李因翔， 陳洪慶， 李闖民， 宋偉,

(1.中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司山東分院, 山東 青島 266000； 2.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院)

1 前言

中國汽車工業(yè)快速發(fā)展，廢舊輪胎的數(shù)量也逐年增多。據(jù)調(diào)查，到2018年底，中國產(chǎn)生的廢舊輪胎數(shù)量達(dá)到3.79億條，每年以8%～10%的數(shù)量急劇增長。如果廢舊輪胎不能被及時處理，就會造成大量堆積滋生細(xì)菌，不但占用土地資源，且容易發(fā)生火災(zāi)，惡化生態(tài)環(huán)境。熱解炭黑作為廢舊輪胎裂解的主要附屬產(chǎn)物，國內(nèi)外學(xué)者提出了將熱解炭黑作為瀝青的改性劑，提高其利用價值。

目前，國內(nèi)外關(guān)于熱解炭黑改性瀝青的研究中：一部分學(xué)者認(rèn)為熱解炭黑的摻入可以提高瀝青的高溫性能和抗老化性能，降低溫度敏感性，改善低溫性能；另一部分學(xué)者認(rèn)為熱解炭黑的摻入使瀝青的低溫性能有所下降；對于熱解炭黑在基質(zhì)瀝青中的分散情況和儲存穩(wěn)定性的研究較少。該文基于研究現(xiàn)狀，進(jìn)一步研究熱解炭黑改性瀝青的性能，通過瀝青常規(guī)試驗、熱老化試驗及瀝青流變試驗評價瀝青的高溫性能、低溫性能及抗熱老化性能，并結(jié)合聚合物分散性試驗與儲存穩(wěn)定性試驗評價熱解炭黑在基質(zhì)瀝青中的分散情況以及與基質(zhì)瀝青的相容性。綜合評價熱解炭黑改性瀝青作為膠結(jié)材料的可行性，并確定最佳摻量。

2 原材料及改性瀝青的制備

2.1 瀝青

采用國產(chǎn)A級70#基質(zhì)瀝青，檢測結(jié)果見表1，瀝青各項技術(shù)指標(biāo)滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。

表1 國產(chǎn)A級70#基質(zhì)瀝青檢驗結(jié)果

2.2 廢舊輪胎熱解炭黑

選用國產(chǎn)廢舊輪胎熱解炭黑，依據(jù)相關(guān)規(guī)范對其檢測，結(jié)果見表2，滿足JT/T 860.7-2017《瀝青混合料改性添加劑第7部分：廢舊輪胎熱解炭黑》要求。

表2 熱解炭黑檢驗結(jié)果

2.3 熱解炭黑改性瀝青的制備

首先將熱解炭黑平鋪在鐵盤上放入110 ℃烘箱中預(yù)熱6 h；將一定量的基質(zhì)瀝青于135 ℃烘箱中加熱熔融；稱取一定比例的熱解炭黑與基質(zhì)瀝青共混，攪拌均勻；先低速進(jìn)行剪切，使溫度上升到155 ℃后，剪切速率調(diào)至4 000 r/min，剪切45 min。此次試驗將熱解炭黑的摻量(以基質(zhì)瀝青質(zhì)量)定為9%、12%、15%、18%，分別命名為PCB-9%、PCB-12% 、PCB-15%、 PCB-18%。

3 廢舊輪胎熱解炭黑改性瀝青性能和評價

3.1 常規(guī)性能

不同摻量PCB改性瀝青基本性能測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同摻量PCB改性瀝青基本性能測試結(jié)果

由表3可知：隨著PCB摻量的增加，改性瀝青在25 ℃下的針入度值變小，延度下降，軟化點升高，黏度增加，這是由于PCB摻入基質(zhì)瀝青后，瀝青會變硬，變得更加黏稠，由此可見PCB可提高瀝青的抗變形能力；同時針入度指數(shù)隨著PCB摻量的增加而逐漸增大，當(dāng)量軟化點和當(dāng)量脆點也隨之升高，說明PCB的摻入提高了瀝青的高溫性能，降低了溫度敏感性，低溫性能有所下降。

