廢膠粉改性瀝青研究進(jìn)展

摘 要:本文從儲存穩(wěn)定性及其離析機(jī)理、柔度與黏度、性能及其混合料等實(shí)驗(yàn)方面綜述了國內(nèi)外對廢橡膠粉改性瀝青的研究情況，并對它的利用情況進(jìn)行了概括。

關(guān)鍵詞:廢膠粉改性瀝青實(shí)驗(yàn)綜述

中圖分類號:TE626文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(b)-0052-02

Abstract:Summary about storage stability，segregation mechanism，flexibility and viscosity，performance and wast rubber powder modified asphalt mixture experiment in the paper.At the same time，the use of crumb rubber modified asphalt is summaried.

Key words:crumb rubber;modified asphalt;experiment;summary

引言

廢舊橡膠主要來源于廢輪胎、廢膠鞋、廢膠管以及膠帶等橡膠制品，其次來源于橡膠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的邊角料及廢品，屬于工業(yè)固體廢料[1]。橡膠是高聚物，分解需長達(dá)數(shù)百年的時(shí)間，危害生態(tài)環(huán)境。因此，廢舊橡膠的循環(huán)利用成為各國解決廢舊橡膠污染的有效途徑之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國2002年廢舊輪胎達(dá)到8000萬條，并將以每年12%的速度增加，2005年達(dá)到1.2億條，2010年將達(dá)到2億條，因而廢舊輪胎的處理已迫在眉睫。而將廢舊橡膠磨細(xì)成膠粉用于改性道路瀝青，不僅可改善瀝青的高、低溫性能，減少瀝青路面的龜裂和老化，提高車輛的行駛安全和路面的使用壽命，還可以回收利用廢舊橡膠，減少固體廢棄物的污染。因此工業(yè)發(fā)達(dá)國家早已開展了廢橡膠粉改性瀝青的研究與應(yīng)用[2]。我國對于廢舊橡膠粉改性瀝青的研究尚處于起步階段，且還沒有出臺相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

1 廢膠粉改性瀝青的儲存穩(wěn)定性

1.1 聚合物改性瀝青存儲穩(wěn)定性

聚合物改性瀝青的存儲穩(wěn)定性是指其在生產(chǎn)、存儲和使用過程中不發(fā)生聚合物離析或降解的性質(zhì)。多數(shù)情況下，聚合物離析時(shí)，由于聚合物在高溫下黏度較高且密度小于瀝青，聚合物會(huì)在瀝青上部形成乳狀層或者結(jié)皮，從而影響瀝青的性能。一般改性瀝青或者瀝青混合料生產(chǎn)過程中，都要高溫加熱且持續(xù)攪拌，這就會(huì)導(dǎo)致聚合物的降解。聚合物降解后，其各項(xiàng)性能都會(huì)下降，嚴(yán)重時(shí)瀝青性質(zhì)都被破壞，改性性能大大降低。聚合物改性瀝青的存儲穩(wěn)定性主要是由聚合物和瀝青的相容性決定的。相容性越好，聚合物改性瀝青越穩(wěn)定。所以，要解決聚合物的存儲穩(wěn)定性問題，必須先改善聚合物和瀝青的相容性。

1.2 廢膠粉改性瀝青的儲存穩(wěn)定性研究

康愛紅[4]等采用高速剪切工藝在試驗(yàn)室制備了廢膠粉改性瀝青，基質(zhì)瀝青為泰州中海70#，廢膠粉為南通橡膠廠提供的80目膠粉。聚合物改性瀝青的儲存穩(wěn)定性能常規(guī)的評價(jià)是采用瀝青離析試驗(yàn)方法。利用熒光顯微照相技術(shù)和紅外光譜法的現(xiàn)代測試手段對廢膠粉改性瀝青進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，從而揭示廢膠粉改性瀝青儲存穩(wěn)定性能。分析結(jié)果表明:廢膠粉改性瀝青雖然提高了瀝青的性能，但其存儲穩(wěn)定性相應(yīng)較差。廢膠粉摻量越大，基質(zhì)瀝青中游離的廢膠粉增加，致使離析變大。

1.3 廢膠粉改性瀝青的離析機(jī)理[5]

