橡胶沥青老化性能及特征研究

何 亮，凌天清，马 育，马 涛，黄晓明

（1.重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064；3.诺丁汉大学 诺丁汉交通工程研究中心，诺丁汉市 诺丁汉郡NG7 2RD；4.重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074；5.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096）

废轮胎橡胶沥青（AR）以其良好的耐温变、抗疲劳、抗滑性能，以及可降低路面噪音、筑路成本和废物循环利用等优势受到筑路界的高度关注［1－2］.但是橡胶沥青路面引入中国时间较短，尚无足够路龄，且目前无施工技术规范指导，建设者们十分关心橡胶沥青路面的长期性能，这直接影响着该技术在中国的推广应用.

橡胶沥青路面的长期性能涉及老化后的高温特性、低温特性与疲劳特性.目前，国内外关于橡胶沥青老化特性已有研究，普遍认为橡胶沥青具有较高的抗老化能力，特别是其老化之后的抗疲劳、低温抗开裂能力仍然相当优异［3－11］；但相关研究并不完善，尤其是橡胶沥青混合料路面施工温度较高，与橡胶沥青制作温度相差无几，有可能在短期老化过程中同时发生着显著的溶胀反应，该反应可能对橡胶沥青老化特性产生重要影响.

鉴于此，本文制作了符合交通部公路科学研究院《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》中的橡胶沥青，首先通过试验确定了橡胶沥青模拟短期老化试验的适宜温度，然后通过室内短期老化、长期老化模拟试验评价了橡胶沥青的老化规律，最后针对橡胶沥青短期老化设计了老化特征试验，并进行了胶粉单独老化特征分析，得出了橡胶沥青短期老化与众不同的作用机理，为橡胶沥青路面的长期性能研究与施工控制提供了参考.

1 试验

1.1 试验材料

基质沥青：70＃A 级道路石油沥青；废旧橡胶粉：常温研磨法生产的废胎胶粉，40目（425μm）.

1.2 橡胶沥青制备与主要技术指标

橡胶沥青采用湿法工艺制备，将基质沥青加热到180～185℃，加入20%（质量分数）的橡胶粉（内掺），采用高速剪切机进行搅拌，速度1 000r／min，反应时间60min.橡胶沥青基本技术指标测试结果如表1所示.表1结果均符合交通部公路科学研究院《橡胶沥青及混合料设计施工技术指南》中橡胶沥青技术要求.

表1 橡胶沥青技术指标测试结果Table 1 Technical indexes test results of asphalt rubber

1.3 橡胶沥青模拟短期老化试验温度确定

橡胶沥青混合料的拌和温度、运输温度和铺筑温度均远高于普通沥青混合料，这就要求其出料温度一般不低于180℃（高出普通沥青混合料约20℃），因此JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中推荐的沥青模拟短期老化试验温度（163℃）可能并不适用于模拟橡胶沥青老化试验.为确定适宜的橡胶沥青模拟老化温度，开展了橡胶沥青在不同温度下的模拟短期老化试验.

选取已制备好的橡胶沥青，分别在150，163，180，195℃下进行5h薄膜加热试验（TFOT），来模拟沥青的短期老化，之后进行橡胶沥青技术指标测试.试验发现，橡胶沥青试样表面状况在短期老化温度150，163℃下几乎相同，变化均不明显；180℃下其表面开始出现裂纹，且老化过程中有明显烟雾，这表明沥青的轻组分有较大损失，导致试样表面剧烈收缩开裂；195℃下其表面出现大量皱纹，且老化过程中有浓烈黑烟，这表明橡胶沥青试样表面层轻组分大量流失.沥青轻组分的大量流失会改变橡胶沥青的组成和结构，影响橡胶沥青性能.

测试经不同短期老化温度下的橡胶沥青针入度、软化点、180℃黏度、25℃弹性恢复和5℃测力延度，结果如表2所示.

表2 不同短期老化温度下的橡胶沥青技术指标Table 2 Technical indexes of asphalt rubber after short term aging at different temperatures

由表2可以看出，随着老化温度的升高，橡胶沥青的老化程度加剧，针入度和弹性恢复均有所降低，软化点增加，但幅度不明显，180℃黏度基本没有变化，而低温延度下降显著，这说明橡胶沥青中发生老化的主要成分是沥青而非橡胶粉.