3.2 抗熱老化性能

瀝青的老化是一個緩慢而長期的過程，瀝青作為混合料中集料之間的結(jié)合料，在拌和、施工和使用過程中都會受到外界某些因素(如紫外線、溫度、空氣)的影響使其發(fā)生一系列的物理和化學(xué)變化，使瀝青逐漸變硬發(fā)生脆裂，性質(zhì)變差，從而使得瀝青路面耐久度不足，使用壽命縮短。

采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱加熱試驗(RTFOT)，結(jié)束后，通過測定旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化后的質(zhì)量變化、瀝青的殘留針入度比、軟化點增值、黏度比、老化指數(shù)等，對瀝青的抗熱老化性能進(jìn)行評價。試驗結(jié)果見表4。

表4 不同摻量PCB改性瀝青RTFOT試驗結(jié)果

(1) 質(zhì)量變化率

瀝青在熱老化過程中質(zhì)量減少，隨著PCB摻量的增加，瀝青質(zhì)量損失率呈下降趨勢并趨于平緩，說明PCB的摻入提高了瀝青的抗熱老化性能。由于瀝青油分揮發(fā)會導(dǎo)致質(zhì)量減小，氧化作用又會使其質(zhì)量增加，因此僅靠質(zhì)量損失率評價瀝青的抗老化性能不足以說明問題，需要多個指標(biāo)共同評價。

(2) 殘留針入度比

試驗采用RTFOT 25 ℃條件下的針入度計算其殘留針入度比。瀝青老化后針入度明顯下降，隨著PCB摻量的增加，瀝青RTFOT老化后的針入度與老化前一致呈下降趨勢，后逐漸趨于平穩(wěn)，針入度差值減幅逐漸縮窄，殘留針入度比逐漸增大，不同摻量PCB改性瀝青的殘留針入度比基質(zhì)瀝青分別提升了3.3%、9%、12%、13.7%。

(3) 軟化點指標(biāo)分析

隨著PCB摻量的增加，其軟化點逐漸增大并趨于平穩(wěn)，經(jīng)RTFOT老化后的瀝青軟化點較老化前明顯增大，隨著PCB摻量的增加，RTFOT老化前后的軟化點差值逐漸縮窄。

(4) 60 ℃動力黏度

PCB改性瀝青RTFOT老化后的黏度逐漸增大，殘留黏度比呈下降趨勢，當(dāng)PCB摻量超過12%后逐漸趨于平穩(wěn)。

3.3 流變性能

瀝青作為具有流變性能的典型黏彈性材料，常規(guī)試驗中的針入度、軟化點、延度不能準(zhǔn)確地表征瀝青的性能。通過流變指標(biāo)對瀝青的黏彈性能進(jìn)行量化，規(guī)定原樣瀝青及其短期老化后的動態(tài)剪切模量為瀝青高溫性能指標(biāo)，低溫性能指標(biāo)采用小梁彎曲蠕變試驗。

3.3.1 高溫流變性能

試驗采用MCR301動態(tài)剪切流變儀，通過試驗得到瀝青的復(fù)數(shù)模量G*、相位角δ，并計算出抗車轍因子等多個反映瀝青流變特性的參數(shù)。

(1) 復(fù)數(shù)模量

不同摻量PCB改性瀝青老化前后復(fù)數(shù)模量G*隨溫度變化規(guī)律見圖1。

圖1 不同狀態(tài)樣品老化前后復(fù)數(shù)模量隨溫度變化情況

由圖1可知：隨著溫度的升高，瀝青老化前后的復(fù)數(shù)模量都迅速下降，并逐漸趨于平穩(wěn)。在溫度范圍內(nèi)，RTFOT老化后瀝青試樣的復(fù)數(shù)模量最大值和最小值均大于老化前瀝青復(fù)數(shù)模量的最大值和最小值，說明老化對5種瀝青的復(fù)數(shù)模量G*有較大的影響。

