RPR型溫拌劑對瀝青性能影響的研究

張澤宇++李傳強++肖婷婷++陸亞??

摘 要：為研究以廢棄橡膠和廢棄塑料為原料制備的RPR型溫拌劑對瀝青性能的影響，通過針入度、軟化點、延度、布氏粘度、低溫彎曲梁流變試驗以及旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗，分別研究了70#基質(zhì)瀝青以及RPR溫拌改性瀝青的感溫性能、高溫性能、低溫性能、耐老化性及儲存穩(wěn)定性，評價了RPR溫拌改性瀝青的溫拌及粘溫特性。試驗結果表明，RPR溫拌劑可降低瀝青的拌和溫度，RPR溫拌瀝青低溫性能及溫拌特性優(yōu)越。

關鍵詞：瀝青；廢橡膠；廢塑料；溫拌劑

中圖分類號：U414.03 文獻標志碼：B

Study on Influence of RPR Additives on Asphalt Performance

ZHANG Ze- yu1，2， LI Chuan- qiang1， XIAO Ting- ting2， LU Ya2

（1. National and Local Joint Engineering Laboratory of Traffic Civil Engineering Material，

Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China； 2. School of Civil Engineering

and Architecture， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China）

Abstract： In order to study the influence of RPR additives made from waste rubber and plastic on asphalt performance， the temperature susceptibility， high temperature performance， low temperature performance， anti- aging performance and stabilization of the 70# matrix asphalt and RPR modified asphalt were tested by the penetration， softening， ductility， Brookfield viscosity， BBR and RTFOT aging tests. It also evaluated the warm mix and viscosity characteristics. In conclusion， RPR additives lower the mixing temperature of asphalt， and the low temperature performance and warm mix characteristics of RPR modified asphalt are excellent.

Key words： asphalt； waste rubber； waste plastic； warm mix agent

0 引 言

與傳統(tǒng)瀝青混合料熱拌技術相比，溫拌技術具有降低能耗、減少污染物排放量、改善瀝青混合料性能等諸多優(yōu)點[1- 6]，但目前國內(nèi)大量使用的瀝青溫拌改性劑關鍵技術被國外壟斷，導致成本較高，阻礙了溫拌技術的推廣[7]。

對廢舊橡膠、塑料等采用化學方法進行裂解處理，可提取出石蠟、環(huán)烷烴、烯烴、苯、甲苯等化學物質(zhì)，從這些物質(zhì)可得到如汽油、柴油和重油等。由于廢舊橡膠、塑料的裂解產(chǎn)物對瀝青具有降粘作用，因此有研究開始著眼于從廢塑料、廢橡膠中提取瀝青改性劑，在消除白色、黑色垃圾的同時降低瀝青改性劑的成本。

借鑒上述思路，將廢橡膠、廢塑料、有機助劑按照一定比例摻配，通過一定的化學方法合成制得RPR（Rubber Plastic Recycle）新型瀝青溫拌改性劑。其中助劑的主要成分為表面活性劑、催化劑以及一些高分子樹脂材料。

RPR溫拌劑在常溫下呈粘稠液態(tài)，在本質(zhì)上是一種同時含有油溶性表面活性劑及高分子蠟的降粘劑，因此同時表現(xiàn)出有機降粘和表面活性2類溫拌劑的特性。RPR溫拌瀝青在拌和時，表面活性劑與高分子蠟同時作用，在一定程度上既降低了動力粘度，又降低了拌和粘度[8]，從而實現(xiàn)混合料溫拌。

RPR溫拌劑有2個顯著特點：一是主材選用了廢舊橡膠和廢舊塑料，實現(xiàn)了廢棄物的資源化利用；二是瀝青混合料的拌和溫度及攤鋪溫度降低，減少能耗和排放，社會效益顯著。

初期的探索性試驗中發(fā)現(xiàn)，RPR溫拌劑的最佳摻量為內(nèi)摻13%，在此條件下對RPR溫拌劑的性能進行評價，通過針入度、軟化點、延度、RTFOT（瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗）、BBR（彎曲梁流變試驗）分別對溫拌瀝青的性能進行檢測，并繪制了粘溫曲線。試驗采用的基質(zhì)瀝青為中海70#瀝青，其各項指標均滿足要求[9- 10]。

1 針入度

在研究初期發(fā)現(xiàn)，RPR溫拌改性瀝青在25 ℃下的針入度一般大于220（0.1 mm），標準試驗溫度并不適合該型溫拌瀝青[11]。為進一步考察RPR型溫拌改性瀝青的溫拌特性，表征其在相對較低溫度時的性狀，選擇該型溫拌改性瀝青的針入度試驗溫度為5 ℃～15 ℃。

70#瀝青針入度及RPR溫拌改性瀝青針入度如表1、2所示。

從表1、2的數(shù)據(jù)可以看出，與參考瀝青（70#基質(zhì)瀝青）相比，RPR溫拌改性瀝青在較低溫度下仍具有較大的針入度，反映了該材料在較低溫時的軟質(zhì)性狀。

