陈中

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

橡胶沥青胶结料的老化与再生研究

陈中

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

采用热氧老化的方法研究了老化对橡胶沥青胶结料粘弹性的影响规律，并通过添加再生剂对其软化点、针入度和延度等性能进行恢复。实验结果表明，老化后基质沥青和橡胶沥青的软化点升高、针入度变小、延度降低；老化过程中，基质沥青软化点和针入度的衰减率均大于橡胶沥青，但延度的衰减率则小于橡胶沥青；再生剂能够恢复橡胶沥青性能，但和原样沥青相比，软化点和延度有所降低，针入度则略有增加；延度的再生恢复效率最高，其次是针入度和软化点。

橡胶沥青；老化与再生；性能衰减率；再生恢复率

随着橡胶沥青在世界各国的应用，相关研究工作也受到世界重视［1－4］。现在橡胶沥青混合料的一些特殊性能，如降噪、破冰及环保等［5－6］，在其他领域也逐步得到应用。但是，橡胶沥青在使用过程中，由于受温度、氧化、光照、水流等因素的影响，粘度增大［7－8］，最终导致路面产生裂缝、松散、坑洞等早期破害，造成材料报废。对废旧橡胶沥青混合料进行再生处理，成为相关研究的热点问题［9－10］。

丁湛等［11］通过溶胀等工艺，采用橡胶粉开发出沥青再生剂，表明橡胶粉在沥青中具有再生活性。徐东等［12］通过热氧老化及热拌再生等方法，研究了橡胶沥青混合料的再生及老化规律，研究表明，橡胶沥青混合料采用添加再生剂的方法能够对其性能进行有效恢复。但目前对橡胶沥青胶结料的老化及再生研究鲜有报道。本文采用热氧老化的方法研究了老化对橡胶沥青材料的粘弹性的影响规律，并通过添加，再生剂对其软化点、针入度、延度等性能进行恢复。

1 沥青老化与再生机理

1.1 橡胶沥青老化

废旧橡胶粉加入热沥青后，废旧胶粉吸附其轻质组分，胶粉颗粒溶胀，降低了沥青中游离蜡的含量。胶粉颗粒吸收油分后，恢复其生胶性质，重新获得粘性，由原来的紧密结构变成相对疏松的絮状，基质沥青逐渐粘稠。此外，橡胶的脱硫和降解反应，与沥青发生物质交换，改善了沥青的温度敏感性和耐老化性能。而胶粉在沥青中形成加劲结构，在裂纹跨越胶粉颗粒的过程中，吸收或消耗了部分能量，提高了沥青的抗冲击能力和可塑性［13］。

在服役过程中，由于外界环境（如温度、氧化、光照、水流冲刷等）对橡胶沥青的作用，沥青各组分间产生连串反应，芳香分转化为胶质，胶质转化为沥青质，沥青质转化为甲苯不容物。而在胶粉改性过程中被胶粉吸附的游离蜡形成结晶性蜡。现有研究表明，沥青老化过程中，由于光、氧、热等综合因素，沥青分子活性基团与氧发生缔合，平均分子量及分散度都有所增加［14］。

1.2 沥青再生

（1）组分协调机理：从组分结构角度来看，沥青老化就是沥青组分之间的组分失调。旧沥青的再生，可以根据生产调和沥青的经验，在老化沥青中添加某种低粘度油料（再生剂），或加入适当稠度的沥青，通过调配，使沥青具有适当粘度，并恢复原有性能［15］。

（2）成分互溶机理：热力学认为，掺入再生剂能使沥青组分间的容度参数差减小，可降低沥青质含量，提高软沥青质对沥青质的溶解能力，使已经衰减的路用性能得到改善和恢复［16］。

（3）橡胶结构机理：从橡胶结构角度出发，老化沥青再生是在网络结构中补充油量，恢复油相对沥青大分子的润滑作用，恢复沥青粘性组分，使沥青劲度减小，提高沥青的低温抗裂性能。油料对老化沥青的溶解和贯入，隔断了大分子链间的连接点，降低了老化沥青的刚度，干缩的胶粉溶胀，沥青活性恢复［17］。