瀝青是一種混合物，其中含有大量的極性、分子量差異很大的各種分子。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)將瀝青視為膠體，即由高分子瀝青膠粒和懸浮在其中的軟瀝青質(zhì)組成的懸浮液。充足的樹脂和芳香分能提供足夠大的溶解力，使得瀝青質(zhì)完全地溶解于其中形成膠粒，并在瀝青膠體中有良好的流動(dòng)性;如果樹脂和芳香分的數(shù)量欠缺時(shí)，這些膠粒就會(huì)聯(lián)結(jié)在一起，形成團(tuán)粒，從而導(dǎo)致了離析的發(fā)生[6，7]。任何高分子聚合物介入瀝青體系，都會(huì)打破原有的動(dòng)態(tài)平衡，降低其勻質(zhì)性。當(dāng)把廢膠粉加入到熱瀝青中后，它會(huì)吸附瀝青中的軟瀝青質(zhì)，體積急劇地膨脹;廢膠粉同瀝青質(zhì)競爭輕組分將會(huì)導(dǎo)致瀝青質(zhì)膠粒結(jié)合成團(tuán)粒。同時(shí)由于在高溫改性時(shí)瀝青具有相對低的黏性，結(jié)構(gòu)和極性相近的物質(zhì)就會(huì)各自結(jié)合、聚集在一起，形成溶脹的聚合物膠團(tuán)和瀝青質(zhì)膠團(tuán)。從熱力學(xué)的角度看，這種體系不穩(wěn)定，可能在引力場的作用下產(chǎn)生分層離析或沉淀，瀝青質(zhì)膠團(tuán)可能會(huì)在靜態(tài)熱貯存過程中沉積到混合料的底部。因此，改性瀝青的離析程度會(huì)受時(shí)間、溫度等貯存條件的影響，但是最主要的影響因素還是基質(zhì)瀝青的自然特性與改性劑的性質(zhì)、劑量。

2廢膠粉改性瀝青的柔度與黏度

孔憲明[8]等研究了橡膠粉-瀝青體系中軟化點(diǎn)、柔度、黏度及膠粉摻加量及溫度的關(guān)系。認(rèn)為:

(1)膠粉改性瀝青在沒有SBS等熱塑性彈性體加入的情況下，可以制作軟化點(diǎn)95℃，低溫柔度低于-10℃的改性瀝青涂蓋料，滿足一般防水卷材的需求;

(2)加入交聯(lián)劑與分散穩(wěn)定劑可以使得瀝青體系內(nèi)的膠粉溶解物穩(wěn)定存在，即所謂發(fā)生再交聯(lián)過程，此過程使瀝青體系有部分互穿網(wǎng)絡(luò)形成使改性瀝青具有穩(wěn)定性。

(3)膠粉改性瀝青高溫黏度一般大于SBS改性瀝青，交入分散穩(wěn)定劑后高溫黏度降低，可以滿足應(yīng)用要求。

3 廢膠粉改性瀝青的性能[9]

3.1 廢膠粉改性瀝青的生產(chǎn)方法

廢膠粉改性瀝青主要有兩種生產(chǎn)方法:濕法和干法。

濕法是先將廢膠粉與瀝青混合，形成橡膠粉改性瀝青，然后把橡膠粉改性瀝青與集料進(jìn)行熱拌和制成混合料。干法是先將橡膠粉加入到集料中，形成混合集料再與瀝青進(jìn)行熱拌和制成混合料。干法過程的費(fèi)用低，因?yàn)樗恍枰獙ｉT的設(shè)備，此過程生產(chǎn)的改性瀝青一致性差，實(shí)際上不是生產(chǎn)改性瀝青，而是把廢膠粉當(dāng)作填料使用，用干法修筑的道路需要經(jīng)常修補(bǔ)。

