回收橡胶树脂改性剂对沥青混合料性能的影响

仇朝珍

(青海交通职业技术学院，青海 西宁 810001)

改性沥青通过掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细橡胶粉或其他填料等外掺剂(改性剂)，或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善制成沥青结合料。工业固体废弃物逐年累积，不但占用大量的土地面积，更会对环境造成恶劣影响，将回收材料应用于沥青改性中，既可制作优良的改性沥青和改性沥青混合料，还可节约成本保护环境。为此，国内外道路工作者对此进行了大量的研究工作。RE Muthu研究了废旧橡胶粉改性剂和低密度聚乙烯对沥青性能的影响，指出当废旧橡胶粉改性剂和低密度聚乙烯掺量达到一定比例后，沥青混合料具有良好的抗高温和低温性能；O Dasek等研究了废旧橡胶粉对沥青老化性能的影响，指出，废旧橡胶粉可提高沥青抗老化性能；XH Kang等研究了不同废旧橡胶粉掺量对路用性能的影响，指出废旧橡胶粉掺量为15%时，路用性能有明显改善；ZG Feng等研究了由废旧橡胶粉制成的热解炭黑对混合料高温稳定性能的影响，指出热解炭黑可以提高混合料的高温性能；郭琦等研究了废旧橡胶粉掺量对基质沥青性能的影响，指出废旧橡胶粉对沥青性能有较大提升，当掺量为18%～24%时，橡胶沥青性能最优；朱梦良等研究了废旧橡胶复合改性沥青对混合料路用性能的影响，指出废旧橡胶复合沥青可以提高混合料的高温和水稳定性能；徐鸥明等研究了废旧橡胶掺量对橡胶改性技术的影响，指出掺废旧橡胶粉使得针入度减小，延度增大；牛冬瑜等研究了不同的剪切时间、温度、速率对废旧橡胶粉、地沟油复合改性沥青性能的影响，指出加工参数对复合改性沥青性能起着决定性作用。上述研究无疑对研究改性沥青及废旧橡胶利用起到了重要作用，但是对回收橡胶粉、回收聚乙烯蜡、丁苯橡胶形成的复合改性剂沥青性能的相关研究较少，因此，该文研究回收橡胶树脂对改性沥青性能的影响。

1 原材料配合比及试验方案

1.1 原材料

(1) 沥青。采用中海70A基质沥青(简称ZH)，盘锦70A基质沥青(简称PJ)，东海70A基质沥青(简称DH)，其技术指标均满足相关规范要求。

(2) 回收聚乙烯腊。采用黑色块体回收聚乙烯腊(简称RPW)，其技术指标略。

(3) 回收橡胶粉。回收橡胶粉(简称CRP)的技术指标见表1。

表1 橡胶粉技术指标

(4) 丁苯橡胶。采用PSBR1502丁苯橡胶，其技术指标略。

(5) 集料。采用石料厂生产的粗集料、机制砂和矿粉，其技术指标略。

1.2 配合比

拟采用AC-20沥青混合料级配，为增加试验的可靠性采用两组级配，为表述方便简称JP1和JP2(表2)，根据JTJ 052-2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》采用马歇尔方法确定JP1最佳油石比为4.0%，JP2最佳油石比为3.9%。

表2 AC-20沥青混合料两种级配

1.3 试验方案

1.3.1 回收橡胶树脂复合改性剂配比

回收橡胶树脂是RPW与CRP经高温裂解的产物。回收橡胶树脂与SBR形成的复合改性剂称为回收橡胶复合改性剂(为方便表述简称为“RRCM”)。优化的RRCM成分配比见表3。

1.3.2 老化试验方法

设计了两种老化试验方法，热氧老化采用薄膜烘箱试验模拟沥青的热氧老化，老化时间为5 h，试验温度为163 ℃；紫外老化采用聚合物紫外老化箱进行，老化时间为5 h，紫外线强度为8 000 μW/cm2，试验中不进行加热，采用灯光散热效应增加沥青温度，试验过程控制沥青表面温度低于100 ℃。

2 RRCM对沥青性能的影响

2.1 RRCM对沥青三大指标的影响

为了验证RRCM对沥青三大指标的影响，选择3种沥青ZH、PJ、DH进行沥青三大指标试验，掺入12%的RRCM，不同沥青掺入不同型号的RRCM后，其性能对比结果见表4。

