Terminal Blend膠粉改性瀝青研究進(jìn)展

王毓晉，李慶冰，張 超

（1、寧波交通工程建設(shè)集團(tuán)有限公司 浙江 寧波 315020；2、長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710018）

0 引言

為了順應(yīng)我國社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，交通行業(yè)以很高的速度隨之發(fā)展，因而每年車輛因磨損等而報廢的輪胎量逐漸增加，形成了由廢舊輪胎形成的“黑色污染”。將廢舊輪胎剪碎，低溫磨細(xì)、去除金屬、纖維等雜質(zhì)制成膠粉，借用干法或濕法來生產(chǎn)改性瀝青已經(jīng)成為一種主流的方式。濕法改性膠粉瀝青（AR）通常摻加大于基質(zhì)瀝青質(zhì)量比15%的膠粉，因性能較高近年來該技術(shù)在我國逐步得到推廣應(yīng)用［1］。相關(guān)研究表明，AR 在高低溫性能、耐久性和抗疲勞性等方面優(yōu)于普通改性瀝青，同時AR 還可以提高路面對裂縫破壞的抵抗能力，一定程度上提高路面的壽命。在制備AR 過程中廢舊膠粉的摻量較大，雖然提高了瀝青的性能，但是參與化學(xué)反應(yīng)的僅少量膠粉，大部分膠粉仍以溶脹形式存在于瀝青體系中。因此AR 易出現(xiàn)離析現(xiàn)象導(dǎo)致其存儲穩(wěn)定性較差。因此同為濕法工藝的Terminal Blend（TB）最先在美國得到應(yīng)用。其借助原油精煉廠或?yàn)r青廠的高溫、高壓反應(yīng)釜，將小于10%摻量的膠粉在基質(zhì)瀝青中脫硫降解，形成由苯乙烯、丁二烯、碳黑和芳香族油分組成的均相體系。TB膠粉改性瀝青具有以下優(yōu)點(diǎn)：

⑴TB膠粉改性瀝青與AR的黏度相比［2］，其黏度更低，且具有更好的和易性。

⑵TB 瀝青比AR 瀝青的低溫性能更好，呂泉等人［3］對TB 和AR 瀝青試樣進(jìn)行低溫延度試驗(yàn)，試驗(yàn)證明TB 瀝青的低溫性能比AR 瀝青的低溫性能更好。因?yàn)楦咚偌羟凶饔孟拢z粉顆粒會進(jìn)一步細(xì)化，不會影響到混合料的級配設(shè)計(jì)，因此TB 瀝青可以用于混合料密級配的設(shè)計(jì)。

⑶TB瀝青比AR瀝青的儲存穩(wěn)定性更高。黃衛(wèi)東等人通過測試TB改性瀝青的上下層軟化點(diǎn)和儲存前后的針入度差異，結(jié)果如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)，TB瀝青儲存穩(wěn)定性比AR更好［3］。BILLITER［4］發(fā)現(xiàn)制備TB瀝青時，將基質(zhì)瀝青和廢膠粉在高溫和高剪切速率的條件下改性，橡膠發(fā)生降解和脫硫在體系中形成均相結(jié)構(gòu)。而AR改性過程中大部分的橡膠粉僅發(fā)生物理溶脹作用而未發(fā)生化學(xué)脫硫反應(yīng)，因此結(jié)合能力較弱，易發(fā)生離析。

表1 TB瀝青與橡膠瀝青上下軟化點(diǎn)和前后針入度差異Tab.1 The Softening Point Difference and Penetration Dif?ference after Storage of TB Asphalt and Rubber Asphalt

由于TB 膠粉改性瀝青具有優(yōu)異的特性以及廣泛的應(yīng)用前景，因此本文在閱讀國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從TB 膠粉改性瀝青的制備工藝、性能影響因素和質(zhì)量改善措施方面來對其進(jìn)行概括總結(jié)。

1 TB膠粉改性瀝青研究進(jìn)展

1.1 TB膠粉改性瀝青的制備工藝

TB 瀝青的生產(chǎn)采取濕法工藝，將膠粉與基質(zhì)瀝青在高溫、高剪切條件下進(jìn)行混合制得。橡膠粉改性瀝青的濕法工藝可以分為Continuous Blend（CB）和Terminal Blend（TB）。CB工藝中橡膠粉在基質(zhì)瀝青中僅發(fā)生溶脹反應(yīng)，TB 工藝中橡膠粉則在基質(zhì)瀝青中脫硫降解從而得到均相體系。該瀝青在生產(chǎn)過程中可以用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)，解決了AR 膠粉改性瀝青在生產(chǎn)過程中因?yàn)r青黏度過高而導(dǎo)致的問題，同時減少了有毒有害物質(zhì)的排放。國內(nèi)目前主要從兩個角度對TB 瀝青進(jìn)行研究：①通過添加催化劑等促使橡膠粉在基質(zhì)瀝青中的脫硫降解反應(yīng)以及二次交聯(lián)作用恢復(fù)其部分彈性性能；②對TB 瀝青的大規(guī)模生產(chǎn)進(jìn)行研究，通過物理或化學(xué)改性的方法對膠粉進(jìn)行處理，例如利用微波的方式選擇性地切斷S-S 鍵、C-S 鍵而不破壞C-C 鍵的微波降解技術(shù)［5］，或者利用線型或支化十二烷基苯磺酸、十三烷基苯磺酸對膠粉進(jìn)行改性［6］。由此膠粉制得的改性瀝青存儲穩(wěn)定性明顯比傳統(tǒng)膠粉改性瀝青高，但是此方式成本較高，因此不利于工廠大規(guī)模生產(chǎn)。目前TB 膠粉改性瀝青工廠化生產(chǎn)一般采用粒徑較大的橡膠粉末然后利用膠體磨或高速剪切機(jī)進(jìn)行脫硫降解［7］。TB 膠粉改性瀝青的生產(chǎn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 Terminal Blend瀝青生產(chǎn)設(shè)備［8］Fig.1 Production Equipment of Terminal Blend asphalt