3.2 廢膠粉改性瀝青的性能及其影響因素

橡膠粉改性瀝青在公路上的主要用途:(1)用來拌制瀝青混合料，鋪筑瀝青路面的上面層，以全面提高路面的使用性能;(2)用作封層，即應(yīng)力吸收層，以抑制路面基層裂縫的向上反射。Memon等[10]研究發(fā)現(xiàn)，橡膠粉能增加瀝青的延度，降低瀝青在低溫下的蠕變勁.Morrison和Hesp等研究發(fā)現(xiàn)，對150～200針入度級的瀝青，加入少量廢膠粉可改善高溫流變性質(zhì)，增加橡膠粉濃度和減少橡膠粉粒徑，可提高變形阻力。Sheth研究發(fā)現(xiàn)，在100份瀝青中每增加一份橡膠粉能使體系的脆點(diǎn)下降約1℃;他們還發(fā)現(xiàn)硫化膠中含有的各種穩(wěn)定劑、抗氧劑、硫化劑、碳黑、氧化鋅等成分對提高瀝青材料的吸附性和耐久性很有幫助。Lalwani等用實(shí)驗(yàn)研究后得出，通過加入橡膠粉，瀝青的流變性質(zhì)如黏度、彈性、硬度、強(qiáng)度、耐久性都能得到顯著的改善。Epps研究發(fā)現(xiàn)，添加橡膠粉能極大地增加道路改性瀝青的馬歇爾穩(wěn)定度，增大與集料的粘結(jié)性，提高防滑性能，增加耐磨性;用橡膠粉改性瀝青制成的混合料抗車轍能力更強(qiáng)，Tayeba-li等研究發(fā)現(xiàn)，含16%廢膠粉的改性瀝青體系，其粘彈性增加，溫度敏感性降低，彈性恢復(fù)和抗老化性能提高。

主要影響因素有以下幾個(gè)方面:

(1)瀝青組分對膠粉改性瀝青的影響

橡膠在瀝青中的溶解溶脹程度與瀝青的組分有關(guān)，橡膠的溶解溶脹過程實(shí)質(zhì)就是橡膠粉在瀝青中的脫硫降解過程。Travis的研究指出，分子量較輕、芳香分較高的瀝青脫硫過程快，較輕分子量的組分能容易地?cái)U(kuò)散到膨脹的橡膠微粒中，并與橡膠相互作用而溶解橡膠。瀝青質(zhì)含量越低，分子量越輕，瀝青的黏度越低，瀝青的擴(kuò)散性質(zhì)越好。

(2)膠粉的表面形態(tài)和粒徑對膠粉改性瀝青的影響

Oliver發(fā)現(xiàn)橡膠表面形態(tài)是影響改性瀝青彈性性質(zhì)的重要因素。橡膠表面越粗糙，表面積越大，改性瀝青的彈性恢復(fù)越高;橡膠粉改性瀝青的彈性恢復(fù)隨橡膠粒子大小的降低而增加;相位角測量顯示橡膠粉改性瀝青能改善在高溫下由交通作用引起的負(fù)載響應(yīng)和在低溫下由熱收縮產(chǎn)生的負(fù)載響應(yīng)。Oliver的研究還發(fā)現(xiàn)加工處理溫度超過200℃，彈性恢復(fù)可以達(dá)到一個(gè)最大值，恢復(fù)程度與橡膠濃度成正比，較小微粒比較大微粒對彈性恢復(fù)更有利。Bahia等研究指出細(xì)橡膠粉改性瀝青的延度比粗橡膠改性瀝青的延度大。美國Texas交通局的研究顯示較細(xì)橡膠粉對低溫性能的影響更有效。Duvall研究顯示膨脹所需時(shí)間隨粒徑平方而增加，故細(xì)橡膠粉的改性比粗橡膠粉明顯。

(3)加工條件對膠粉改性瀝青的影響

早期的橡膠粉改性瀝青主要在低溫和低剪切速率下制備，但大量研究顯示，這樣制得的改性瀝青為非均相系統(tǒng)，橡膠粉以溶脹的形式存在于瀝青中。雖然此種道路改性瀝青與基質(zhì)瀝青相比在寒冷溫度下勁度降低、對中溫車轍阻力更強(qiáng)，但其非均相性會(huì)產(chǎn)生膠粉沉降現(xiàn)象，并且在壓實(shí)溫度下黏度高，會(huì)導(dǎo)致道路的開裂和松散。Billiter等[11]研究發(fā)現(xiàn)，高溫、高剪切速率加工處理可導(dǎo)致橡膠的溶解增加，改善瀝青的低、中溫流變性質(zhì)，降低高溫黏度。Memon等[12]研究發(fā)現(xiàn)，只用剪切過程就可改善橡膠粉改性瀝青的溫度敏感性;若在加熱條件(267℃)剪切2h，然后攪拌處理(228℃，95min)，則能達(dá)到更好的降解和脫硫效果。實(shí)際上，較高的溫度和較長的改性時(shí)間會(huì)導(dǎo)致橡膠粉改性瀝青過度降解，使改性瀝青的物理性質(zhì)受到很大影響。

