Terminal Blend胶粉改性沥青研究进展

王毓晋，李庆冰，张 超

（1、宁波交通工程建设集团有限公司 浙江 宁波 315020；2、长安大学材料科学与工程学院 西安 710018）

0 引言

为了顺应我国社会和经济发展的需求，交通行业以很高的速度随之发展，因而每年车辆因磨损等而报废的轮胎量逐渐增加，形成了由废旧轮胎形成的“黑色污染”。将废旧轮胎剪碎，低温磨细、去除金属、纤维等杂质制成胶粉，借用干法或湿法来生产改性沥青已经成为一种主流的方式。湿法改性胶粉沥青（AR）通常掺加大于基质沥青质量比15%的胶粉，因性能较高近年来该技术在我国逐步得到推广应用［1］。相关研究表明，AR 在高低温性能、耐久性和抗疲劳性等方面优于普通改性沥青，同时AR 还可以提高路面对裂缝破坏的抵抗能力，一定程度上提高路面的寿命。在制备AR 过程中废旧胶粉的掺量较大，虽然提高了沥青的性能，但是参与化学反应的仅少量胶粉，大部分胶粉仍以溶胀形式存在于沥青体系中。因此AR 易出现离析现象导致其存储稳定性较差。因此同为湿法工艺的Terminal Blend（TB）最先在美国得到应用。其借助原油精炼厂或沥青厂的高温、高压反应釜，将小于10%掺量的胶粉在基质沥青中脱硫降解，形成由苯乙烯、丁二烯、碳黑和芳香族油分组成的均相体系。TB胶粉改性沥青具有以下优点：

⑴TB胶粉改性沥青与AR的黏度相比［2］，其黏度更低，且具有更好的和易性。

⑵TB 沥青比AR 沥青的低温性能更好，吕泉等人［3］对TB 和AR 沥青试样进行低温延度试验，试验证明TB 沥青的低温性能比AR 沥青的低温性能更好。因为高速剪切作用下，胶粉颗粒会进一步细化，不会影响到混合料的级配设计，因此TB 沥青可以用于混合料密级配的设计。

⑶TB沥青比AR沥青的储存稳定性更高。黄卫东等人通过测试TB改性沥青的上下层软化点和储存前后的针入度差异，结果如表1所示，可以发现，TB沥青储存稳定性比AR更好［3］。BILLITER［4］发现制备TB沥青时，将基质沥青和废胶粉在高温和高剪切速率的条件下改性，橡胶发生降解和脱硫在体系中形成均相结构。而AR改性过程中大部分的橡胶粉仅发生物理溶胀作用而未发生化学脱硫反应，因此结合能力较弱，易发生离析。

表1 TB沥青与橡胶沥青上下软化点和前后针入度差异Tab.1 The Softening Point Difference and Penetration Dif⁃ference after Storage of TB Asphalt and Rubber Asphalt

由于TB 胶粉改性沥青具有优异的特性以及广泛的应用前景，因此本文在阅读国内外相关文献的基础上，从TB 胶粉改性沥青的制备工艺、性能影响因素和质量改善措施方面来对其进行概括总结。

1 TB胶粉改性沥青研究进展

1.1 TB胶粉改性沥青的制备工艺

TB 沥青的生产采取湿法工艺，将胶粉与基质沥青在高温、高剪切条件下进行混合制得。橡胶粉改性沥青的湿法工艺可以分为Continuous Blend（CB）和Terminal Blend（TB）。CB工艺中橡胶粉在基质沥青中仅发生溶胀反应，TB 工艺中橡胶粉则在基质沥青中脱硫降解从而得到均相体系。该沥青在生产过程中可以用传统工艺生产，解决了AR 胶粉改性沥青在生产过程中因沥青黏度过高而导致的问题，同时减少了有毒有害物质的排放。国内目前主要从两个角度对TB 沥青进行研究：①通过添加催化剂等促使橡胶粉在基质沥青中的脱硫降解反应以及二次交联作用恢复其部分弹性性能；②对TB 沥青的大规模生产进行研究，通过物理或化学改性的方法对胶粉进行处理，例如利用微波的方式选择性地切断S-S 键、C-S 键而不破坏C-C 键的微波降解技术［5］，或者利用线型或支化十二烷基苯磺酸、十三烷基苯磺酸对胶粉进行改性［6］。由此胶粉制得的改性沥青存储稳定性明显比传统胶粉改性沥青高，但是此方式成本较高，因此不利于工厂大规模生产。目前TB 胶粉改性沥青工厂化生产一般采用粒径较大的橡胶粉末然后利用胶体磨或高速剪切机进行脱硫降解［7］。TB 胶粉改性沥青的生产设备如图1所示。

