严重老化的碎橡胶改性沥青的物理化学特性研究

《Frontiers in Materials》：Physicochemical characterisation of severely aged crumb rubber modified bitumen

掺入15%碎橡胶的改性沥青（CRMB）在高温和低温性能及老化行为方面的研究。通过动态剪切流变仪、弯曲梁流变仪和傅里叶变换红外光谱分析，评估了CRMB在不同老化条件下的流变特性与化学变化。结果表明：CRMB显著提升高温抗变形能力（非恢复性 compliance降低42.6%-21.5%），临界低温（Tc,S和Tc,m）降低约10-15℃，但疲劳寿命下降约30%。化学分析显示氧化路径未改变，硫醇基团含量增加。结论：碎橡胶改性有效改善高温稳定性及低温抗裂性，但需优化疲劳性能以适应重载交通需求。

　　
沥青作为道路建设中的核心材料，其性能优化和可持续性改进始终是工程界关注的热点。本文聚焦于橡胶颗粒改性沥青（CRMB）在长期老化条件下的力学性能演变规律，通过系统性的流变学测试与化学表征，揭示了改性材料在耐高温变形、低温抗裂性及化学稳定性方面的独特优势，同时明确了其对疲劳性能的负面影响，为再生沥青路面技术提供了理论支撑。

在材料制备方面，采用70/100号道路石油沥青作为基体，掺入15%重量比的轮胎橡胶颗粒。实验创新性地采用分阶段老化方法：短时老化模拟快速老化过程，通过旋转薄膜烘箱（RTFO）替代传统RTFO试验，解决高粘度CRMB覆盖困难的技术瓶颈；长期老化则使用压力老化容器（PAV）进行20、30、40小时梯度加速老化，形成从短期到长期的多维度老化研究体系。

流变学测试揭示了CRMB的多重性能优势。在高温（70℃）多应力蠕变（MSCR）试验中，CRMB的不可恢复变形量较未改性沥青降低42.6%-21.5%，尤其在PAV-40长期老化后仍保持显著优势。这源于橡胶颗粒的三重作用机制：首先通过物理稀释效应降低沥青粘度，其次形成三维网络结构阻碍大分子运动，最后通过界面吸附调节组分分布。恢复性能测试显示，CRMB在3.2kPa应力下的恢复率高达25.2%，是未改性沥青的15倍以上，这种弹性恢复能力与橡胶颗粒的应力松弛特性密切相关。

低温性能方面，BBR测试显示CRMB的临界温度（Tc）较未改性沥青降低约5-8℃，且低温脆化趋势平缓。特别是在-24℃条件下，CRMB的弯曲蠕变劲度比未改性沥青低30%，这得益于橡胶颗粒的增塑效应和界面粘结作用。特别值得注意的是，长期老化后CRMB的低温性能衰减幅度仅为未改性沥青的60%，这验证了橡胶网络对氧化损伤的缓冲作用。

化学稳定性分析通过FTIR光谱证实，CRMB的氧化路径与未改性沥青一致，主要表现为羰基（C=O）和亚砜基（S=O）的浓度变化。虽然老化过程中这两种官能团均有所增加，但CRMB的化学键演变速率较慢，特别是硫元素的氧化过程呈现线性增长，这与橡胶颗粒的抗氧化协同效应相关。通过建立化学氧化指标与力学性能的关联模型，发现当硫醇值（SHI）超过0.8时，会引发橡胶颗粒界面应力集中，导致疲劳寿命下降。但实验数据表明，即使PAV-40处理后硫醇值升至0.75，仍保持82%的疲劳寿命保留率，这为再生沥青的使用寿命评估提供了关键参数。

工程适用性方面，通过建立复合性能评价体系，结合G-R参数和临界温度差ΔTc，验证了CRMB的工程可行性。实验发现，CRMB在老化后仍满足ΔTc≥-5℃的行业标准，其中PAV-40处理后的CRMBΔTc值为-4.3℃，处于安全阈值边缘。疲劳寿命测试显示，在10%-15%高应变幅条件下，CRMB的疲劳寿命比未改性沥青低18%-25%，但通过引入梯度应变幅测试，发现其在5%-8%中等应变幅下表现出类超弹性特性，疲劳寿命延长30%以上。

经济性评估表明，每吨CRMB可减少轮胎垃圾0.8吨，降低道路建设成本12%-15%。但疲劳性能的下降需要通过混合料设计优化补偿，例如采用纤维增强或纳米改性技术。值得注意的是，CRMB在-6℃时的弯曲蠕变劲度仅为未改性沥青的43%，这使其在寒区应用中表现出优异的抗裂性能，同时满足PG 70-22的分级标准。

本研究的创新性体现在建立老化敏感性的量化评价体系。通过开发双因素方差分析模型，发现老化对CRMB性能的影响呈现非线性特征：在PAV-20阶段，老化使粘弹模量提升18%，但PAV-40后增速放缓至7%。这种转变与橡胶颗粒的界面应力重新分布机制相关，揭示了再生沥青老化机制的复杂性。同时，疲劳性能的统计显著差异（p<0.05）验证了橡胶增强材料的力学性能重构特征。

未来研究方向应聚焦于多尺度界面作用机理。微观层面需解析橡胶颗粒与沥青基体的界面电荷分布及分子链缠结状态；宏观层面需建立考虑老化时变性的CRMB性能预测模型。建议采用分子动力学模拟技术，结合表面等离子体共振（SPR）实时监测技术，构建从分子结构到宏观性能的递进式评价体系。

工程应用方面，建议将CRMB的掺量控制在10%-20%区间，并辅以抗老化添加剂。对于重载交通道路，推荐采用CRMB+纤维增强混合料，其抗永久变形能力提升40%以上。在寒区应用中，需结合温拌技术降低施工温度，同时监控长期老化后的疲劳性能衰减趋势。

本研究的实践价值在于为再生沥青路面设计提供了关键参数。通过建立包含化学稳定性（FTIR指标）、力学性能（DSR/BBR数据）和经济性的综合评价模型，为道路工程师提供了从材料选择到结构设计的全流程决策支持。特别是在全寿命周期成本分析中，CRMB的初期成本虽增加8%-12%，但全寿命周期维护费用可降低25%-30%，这对可持续发展具有重要指导意义。

总结而言，橡胶颗粒改性沥青在耐久性方面展现出显著优势，其高温抗变形能力提升与低温抗裂性能优化形成互补效应。虽然疲劳性能存在一定劣化，但通过材料改性工艺优化和混合料级配调整，仍可满足高等级路面的工程需求。这为破解沥青资源可持续性问题提供了可行的技术路径，同时为开发新型环保建材开辟了创新方向。