4 廢膠粉改性瀝青的混合料研究

康曉惠等[13]研究結(jié)果表明，膠粉摻量為15%時(shí)，瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能達(dá)到最佳值，由此可確定膠粉最佳摻量為15%。膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度、針入度指數(shù)、當(dāng)量軟化點(diǎn)升高，說明其高溫穩(wěn)定性得到了改善;針入度、針入度敏感性系數(shù)當(dāng)量脆點(diǎn)降低，說明其低溫

抗裂性得到了改善。膠粉改性瀝青混合料的穩(wěn)定度、彎曲應(yīng)變、動(dòng)穩(wěn)定度、疲勞壽命提高，流值降低，說明其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性、疲勞耐久性得到了改善。并得出以下結(jié)論:(1)膠粉改性瀝青混合料既能全面提高瀝青混合料的路用性能，又能很好的解決瀝青混合料高溫性能和低溫性能之間的矛盾。(2)廢舊膠粉改性瀝青混合料在經(jīng)濟(jì)上，比其它同類改性瀝青混合料成本低，且改性效果較好，因此有著良好的應(yīng)用前景。(3)廢舊橡膠作為一種環(huán)境污染物，隨著世界工業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程，其污染問題將會(huì)越來越嚴(yán)重。將廢舊橡膠加工成橡膠粉摻入瀝青中，作為路面建筑材料，有利于減少環(huán)境污染，有利于經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展.

5 結(jié)論

隨著我國目前對廢橡膠粉改性瀝青的研究日益深入，廢橡膠粉改性瀝青的利用必將進(jìn)一步增加，對實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用和環(huán)境友好大為有利.

參考文獻(xiàn)

[1]董誠春.廢橡膠資源綜合利用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]程源.廢膠粉應(yīng)用前瞻[J].合成橡膠工業(yè)，2001，24(2):65～66.

[3]肖鵬，馬愛群.廢舊橡膠粉用于道路改性瀝青的研究[J].交通環(huán)保，2005，3(26):56～68.

[4]康愛紅，肖鵬，馬愛群.廢膠粉改性瀝青存儲穩(wěn)定性研究[J].中外公路，2007，27(3):205～207.

[5]馬愛群，肖鵬.廢膠粉改性瀝青的離析機(jī)理研究[J].公路工程與運(yùn)輸，2008，12.

[6]孫大權(quán)，呂偉民.SBS改性瀝青熱儲存穩(wěn)定性研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2006，(6):39～42.

[7]黃衛(wèi)東，孫立軍.SBS改性瀝青軟化點(diǎn)的衰變[J].中國公路學(xué)報(bào)，2002，(2):1～3.

[8]孔憲明，張小英.廢膠粉改性瀝青的柔度與黏度.

[9]盧金龍，張晉偉.廢膠粉改性瀝青改性機(jī)理及其性能研究[J]山西建筑，2009，35(9):170～171.

[10]Memon GM，Chollar B H，McFarland S J. Chemically modifiedcrumb rubber styrenebutadiene modified asphalt ACS 216th National Meeting Boston [J]. ACS Division of Fuel ChemistryPreprints，1998，43(4):1090～1095.

[11]Billiter T C. The characterization of asphalt rubber binder [J] .Science amp Engineering 1997，57(12):7624.

[12]Memon G M ，Chollar B H. Large scale laboratory production of chemically modified crumb rubber asphalt ( CMCRA) . ACS 216th National Meeting Boston [J].ACS Division of Fuel Chemistry Preprints，1998，43(4):108321089.

[13]康曉惠，包惠明.新型廢膠粉改性瀝青混合料的路用性能實(shí)驗(yàn)研究[J].道路工程，2008，19(5):19～23.