综上可知，从180℃开始橡胶沥青短期老化表面轻组分损失较为显著，而且温度变化对橡胶沥青的低温性能影响较大，因此橡胶沥青模拟短期老化试验温度应采用与实际混合料的拌和温度、运输温度相对应的温度，即180℃.

1.4 橡胶沥青老化试验方案

1.4.1 橡胶沥青老化性能试验

采用JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中推荐的TFOT 与压力长期老化（PAV）试验，对橡胶沥青与基质沥青（BA）进行模拟短期老化与长期老化试验.基质沥青TFOT 温度为163℃，橡胶沥青TFOT 温度为180℃，老化时间均为5h；基质沥青与橡胶沥青PAV 试验温度均为100℃，老化时间均为20h.将两种沥青的不同老化阶段 样品进行5 ℃延度、25 ℃弹性恢复、180 ℃黏度、70℃G＊／sinδ（车辙因子）与－12℃BBR（低温弯曲梁蠕变）试验分析.

1.4.2 橡胶沥青短期老化特征设计试验

设计了4种试验条件（ART，AT＋R，A＋RT，AT＋RT）来研究橡胶沥青的老化特征，老化温度均为180℃.试验条件具体表述如下：

①ART：橡胶沥青TFOT 老化5h；②AT＋R：基质沥青TFOT 老化5h，再与胶粉制作成橡胶沥青；③A＋RT：橡胶粉TFOT 老化5h，再与基质沥青制作成橡胶沥青；④AT＋RT：橡胶粉和基质沥青分别TFOT 老化5h，再一起制作成橡胶沥青.

将4种试验结果进行5℃延度、25℃弹性恢复、180℃黏度、70℃G＊／sinδ和25℃G＊·sinδ（疲劳因子）试验分析，并对单独老化前后的橡胶粉进行了宏观与微观的形态分析、质量损失统计，其中采用日本产JSM—5610LV 扫描电子显微镜（SEM，scanning electron microscope）进行微观形态采集.

2 试验结果与分析

2.1 橡胶沥青老化性能分析

将橡胶沥青进行TFOT 短期老化与PAV 长期老化，并用基质沥青作对比，各性能指标结果如图1所示.

由图1可见，2 种沥青性能指标具有相似的老化规律，随着老化的进行，其弹性恢复和延度均有所减小，基质沥青长期老化后已测不出低温延度；2种沥青的SHRP（美国公路战略研究计划）性能指标的老化规律却完全不同，橡胶沥青在短期老化时出现了与基质沥青相反的发展方向，而长期老化的变化趋势则相同.

基质沥青黏度在老化过程中不断增加，以致长期老化结果接近橡胶沥青；而橡胶沥青黏度在短期老化中略微减小，长期老化的黏度则有小幅度增加.这可能是因为橡胶沥青中始终存在橡胶颗粒核心，在短期老化过程中不断与沥青发生较强溶胀反应所致.但这个结果并不能代表橡胶沥青没有老化，而是反映了继续溶胀反应与老化反应对沥青黏度的综合作用.

橡胶沥青的继续溶胀作用在短期老化时对G＊／sinδ，低温劲度S 和弯曲速率m 也均有较为显著的影响.橡胶沥青的制作温度为180～185℃，老化时间达5h，因此TFOT 短期老化中较强的继续溶胀反应有可能超过橡胶沥青本身的老化作用，从而导致橡胶沥青的一些流变特性表现与老化趋势相反.

高温在橡胶沥青短期老化过程中主要起3个作用：（1）蒸发沥青中轻组分，但由其引起的性能变化较小；（2）在沥青氧化过程中使沥青分子的活动加剧、氧化程度加深，从而起到催化作用［12］；（3）高温下橡胶沥青内部仍进行着剧烈的溶胀反应，这是其他沥青所没有的.

2.2 橡胶沥青组成短期老化特征分析

前述研究发现TFOT 短期老化试验中橡胶沥青在老化的同时，内部发生着剧烈的溶胀反应.因此，要了解橡胶沥青的长期性能特征必须首先深入研究橡胶沥青短期老化过程中沥青与橡胶粉各自的老化状况以及它们之间的相互作用，为此设计了橡胶沥青短期老化特征试验，并进行了胶粉单独老化特征分析.