對不同溫度條件下的針入度值取對數(shù)并進行線性回歸，確定瀝青的針入度指數(shù)（PI），如表3、圖1所示。

由表1～3及圖1可得：RPR瀝青與70#基質(zhì)瀝青均為溶- 凝膠型結構，具有一定的彈性效應；RPR瀝青與基質(zhì)瀝青的溫度敏感性在同一數(shù)量級，但RPR瀝青的溫度敏感性更強；在較低溫度下RPR瀝青的粘度遠低于70#基質(zhì)瀝青，證明其有較好的溫拌特性。

2 軟化點

RPR瀝青及基質(zhì)瀝青的軟化點見表4。

由表4可以看出，RPR溫拌瀝青的軟化點遠低于70#瀝青，在一定程度上反映了其具有較好的溫拌特性。理論上，軟化點越低溫拌特性越好，但瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性會受到一定的負面影響。

3 延 度

在前期的探索性試驗中發(fā)現(xiàn)，當試驗溫度為15 ℃、拉伸速度為5 cm·min-1時，RPR溫拌改性瀝青在拉伸長度為50 cm左右就會出現(xiàn)沉底現(xiàn)象，即使加入大量的食鹽也沒有明顯改善，因此只能在拉伸速度不變的條件下將試驗溫度降低，最終將溫度確定為5 ℃。RPR溫拌改性瀝青及基質(zhì)瀝青的延度見表5。

表5 瀝青的延度

瀝青種類70#（15 ℃，5 cm·min-1）RPR（5 ℃，5 cm·min-1）

延度/cm實測值>100>100>100均值>100實測值>150>150>150均值

>150

由表5可得，上述2種瀝青的延度均能滿足規(guī)范要求，考慮到RPR瀝青的試驗溫度為5 ℃，可以說明其在低溫時具有良好的延展性，即低溫抗裂性能良好，也從側(cè)面反映了RPR瀝青的溫拌性能較好。

4 旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗（RTFOT）

RPR溫拌改性瀝青及基質(zhì)瀝青的RTFOT試驗結果見表6。

表6 瀝青RTFOT試驗結果

瀝青種類質(zhì)量損失/%殘留針入度/%殘留延度/%軟化點增值/℃老化指數(shù)

70#0.13366.4816.945.20.025 1

RPR5.39730.493.7513.20.035 7

從表6可以看出，總體上RPR溫拌改性瀝青的耐老化性能較差。原因是：RPR瀝青含有揮發(fā)性表面活性劑，造成質(zhì)量損失比較大；此外，由于RPR改性劑的原料大多是廢舊材料，廢舊材料的殘留物（如炭黑、滑石粉）會對瀝青的其他指標帶來不利影響。

5 離析穩(wěn)定性

物理法聚合物改性瀝青在存儲條件下通常易發(fā)生凝聚和離析。目前，國內(nèi)用來評價聚合物改性瀝青離析性的推薦方法是聚合物改性瀝青離析試驗（T 0661—2000），以此評價改性劑和基質(zhì)瀝青的相容性，即改性瀝青的儲存穩(wěn)定性。

針對所選的RPR溫拌瀝青及70#基質(zhì)瀝青進行平行試驗，分析比較RPR溫拌改性瀝青的抗離析效果。試驗結果見表7。

中國現(xiàn)行技術規(guī)范[12]規(guī)定：聚合物改性瀝青的離析穩(wěn)定性（48 h軟化點差）不大于2.5 ℃。由表7可以看出：70#瀝青的軟化點差接近于0 ℃，考慮到取樣時瀝青本身的不均勻性、樣本偏少和數(shù)顯精度等可能產(chǎn)生的誤差，可以認為基質(zhì)瀝青不會產(chǎn)生離析；RPR溫拌改性瀝青的軟化點差約為7.3 ℃，大于規(guī)范要求，離析現(xiàn)象明顯。

若在工程實踐中采用將RPR溫拌劑與基質(zhì)瀝青現(xiàn)場拌和加工瀝青混合料的工藝，則可避免RPR溫拌瀝青在運輸及存儲過程中出現(xiàn)的離析問題。

6 粘溫特性

采用SHRP計劃推薦的布洛克費爾德旋轉(zhuǎn)粘度計（Brookfield）[13]對RPR溫拌瀝青的粘溫特性進行研究，在不同溫度下測試了70#瀝青及RPR溫拌瀝青的動力粘度，試驗結果見表8、圖2。

分析表8及圖2可知，RPR對瀝青有較好的降粘作用，在同一溫度下可降低瀝青粘度約50%。

將不同溫度條件下測定的粘度繪制于圖2所示的粘溫曲線中，可以確定瀝青混合料的施工控制溫度。按照中國現(xiàn)行的技術規(guī)范，當使用石油瀝青時，宜以（170±20）cp對應的溫度作為拌和溫度范圍，以（280±30）cp對應的溫度作為壓實成型溫度范圍。