(2) 相位角

不同摻量PCB改性瀝青老化前后溫度對相位角的影響試驗結(jié)果見表5。

表5 不同摻量PCB改性瀝青相位角試驗結(jié)果

由表5可知：5種瀝青老化前后的相位角隨著溫度的升高而增大，這是由于溫度的升高使得瀝青的彈性成分向黏性轉(zhuǎn)化，因此高溫時的瀝青處于黏性狀態(tài)。瀝青經(jīng)RTFOT老化后變硬，其相位角較老化前明顯降低。在同一溫度下，當(dāng)瀝青中摻入PCB后，相位角明顯變小，并隨著摻量的增加逐漸變小。此時相位角表現(xiàn)為PCB-18%最小，基質(zhì)瀝青最大，表明PCB可以降低瀝青的相位角，提高瀝青的彈性。在PCB合理摻量范圍內(nèi)，其摻量越大，相位角越小，彈性越好，瀝青的變形恢復(fù)能力越強(qiáng)。

(3) 抗車轍因子

不同摻量PCB改性瀝青老化前后溫度對抗車轍因子影響試驗結(jié)果見表6。

表6 不同摻量PCB改性瀝青抗車轍因子試驗結(jié)果

由表6可以看出：隨著溫度的上升，5種瀝青老化前后的抗車轍因子迅速下降，說明瀝青抵抗變形的能力受溫度的影響很大。經(jīng)過RTFOT老化后，瀝青的抗車轍因子卻明顯提高。在同一溫度下，PCB改性瀝青老化前后的抗車轍因子都大于基質(zhì)瀝青，隨著PCB摻量的增加，抗車轍因子也隨之增大，說明PCB提高了瀝青的高溫抗車轍性能。5種瀝青的高溫抗車轍性能從優(yōu)到劣排序：PCB-18%>PCB-15%>PCB-12%>PCB-9%>基質(zhì)瀝青。

根據(jù)瀝青高溫PG分級要求，當(dāng)溫度達(dá)到70 ℃時，基質(zhì)瀝青、PCB-9%和PCB-12%改性瀝青原樣的抗車轍因子小于1.0 kPa。RTFOT后的抗車轍因子小于2.2 kPa，高溫分級為64 ℃。摻量為PCB-15%和PCB-18%改性瀝青原樣的抗車轍因子大于1.0 kPa，RTFOT老化后的抗車轍因子大于2.2 kPa，高溫分級為70 ℃。當(dāng)PCB摻量超過15%時，高溫等級提高一級。

3.3.2 低溫流變性能

基于流變學(xué)特性使用低溫彎曲梁試驗(BBR)得到的勁度模量(S)和m值來評價瀝青的低溫性能，并進(jìn)行PG分級。試驗結(jié)果見表7。

表7 不同摻量PCB改性瀝青BBR試驗結(jié)果

由表7可知：① PCB的摻入，使得瀝青的勁度模量S增大，m值減小，同一摻量的PCB改性瀝青，其勁度模量隨著溫度的降低而顯著增大，蠕變速率m明顯減小，這說明溫度對瀝青低溫性能的影響很大。在同一溫度下，隨著PCB摻量的增加，其勁度模量逐漸變大，m值逐漸變小，由于PCB的摻入使瀝青逐漸變硬，塑性降低，低溫性能逐漸下降；② 即使PCB摻量達(dá)到18%，其低溫等級與基質(zhì)瀝青一樣，均為PG-22，說明PCB的摻入降低了瀝青的低溫性能，但影響不大。

3.4 儲存穩(wěn)定性

熱解炭黑的粒徑細(xì)微，具有很高的結(jié)構(gòu)性和親瀝青性。但瀝青和熱解炭黑的密度不同，熱解炭黑改性瀝青屬于熱力學(xué)不相容體系，若在機(jī)械力的作用下將其強(qiáng)制分散后，也可以處于動力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)。試驗依據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中聚合物改性瀝青離析試驗方法操作，試驗結(jié)果見表8。