2.2.1 橡胶沥青短期老化特征分析

从沥青性能角度出发，5 ℃延度反映的是低温性能，25℃弹性恢复反映的是弹性结构性能，180℃黏度反映的是施工和易性，而70 ℃G＊／sinδ 和25℃G＊·sinδ体现了高温性能与疲劳性能.本文采用这5种指标综合评价橡胶沥青的短期老化特征.180℃下橡胶沥青短期老化特征设计试验相应测试结果如图2所示.

图1 橡胶沥青老化性能规律Fig.1 Law of asphalt rubber aging performance

由图2可以看出，橡胶沥青TFOT 老化5h试验（ART）与基质沥青TFOT 老化5h 再跟橡胶粉制作成橡胶沥青试验（AT＋R）结果较接近；橡胶粉TFOT 老化5h再跟基质沥青制作成橡胶沥青试验（RT＋A）与橡胶粉、沥青分别TFOT 老化5h再一起制作成橡胶沥青试验（AT＋RT）结果较接近.橡胶粉单独短期老化后失去了硫化橡胶自身的特性，对基质沥青未产生改性影响.橡胶沥青实际老化过程中，基质沥青对橡胶粉有隔氧保护作用，橡胶颗粒在沥青里主要发生溶胀作用，而基质沥青是否单独老化对橡胶沥青性能的影响不大，因此有必要进行橡胶粉单独老化特征分析，完善橡胶沥青的老化特性研究.

2.2.2 橡胶粉单独短期老化特征分析

对橡胶粉进行180℃下5hTFOT 短期老化试验，然后进行宏观与微观分析.

（1）宏观分析 老化前的原样橡胶粉松散而富有弹性，单独老化后的橡胶粉相互结块，而且变得硬脆.对原样橡胶粉和单独老化后的橡胶粉样品称重，结果如表3所示.

表3 橡胶粉老化前后质量损失Table 3 Mass loss of rubber powder before and after aging

由表3可以看出，橡胶粉单独TFOT 老化后质量损失约为0.85%.同时根据老化过程中见到的大量黑烟和老化后橡胶粉的形态推测橡胶粉在单独TFOT 老化过程中发生了部分碳化、氧化和交联等一系列复杂化学反应.

图2 橡胶沥青短期老化特征性能试验结果Fig.2 Results of asphalt rubber short term aging characteristics experiment

（2）微观分析 为了观察橡胶粉老化前后的表面细观状态，对其进行SEM 分析，如图3所示.

由图3可见，橡胶粉老化前表面较为粗糙，且有许多孔口棱角分明的小孔；老化后，其表面变得较平滑，小孔显著减少，留下少量圆滑的浅孔，这表明橡胶粉在老化过程中经历过一定程度的相变熔融.

在老化温度下，橡胶粉聚合物的链段运动加剧，一些相对分子质量较小的聚合物可能整链移动脱离聚合物原有的位置流向势能较低处，使得橡胶粉表面变得平滑.同时，老化后的橡胶粉由于交联和氧化作用导致其弹性降低、脆性增大，基本失去了橡胶本身的固有特性［13］，所以橡胶粉在沥青中几乎不发生溶胀.脆性橡胶粉加入基质沥青中主要起填料作用，对沥青改性的意义不大.而橡胶粉在橡胶沥青中的老化情况完全不同，在橡胶沥青老化时，橡胶粉聚合物的链段运动既可能会使一些相对分子质量较小的聚合物流变到沥青中，也可促使沥青轻组分向胶核中扩散，促进橡胶粉的溶胀.溶胀使得橡胶粉受热相对更加均匀，不易发生碳化；沥青油分溶入橡胶粉中，使橡胶粉聚合物分子之间的距离增大，减缓了橡胶粉聚合物分子之间的交联，从而提高了橡胶沥青的耐老化性能.

3 结论

（1）从180℃开始橡胶沥青短期老化表面轻组分损失较为显著，而且老化温度变化对橡胶沥青的低温性能影响较大，因此橡胶沥青模拟短期老化试验温度推荐采用与实际施工温度相对应的180℃.

（2）橡胶沥青短期老化过程中橡胶沥青内部仍进行着剧烈的溶胀反应，此作用有可能超过橡胶沥青的老化作用，从而导致其一些流变特性规律与老化趋势相反.

（3）橡胶沥青中橡胶粉的老化并非胶粉单独老化，橡胶沥青实际施工老化过程中，沥青对胶粉有隔氧保护作用，橡胶颗粒在沥青里主要发生溶胀反应而老化作用很小，从而提高了橡胶沥青的抗老化性能.

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