1.2 TB膠粉改性瀝青的性能影響因素

TB 膠粉改性瀝青有很好的應(yīng)用前景，因此對其性能影響因素的相關(guān)研究有很多。文獻(xiàn)［4］研究發(fā)現(xiàn)高剪切溫度和剪切速率的條件對TB 膠粉改性瀝青進(jìn)行改性會導(dǎo)致橡膠的脫硫降解，因此改善了瀝青的低、中溫流變性質(zhì)，降低瀝青的高溫黏度。上述研究認(rèn)為高溫和高剪切速率對膠粉在基質(zhì)瀝青中的脫硫降解有積極作用，但未考慮過高的溫度和過高的剪切速率會對瀝青產(chǎn)生的不利影響。CHIPP等人［9］研究認(rèn)為過高的剪切溫度和過長的剪切時間會導(dǎo)致橡膠粉過度脫硫降解，使得TB 瀝青出現(xiàn)彈性損失和老化等。國內(nèi)外對膠粉改性瀝青的性能影響因素的研究和分析認(rèn)為，剪切溫度變化、瀝青組分含量、膠粉的種類和摻量變化均會影響TB 瀝青的改性效果。有關(guān)膠粉摻量對TB 瀝青性能的影響的相關(guān)研究認(rèn)為，隨著橡膠粉摻量的逐漸增加，TB 瀝青的高溫性能（軟化點(diǎn)）逐漸降低，低溫性能（延度）逐漸提高。綜上所述，TB 瀝青的性能主要會受到采用的原始材料性質(zhì)和環(huán)境溫度的影響，因此在生產(chǎn)過程中控制這兩個因素就可以保證TB膠粉改性瀝青的性能。

1.3 TB膠粉改性瀝青的質(zhì)量改善措施

⑴由于高固化條件會降低TB 膠粉改性瀝青的粘度，同時破壞了橡膠的彈性，因此TB 膠粉改性瀝青的抗車轍、抗疲勞開裂和抗反射裂縫等性能都有明顯降低。為了提高TB 膠粉改性瀝青的高溫粘結(jié)性能，專家學(xué)者提出一系列的措施來保障TB 膠粉改性瀝青的高溫性能：

增加橡膠粉的含量，雖然較高的橡膠粉含量可以顯著改善TB 膠粉改性瀝青的高溫性能，但是過高的橡膠含量容易發(fā)生離析，而且當(dāng)橡膠粉含量超出了TB改性技術(shù)的范圍，會削弱TB改性技術(shù)的優(yōu)勢。

采用天然橡膠代替廢棄輪胎膠粉來充當(dāng)改性劑，能夠在混合后有效改善TB膠粉改性瀝青的高溫性能。

通過對廢棄膠粉進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理或在共混物中添加化學(xué)試劑來改善TB膠粉改性瀝青的性能。

⑵ 為提高基質(zhì)瀝青和橡膠粉微粒之間的相容性，國內(nèi)外學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究。SHATANAWI研究發(fā)現(xiàn)，糠醛抽出油可以有效提高TB 膠粉改性瀝青的儲存穩(wěn)定性。另外共軛二烯聚合物、聚磷酸（PPA）、硅氫化催化劑和硫基交聯(lián)劑也可以有效緩解TB 膠粉改性瀝青中的兩相分離問題［10-11］。除化學(xué)方法外，ATTIA 研究發(fā)現(xiàn)降低儲藏溫度也可以達(dá)到同樣的效果，并且具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

⑶為了減小在生產(chǎn)和攤鋪過程中的能量消耗，現(xiàn)有的研究將溫拌瀝青（WMA）技術(shù)應(yīng)用到TB膠粉改性瀝青中。溫拌瀝青（WMA）技術(shù)最早起源于20世紀(jì)90年代中期的歐洲，用于降低黏結(jié)劑的粘度或者降低骨料與黏結(jié)劑之間的界面摩擦力，從而可以降低混合料生產(chǎn)和攤鋪時的溫度，減少燃料消耗和溫室氣體排放。目前市面上的WMA 技術(shù)根據(jù)其依據(jù)的原理，大致可以分為發(fā)泡技術(shù)、有機(jī)添加劑和化學(xué)促進(jìn)劑。上述研究與傳統(tǒng)的熱拌瀝青的結(jié)合已經(jīng)有了很多研究，但是由于橡膠粉改性瀝青比傳統(tǒng)的瀝青粘度更大，組分更加復(fù)雜，因此相關(guān)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。上述3 種方法為了利于控制，只有有機(jī)添加劑和化學(xué)促進(jìn)劑技術(shù)可以適用于橡膠粉改性瀝青。

2 結(jié)論

TB 膠粉改性瀝青比AR 瀝青黏度更低，且低溫性能和儲存穩(wěn)定性較好，因此被廣泛用于道路行業(yè)，其生產(chǎn)設(shè)備相對精簡，不需攪拌，適合于工廠化施工。在密閉的生產(chǎn)設(shè)備中制備，可以統(tǒng)一處理廢氣，避免了對環(huán)境的污染。TB 瀝青的性能主要受原始材料性質(zhì)和環(huán)境溫度的影響，在生產(chǎn)中控制這兩種因素可以保證TB 膠粉改性瀝青的性能。為了擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，可以通過一系列措施改善其性能，其具有很好的應(yīng)用前景，宜在我國進(jìn)一步推廣。