表4 不同沥青性能对比试验结果

注：参照组指不掺入RRCM。下同。

由表4可知：

(1) RRCM的加入使得沥青针入度降低，两种型号的RRCM对沥青针入度影响相差不大，基本上从70(0.1 mm)降到40(0.1 mm)，沥青针入度反应沥青的感温性能，针入度降低说明沥青的感温性能降低，说明沥青的抗高温性能提高；RRCM的掺入可以提高沥青的延度，3种基质沥青延度刚刚满足规范要求，掺入RRCM后，沥青10 ℃延度基本为150 cm以上；RRCM的掺入可以使沥青的软化点提高20 ℃左右。这是因为，橡胶粉颗粒和沥青中的胶质结合在一起，形成一种新的分散质，在一定的温度搅拌下，使得分散质能和沥青界面较好地结合，黏结性较好，随着橡胶粉掺量的增加，沥青分子和橡胶粉结合形成的分散质数量增加，并且，未发生反应的橡胶粉和沥青胶体中的分散质相互亲和，结合的几率增大，起到了很好的改性作用。

(2) 针入度指数真正能反映沥青的感温性能。沥青的针入度指数一般为-1.0～+1.0，针入度指数过大路面容易产生车辙，过小容易产生低温裂缝。在加入RRCM之后，3种基质沥青的针入度指数都变大，说明RRCM可提高沥青的高温抗车辙、低温抗开裂性能。

(3) RRCM可提高沥青的当量软化点，至少提高5 ℃；RRCM对沥青塑性温度范围影响不大，说明RRCM没有明显提高基质沥青的低温性能；3种基质沥青的塑性温度范围ΔT比较小，为63 ℃左右，而SBS的塑性温度区间为70 ℃左右，明显比基质沥青大。RRCM的加入，提高了沥青的塑性温度区间，提高幅度为6 ℃左右，达到了与SBS相近的程度。其原因在于，RRCM大幅提高了沥青的当量软化点T800、而当量脆点T1.2又与基质沥青相差不大，这样就增加了沥青作为黏弹性体的温度区间，提高了沥青的气候分区适应性。

2.2 RRCM对改性沥青老化性能的影响

为了研究RRCM对沥青混合料老化性能的影响，选择3种沥青ZH、PJ、DH进行沥青薄膜老化和紫外线老化，掺入10%的RRCM，不同沥青掺入不同型号的RRCM后，试验结果见表5。

表5 不同沥青老化试验结果

由表5可知：

(1) 经过薄膜老化、紫外线老化后，SBS改性沥青、基质沥青、掺回收橡胶树脂的沥青，与未老化前沥青相比，针入度明显降低。这是因为紫外线的老化和热氧老化一样，使得沥青中芳香芬含量降低，胶质含量增加，沥青变硬；SBS改性沥青紫外线老化后的针入度小于热氧老化后的针入度，说明SBS改性沥青对紫外老化更为敏感；RRCM的掺入使得沥青的针入度减小，紫外线老化的针入度小于热氧老化后的针入度，说明RRCM改性沥青对紫外老化更为敏感，因为在RRCM中，含有回收的PE原材料，这些原材料在生产时就有一部分热稳定剂在里面，但光稳定剂较少，所以RRCM改性沥青在热氧老化情况下有一定的抵抗性能，而对紫外线较为敏感。而且1#RRCM和2#RRCM之间的区别是PR中橡胶粉掺量的多少，1#RRCM橡胶粉的比例较2#RRCM多了10%。

(2) 经过薄膜老化、紫外线老化后，SBS改性沥青、基质沥青、掺回收橡胶树脂的沥青，与未老化前沥青相比，延度明显降低；热氧老化是沥青老化的主要原因，SBS改性沥青的10 ℃延度，经历薄膜老化后，下降40%以上，经历紫外线老化后，下降30%以上；基质沥青的10 ℃延度，经历薄膜老化后，下降50%以上，经历紫外线老化后，下降40%以上。RRCM改性沥青10 ℃延度，经历薄膜老化后，下降50%以上，经历紫外线老化后，下降40%以上。这是因为道路沥青的老化是由于沥青中活性基团与空气中的氧气和紫外线反应的结果，产物主要为羰基与亚砜官能团，深度老化有可能生成羧基官能团。分子间的缔合与缩聚作用，使得老化后沥青的平均分子量增加。从组成与性质上分析，老化后沥青中胶质减少，沥青质增加，软化点升高，黏度增大，针入度与延度下降。

(3) 经过薄膜老化、紫外线老化后，SBS改性沥青、基质沥青、掺回收橡胶树脂的沥青，软化点略微提升，但是变化并不明显。这是因为SBS改性沥青和RRCM中的热稳定剂起到了抵抗热氧老化和紫外线老化的作用。

