2019，64（8）：188-193.

［3］劉宇，楊國良，駱錦安，等.短期老化與熱-氧-水蒸氣老化作用下溫拌橡膠瀝青的性能分析［J］.中國膠粘劑，2020，29（8）：21-26.

［4］齊秀廷，秦陽.紫外老化對溫拌橡膠瀝青流變性能的影響［J］.公路，2016，61（7）：270-273.

［5］楊國良，黃文杰，彭少策，等.熱-氧-水耦合老化作用對溫拌橡膠瀝青流變性能影響［J］.廣東建材，2023，39（3）：19-22.

［6］楊國良，謝禮煥，黃祥鵬，等.橡膠粉摻量對Sasobit溫拌橡膠瀝青抗短期老化性能影響［J］.路基工程，2019（4）：96-99，115.

［7］馬育，何兆益，何亮，等.溫拌橡膠瀝青的老化特征與紅外光譜分析［J］.公路交通科技，2015，32（1）：13-18.

作者簡介：劉華慶（1986—），男，漢族，山東濟南人，碩士研究生，中級工程師。研究方向：道路交通工程質量和安全管理。