图1 Terminal Blend沥青生产设备［8］Fig.1 Production Equipment of Terminal Blend asphalt

1.2 TB胶粉改性沥青的性能影响因素

TB 胶粉改性沥青有很好的应用前景，因此对其性能影响因素的相关研究有很多。文献［4］研究发现高剪切温度和剪切速率的条件对TB 胶粉改性沥青进行改性会导致橡胶的脱硫降解，因此改善了沥青的低、中温流变性质，降低沥青的高温黏度。上述研究认为高温和高剪切速率对胶粉在基质沥青中的脱硫降解有积极作用，但未考虑过高的温度和过高的剪切速率会对沥青产生的不利影响。CHIPP等人［9］研究认为过高的剪切温度和过长的剪切时间会导致橡胶粉过度脱硫降解，使得TB 沥青出现弹性损失和老化等。国内外对胶粉改性沥青的性能影响因素的研究和分析认为，剪切温度变化、沥青组分含量、胶粉的种类和掺量变化均会影响TB 沥青的改性效果。有关胶粉掺量对TB 沥青性能的影响的相关研究认为，随着橡胶粉掺量的逐渐增加，TB 沥青的高温性能（软化点）逐渐降低，低温性能（延度）逐渐提高。综上所述，TB 沥青的性能主要会受到采用的原始材料性质和环境温度的影响，因此在生产过程中控制这两个因素就可以保证TB胶粉改性沥青的性能。

1.3 TB胶粉改性沥青的质量改善措施

⑴由于高固化条件会降低TB 胶粉改性沥青的粘度，同时破坏了橡胶的弹性，因此TB 胶粉改性沥青的抗车辙、抗疲劳开裂和抗反射裂缝等性能都有明显降低。为了提高TB 胶粉改性沥青的高温粘结性能，专家学者提出一系列的措施来保障TB 胶粉改性沥青的高温性能：

增加橡胶粉的含量，虽然较高的橡胶粉含量可以显著改善TB 胶粉改性沥青的高温性能，但是过高的橡胶含量容易发生离析，而且当橡胶粉含量超出了TB改性技术的范围，会削弱TB改性技术的优势。

采用天然橡胶代替废弃轮胎胶粉来充当改性剂，能够在混合后有效改善TB胶粉改性沥青的高温性能。

通过对废弃胶粉进行化学预处理或在共混物中添加化学试剂来改善TB胶粉改性沥青的性能。

⑵ 为提高基质沥青和橡胶粉微粒之间的相容性，国内外学者们进行了大量的研究。SHATANAWI研究发现，糠醛抽出油可以有效提高TB 胶粉改性沥青的储存稳定性。另外共轭二烯聚合物、聚磷酸（PPA）、硅氢化催化剂和硫基交联剂也可以有效缓解TB 胶粉改性沥青中的两相分离问题［10-11］。除化学方法外，ATTIA 研究发现降低储藏温度也可以达到同样的效果，并且具有很好的经济效益。

⑶为了减小在生产和摊铺过程中的能量消耗，现有的研究将温拌沥青（WMA）技术应用到TB胶粉改性沥青中。温拌沥青（WMA）技术最早起源于20世纪90年代中期的欧洲，用于降低黏结剂的粘度或者降低骨料与黏结剂之间的界面摩擦力，从而可以降低混合料生产和摊铺时的温度，减少燃料消耗和温室气体排放。目前市面上的WMA 技术根据其依据的原理，大致可以分为发泡技术、有机添加剂和化学促进剂。上述研究与传统的热拌沥青的结合已经有了很多研究，但是由于橡胶粉改性沥青比传统的沥青粘度更大，组分更加复杂，因此相关研究远远不够。上述3 种方法为了利于控制，只有有机添加剂和化学促进剂技术可以适用于橡胶粉改性沥青。

2 结论

TB 胶粉改性沥青比AR 沥青黏度更低，且低温性能和储存稳定性较好，因此被广泛用于道路行业，其生产设备相对精简，不需搅拌，适合于工厂化施工。在密闭的生产设备中制备，可以统一处理废气，避免了对环境的污染。TB 沥青的性能主要受原始材料性质和环境温度的影响，在生产中控制这两种因素可以保证TB 胶粉改性沥青的性能。为了扩大其应用领域，可以通过一系列措施改善其性能，其具有很好的应用前景，宜在我国进一步推广。