3 RRCM对沥青混合料路用性能的影响

3.1 RRCM对沥青混合料高温稳定性能的影响

为了研究RRCM对沥青混合料高温稳定性能的影响，选择ZH、PJ、DH 3种沥青，JP1和JP2两组级配，掺入10%的RRCM，进行混合料高温稳定性试验，按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型车辙板，不同沥青混合料动稳定度试验结果见表6。

表6 不同沥青混合料动稳定度试验结果 次/mm

对表6中数据进行归一化处理，其结果见表7。

表7 不同沥青混合料动稳定度试验结果归一处理结果

由表6、7可知：RRCM可提高沥青混合料高温抗车辙性能，1#RRCM沥青混合料抗高温性能优于2#RRCM，1#RRCM至少可提高沥青混合料高温稳定性能132%，这是因为RRCM可降低沥青混合料感温性能，增加沥青黏度，使得沥青混合料黏结性能增大，因此混合料高温稳定性能提高。

3.2 RRCM对沥青混合料低温抗裂性能的影响

为了研究RRCM对沥青混合料低温抗裂性能的影响，选择ZH、PJ、DH 3种沥青，JP1和JP2两组级配，掺入10%的RRCM，进行混合料低温抗裂性能试验，按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型车辙板，将车辙板切成棱柱体小梁试件，尺寸为250 mm×30 mm×35 mm，不同沥青混合料抗弯拉应变见表8，抗弯拉强度见表9。

对表8、9中数据进行归一化处理，其结果见表10、11。

表8 不同沥青混合料抗弯拉应变试验结果 με

表9 不同沥青混合料抗弯拉强度试验结果 MPa

表10 不同沥青混合料抗弯拉应变试验结果归一处理结果

表11 不同沥青混合料抗弯拉强度试验结果归一处理结果

由表8～11可知：RRCM可提高沥青混合料低温抗裂性能，1#RRCM沥青混合料抗高温性能优于2#RRCM，1#RRCM至少可提高沥青混合料抗弯拉强度33%，这是因为RRCM可降低沥青混合料感温性能，增加沥青黏度，使得沥青混合料黏结性能增大，因此混合料低温抗裂性能性能提高。

3.3 RRCM对沥青混合料水稳定性能的影响

为了研究RRCM对沥青混合料水稳定性能的影响，选择ZH、PJ、DH 3种沥青，JP1和JP2两组级配，掺入10%的RRCM，进行混合料水稳定性试验，按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》成型马歇尔试件，采用浸水马歇尔残留稳定度MS0和冻融劈裂强度比TSR作为水稳定性评价指标。不同沥青混合料马歇尔残留稳定度、冻融劈裂强对比试验结果见表12、13。

对表12、13中数据进行归一化处理，其结果见表14、15。

由表12～15可知：1#RRCM可提高沥青混合料的水稳定性能，马歇尔残留稳定度至少可提高13%，冻融劈裂强度比至少可提高14%；2#RRCM使得沥青混合料的冻融劈裂强度比降低，这是因为RPW可提高沥青混合料的水稳定性，随着RPW的减少，沥青混合料的水稳定性能降低。

表12 不同沥青混合料马歇尔残留稳定度试验结果 %

表13 不同沥青混合料冻融劈裂强度比试验结果 %

表14 不同沥青混合料马歇尔残留稳定度试验结果归一处理结果

表15 不同沥青混合料冻融劈裂强度比试验结果归一处理结果

4 结论

(1) 研究了RRCM对沥青三大指标的影响，结果表明：RRCM的加入使得沥青针入度降低，两种型号的RRCM对沥青针入度影响相差不大，基本上从70(0.1 mm)降到40(0.1 mm)；RRCM的掺入可以提高沥青的延度，3种基质沥青延度刚刚满足规范要求，掺入RRCM后，沥青10 ℃延度基本为150 cm以上；RRCM的掺入可以提高沥青的软化点，大约20 ℃；提高沥青的当量软化点至少5 ℃。

(2) 研究了RRCM对沥青抗老化性能的影响，结果表明：经过薄膜老化、紫外线老化后，掺回收橡胶树脂的沥青，与未老化沥青相比，针入度明显降低，RRCM的掺入使得沥青的针入度减小，紫外线老化针入度小于热氧老化后的针入度；与未老化沥青延度相比，延度明显降低，热氧老化是沥青老化的主要原因；与未老化沥青软化点相比，软化点略微提升，但是变化并不明显。

(3) 研究了RRCM对沥青混合料路用性能的影响，结果表明：RRCM可提高沥青混合料的路用性能，推荐采用1#RRCM，高温稳定性能至少提高132%，低温性能中抗弯拉强度至少提高33%，水稳定性能至少提高13%。