2 材料与方法

2.1 原材料

研究所用基质沥青为埃索90＃，针入度（25℃）为87 mm，软化点45.7℃，15℃延度大于100 cm，密度为1.029 g／cm3，所有性能指标均符合相关规范要求。橡胶粉改性沥青制备工艺为湿法改性，胶粉用量19%，先高温剪切20 min，剪切温度190℃，持续搅拌40 min。所用胶粉产自西安胶粉厂，表观密度1.18 g／cm3，纤维含量0.7%，天然胶含量约33%，细度60目。

2.2 方法

采用旋转薄膜烘箱（RTFOT）对沥青结合料进行了短期老化［18］。将制备好的沥青用老化盘放在烘箱中，老化0、5、10、15和20 h。老化后，添加再生剂对其进行性能恢复，再生剂掺量为沥青用量的9%。所用再生剂主要由重质石油馏分、芳香族石油溶剂及聚合物改性剂构成，外观呈黑色稠状液体。所有软化点、针入度及延度（5℃／15℃）的测定过程参照文献［19］进行。

3 结果与讨论

3.1 软化点

沥青是非晶体物质，无确定熔点，软化点是一种条件粘度，反映了沥青的温度敏感度。一般认为，软化点高，等粘温度也高，热稳定性好。本文采用环与球法分别测定基质沥青与橡胶沥青软化点在老化过程中的变化情况，结果见图1。

基质沥青软化点低于橡胶粉改性沥青，同环境老化下，基质沥青和胶粉改性沥青的软化点均逐渐升高，但基质沥青始终低于橡胶改性沥青。老化20 h后，基质沥青软化点增加25%，而橡胶沥青只有8%，橡胶沥青软化点对老化敏感性弱于基质沥青。图2所示为橡胶沥青老化、再生前后的软化点，通过掺加再生剂的方法能够使橡胶沥青软化点降低到老化前的水平，但再生后的软化点低于老化前。表明再生剂除了补充轻质沥青组分外，富余油分起到了稀释沥青的作用。

图1 老化时间对软化点的影响Fig.1 Impact of aging time on softening point

图2 橡胶沥青老化及再生软化点变化Fig.2 Aging and regeneration softening point change of rubbermodified asphalt

3.2 针入度

针入度是在规定的温度、附加荷重和荷重作用时间的条件下，标准针贯入沥青中的深度，针入度越小，表示沥青稠度越大，反之则越小。图3所示为基质沥青和橡胶沥青针入度在老化过程中的变化情况。结果表明，老化前基质沥青针入度80～100（0.1 mm）之间（90＃），随着老化时间延长，针入度不断降低。老化5 h后，针入度在60～80 mm（0.1 mm）之间（70＃）；老化10 h后，针入度在40～60（0.1 mm）之间（50＃）；老化15 h后，针入度介于20～30（0.1 mm）之间。老化15～20 h时，基质沥青的针入度变化不大。和基质沥青相比，橡胶沥青针入度随着老化时间变化不明显，因为在沥青老化过程中，主要是基质沥青中的轻质油分减少，橡胶粉受老化的影响较小。在老化10 h后，基质沥青的针入度小于橡胶沥青，表明此时基质沥青的剪切阻力大于橡胶沥青。图4所示为橡胶改性沥青老化、再生前后的针入度变化情况。老化20 h后，针入度下降约20%，再生后针入度基本恢复，但再生后的针入度略大于老化前，结论和前文一致。

图3 老化时间对针入度的影响Fig.3 Impact of aging time on penetration

图4 老化及再生沥青针入度变化Fig.4 Aging and penetration change of rubbermodified asphalt

3.3 沥青延度

延度是反映沥青条件延性的指标，是其受到外力拉伸时，所承受的塑性变形总和。延度越大，沥青的柔韧性越好。图5所示为沥青延度随老化时间增加的变化情况。基质沥青测试温度为15℃，改性沥青测试温度为5℃。随着老化时间的延长，基质沥青和橡胶沥青的延度均逐渐减小。表明随老化时间的延长，沥青中自由蜡产生结晶，延度变小，沥青粘结性和耐久性变弱。图6所示为沥青再生后的延度变化情况，实验表明，再生橡胶沥青的延度基本能够恢复，但再生后的延度低于老化前。