通過作圖法或者回歸線計算法，可以初步得到RPR溫拌瀝青的拌和溫度范圍和壓實控制溫度范圍，如表9所示。

由表9可知，按照瀝青粘溫曲線確定的RPR溫拌瀝青的施工溫度較70#瀝青低10 ℃左右，但由于RPR溫拌改性劑中存在的表面活性劑只能降低拌和過程中的拌和粘度，并未降低瀝青的表觀粘度，此外RPR溫拌瀝青中含有的部分高分子蠟先于瀝青熔化，所以對RPR溫拌改性瀝青依據(jù)傳統(tǒng)的粘溫曲線確定其施工控制溫度是不合適的 [14]。

7 低溫彎曲梁流變試驗（BBR）

瀝青路面開裂表現(xiàn)為寒冷季節(jié)瀝青混合料中集料之間的瀝青膜受到拉伸破壞，進而導致集料顆粒分離甚至破裂，因此瀝青路面的低溫抗裂性能主要取決于瀝青膠結料的低溫拉伸變形性能。瀝青在低溫時的勁度模量是評價其低溫抗裂性能的重要指標。采用SHRP計劃推薦的彎曲梁流變儀（BBR）小梁彎曲蠕變試驗評價瀝青的低溫抗裂性，試驗結果見表10和圖3。

注：在-12 ℃時，RPR溫拌瀝青試樣撓度大于5 mm，超出儀器測量范圍。

圖3 瀝青蠕變勁度與溫度的關系

RPR在-12 ℃條件下的撓度大于5 mm，證明其在低溫狀態(tài)下有良好的韌性，低溫抗裂性較好。分析表10、圖3可知：在相同溫度下，RPR溫拌瀝青的蠕變勁度遠小于70#瀝青及SBS改性瀝青；同時RPR溫拌瀝青的曲線斜率大于70#瀝青及SBS改性瀝青，表明RPR溫拌瀝青具有十分優(yōu)異的低溫抗裂性能。分析原因是：RPR中不可避免地會混有一部分未完全裂解的橡膠粉及塑料粉，摻入瀝青后，橡膠粉、塑料粉與油溶性表面活性劑及瀝青中輕質(zhì)組分發(fā)生溶脹，瀝青的膠質(zhì)和油分析出并吸附于膠粉的表面，形成另一種膠體結構，使組分比例發(fā)生變化，瀝青的性能從而得到改善。

8 結 語

RPR瀝青改性劑可以充分利用廢舊橡膠和廢舊塑料，實現(xiàn)混合料溫拌，是一項環(huán)境友好、節(jié)能減排的技術。研究發(fā)現(xiàn)：RPR溫拌劑既可以降低瀝青的動力粘度，又能降低其拌和粘度，溫拌特性顯著；同時RPR溫拌瀝青在低溫下仍表現(xiàn)出軟質(zhì)性狀，低溫抗裂性十分優(yōu)越，可應用于長期嚴寒地區(qū)；但RPR溫拌瀝青軟化點很低，對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性存在一定的負面影響，還需要進一步研究；同時，在溫拌劑的生產(chǎn)過程中不可避免地會產(chǎn)生一些高分子蠟，從而影響瀝青的性能，因此在大規(guī)模應用前還需對其生產(chǎn)工藝進行改良。

參考文獻：

[1] 陳占勛.廢舊高分子材料資源及綜合利用[M].北京：化學工業(yè)出版社，1997.

[2] 何永峰，劉玉強.膠粉生產(chǎn)及其應用[M].北京：中國石化出版社，2001.

[3] 王 雷，羅國華，李 強.廢塑料裂解技術進展[J].化工進展，2003，22（2）：130- 134.

[4] 郭紅兵，陳拴發(fā).Aspha- min溫拌瀝青混合料技術現(xiàn)狀與路用性能[J].中外公路，2008，28（2）：152- 155.

[5] 左 鋒，葉 奮.國外瀝青混合料技術與評價[J].中外公路，2007，27（6）：164- 167.

[6] 楊樹人.溫拌添加劑對瀝青和瀝青混合料性能的影響[D].重慶：重慶交通大學，2008.

[7] 艾平松.瀝青溫拌劑的制備及溫拌瀝青混合料性能研究[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[8] 郭 鵬，唐伯明，馮 敏，等.基于表面自由能理論的溫拌再生瀝青集料粘附特性[J].長安大學學報：自然科學版，2014，34（4）：38- 44.

[9] JTJ F40—2004，公路瀝青路面施工技術規(guī)范[S].

[10] 郭乃勝，尤占平，趙穎華，等.溫拌再生瀝青混合料耐久性能[J].中國公路學報，2014，27（8）：17- 22.

[11] JTJ 052—2000，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].

[12] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

[13] 李新陽.基于降黏與表面活性技術的溫拌瀝青及混合料性能對比研究[D].重慶：重慶交通大學，2013.

[14] 李宏志，鄭健龍.溫拌瀝青膠漿流變性能研究[J].長安大學學報：自然科學版，2013，33（6）：22- 27.

[責任編輯：王玉玲]