表8 不同摻量PCB改性瀝青離析試驗結(jié)果

由表8得知：未摻加PCB的瀝青軟化點差值為0.2 ℃，PCB的摻入增大了軟化點差值ΔT，隨著熱解炭黑摻量的增加，軟化點差值ΔT呈增大趨勢，因為在離析試驗期間，部分PCB沉淀到了鋁箔管底部。當(dāng)PCB摻量達(dá)到18%時，軟化點差值為2.7 ℃，不滿足規(guī)范中ΔT≤2.5 ℃的要求。

3.5 聚合物分散性

PCB改性瀝青是一種多相共混體系，通過對PCB瀝青改性微觀結(jié)構(gòu)的觀察，可了解PCB在基質(zhì)瀝青中的分散情況。研究采用正置熒光顯微鏡分別對5種瀝青進(jìn)行觀測，基質(zhì)瀝青在藍(lán)色單色光的激發(fā)下可發(fā)出綠色熒光，熱解炭黑不受藍(lán)色單色光的激發(fā)，由此可以清晰地區(qū)分熱解炭黑相和瀝青相。

如圖2所示，PCB在基質(zhì)瀝青中可較均勻地分散，說明兩者之間具有較好的配伍性。當(dāng)PCB摻量小于18%時，PCB以小顆粒形態(tài)分散在基質(zhì)瀝青中，可使改性瀝青保持穩(wěn)定的性能；當(dāng)摻量達(dá)到18%時，PCB在基質(zhì)瀝青中分散密集并出現(xiàn)大量團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致改性瀝青的性能不穩(wěn)定，這與儲存穩(wěn)定性試驗結(jié)果相照應(yīng)，由此建議PCB在基質(zhì)瀝青中的摻量不超過15%。

圖2 不同摻量PCB改性瀝青的熒光顯微鏡照片

4 結(jié)論

通過對基質(zhì)瀝青和4種不同摻量的PCB改性瀝青進(jìn)行試驗，對比分析了PCB摻量的不同對瀝青性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 通過三大指標(biāo)試驗和黏度試驗得知：PCB的摻入使瀝青逐漸變硬，隨著PCB摻量的增大針入度和延度逐漸下降，黏度、軟化點、針入度指數(shù)、當(dāng)量脆點及當(dāng)量軟化點等指標(biāo)逐漸增大，說明PCB可提高瀝青的高溫性能，降低瀝青的溫度敏感性，低溫性能也有所下降，并隨著摻量的增加而變化。

(2) 經(jīng)老化后的瀝青逐漸變硬，針入度下降，軟化點和黏度顯著提高；PCB的摻入使瀝青老化前后針入度的下降幅度變小，針入度比隨著摻量的增加逐漸增大；軟化點和黏度的上升幅度減小，從而軟化點增量和黏度比變小，并隨摻量的增加而逐漸變小，表明PCB可以提高瀝青的抗老化性，5種瀝青的抗老化性能從優(yōu)到劣進(jìn)行排序：PCB-18%>PCB-15%>PCB-12%>PCB-9%>基質(zhì)瀝青。

(3) 通過DSR和BBR試驗，對瀝青的高溫、低溫性能進(jìn)行了研究，當(dāng)PCB摻量為15%時，高溫等級提高了一級達(dá)到PG-70，低溫等級隨著PCB摻量的增加瀝青的低溫性能有所下降，但低溫等級依然在原有的溫度等級內(nèi)(PG-22)，因此PCB的摻入可以改善瀝青的高溫性能，低溫性能會下降，但影響不大。

(4) 基于離析試驗與聚合物分散性試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熱解炭黑摻量達(dá)到18%時，PCB在基質(zhì)瀝青中開始團(tuán)聚，分散不均，使瀝青的性質(zhì)不穩(wěn)定，其中軟化點差值超過規(guī)范要求，推薦PCB適宜摻量為15%。