图5 老化时间对延度的影响Fig.5 Impact of aging time on ductility

图6 老化及再生沥青延度变化Fig.6 Aging and ductility change of rubber modified asphalt

3.4 胶结料老化的性能衰减

采用老化衰减率和再生恢复率来评价老化、再生过程中的性能变化情况［12］。

式中，R1为沥青胶结料性能的老化衰减率（%）；R2为沥青胶结料性能的再生恢复率，（%）；V0为老化前新拌沥青胶结料的性能：软化点（℃）；或针入度；或延度（cm）；V1为老化后沥青胶结料的基本性能：软化点（℃）；或针入度；或延度（cm）；V2为再生后沥青胶结料的基本性能：软化点（℃）；或针入度；或延度（cm）。

3.4.1 橡胶沥青的老化衰减率

图7～9分别给出了基质沥青和橡胶沥青在老化过程中的软化点衰减率、针入度衰减率和延度衰减率。研究表明，老化过程中，基质沥青的软化点和针入度对老化的敏感性高于橡胶沥青，而橡胶沥青延度对老化的敏感性则高于基质沥青。具体表现为：基质沥青老化5 h内软化点衰减15%，5 h后衰减率均匀增加；而橡胶沥青老化5 h内，软化点衰减不到1.5%，10 h后软化点衰减逐步稳定；同样的，老化5 h内，橡胶沥青的针入度衰减较小，约为25%左右，10 h后，针入度衰减率超过40%。通过对延度衰减的研究发现，5 h内，基质沥青的老化衰减强于橡胶沥青，5 h后基质沥青延度的老化衰减则弱于橡胶沥青，橡胶沥青老化过程中低温性能受到严重影响。

3.4.2 橡胶沥青的再生恢复率

再生恢复率可用来表征沥青再生后性能的恢复情况，图10所示为老化沥青再生后的再生恢复率。研究表明，再生后橡胶沥青的软化点降低，针入度和延度升高。通过对软化点、针入度和延度（5℃）再生恢复率的对比发现，再生剂对橡胶老化沥青的性能恢复效果为：延度＞针入度＞软化点。

图7 软化点衰减率Fig.7 Attenuation rate of softening point

图8 针入度衰减率Fig.8 Attenuation rate of penetration

图9 延度衰减率Fig.9 Attenuation rate of ductility

图10 沥青再生恢复率Fig.10 Recovery rate of asphalt

4 结论

（1）老化后，基质沥青和橡胶沥青的软化点升高、针入度变小、延度降低。

（2）老化过程中，基质沥青软化点和针入度的衰减率均大于橡胶沥青，但延度的衰减率则小于橡胶沥青。

（3）掺加再生剂后，橡胶沥青能够基本恢复初始性能，但和原样沥青相比，软化点和延度有所降低，针入度则略有增加。

（4）在橡胶沥青的三个性能中延度的再生恢复率最高，其次是针入度，软化点的再生恢复率最低。

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Aging and reclaiming of rubbermodified asphalt

CHEN Zhong
（China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd．，Xi＇an 710043，China）

We add ressed the impact of aging on the properties of rubber modified asphalt with thermo-oxidative ageing method．We also restored its softening point，penetration and ductility by regenerant addition．Experimental results show that softening point of matrix asphalt and rubber modified asphalt increases，but their penetration and ductility decrease after aging，The attenuation rate of softening point and penetration of matrix asphalt is greater than that of rubber modified asphalt，except that of ductility．Regenerant can restore the properties of rubber modified asphalt，but its softening point and ductility decrease and its penetration slightly increases，as compared with the control sample．Its recovery efficiency gradully reduces for ductility，penetration and softening point．

rubber modified asphalt；aging and reclaiming；attenuation rate；regenerative recovery rate

U414.701

A

1002-4026（2014）01-0092-06

10.3976／j.issn.1002－4026.2014.01.016

2013-07-12

陈中（1982－），男，工程师，研究方向为路基路面工程。Email：414398891＠qq．com