基于性能指標(biāo)的廢膠粉改性瀝青改性機(jī)理研究

劉　丹　董明潔

(1.北京中環(huán)世紀(jì)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司　北京　100097；　2.泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司　北京　100053)

基于性能指標(biāo)的廢膠粉改性瀝青改性機(jī)理研究

劉丹1董明潔2

(1.北京中環(huán)世紀(jì)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京100097；2.泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司北京100053)

摘要用廢舊橡膠粉改性瀝青既可以提高瀝青及瀝青混合料的路用性能，又能對廢舊輪胎回收利用，變廢為寶。文中分析了廢膠粉改性瀝青的物理改性機(jī)理，應(yīng)用紅外光譜(IR)分析其化學(xué)成分變化，研究其化學(xué)改性機(jī)理。通過對廢膠粉改性瀝青做瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度對比試驗(yàn)，證明廢膠粉改性瀝青對改善瀝青延度指標(biāo)具有顯著效果，對其他2項(xiàng)指標(biāo)也有一定程度的改善作用。

關(guān)鍵詞廢膠粉改性機(jī)理瀝青路面性能指標(biāo)

瀝青路面由于具有優(yōu)異的使用性能和良好的行車舒適性，而且修建速度快，養(yǎng)護(hù)方便，因此，瀝青己經(jīng)成為路面的主要建筑材料之一，需求量與日俱增。同時，隨著我國交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，各型汽車的保有量持續(xù)上升，廢舊輪胎作為固體廢棄物的處治問題己成為人們關(guān)注的重大環(huán)保課題。因此，用廢舊橡膠粉改性瀝青既可以提高瀝青及瀝青混合料的路用性能，又能使廢舊輪胎變廢為寶，解決環(huán)保難題，是一件一舉多得的好事。加拿大、美國很早就開始鋪筑混有橡膠粉末的改性瀝青路面結(jié)構(gòu)。近些年我國對膠粉改性瀝青也開展了一些研究工作。江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司的吳春穎[1]等人依托貴州省道S305線大修改造工程，以廢膠粉改性瀝青作為再生劑對舊瀝青路面再生技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究，驗(yàn)證了廢膠粉改性瀝青作為再生膠結(jié)料具有優(yōu)越性的路用性能；東營市公路勘察設(shè)計(jì)院的賈宏偉，王成軍[2]通過試驗(yàn)研究了廢橡膠粉改性瀝青的路用性能；李波，李艷博[3]等通過疲勞試驗(yàn)、間接拉伸勁度模量試驗(yàn)與彎曲梁流變試驗(yàn)、動態(tài)剪切流變試驗(yàn)、韌性指標(biāo)試驗(yàn)和半圓彎曲試驗(yàn)對比了膠粉改性瀝青與SBS改性瀝青及其混合料的路用性能。研究結(jié)果表明：廢膠粉改性瀝青要達(dá)到與SBS改性瀝青相同性能至少需要2倍的廢膠粉摻量；廢膠粉摻量較高的改性瀝青具有比SBS改性瀝青混合料更高的彈性；隨著廢膠粉摻量的增加，廢膠粉改性瀝青抗裂的性能增強(qiáng)。本文借鑒以往和現(xiàn)在的研究成果，對廢舊橡膠粉改性瀝青及瀝青混合料進(jìn)行了探討和研究。

1　廢膠粉改性瀝青改性機(jī)理

1.1物理改性機(jī)理

廢膠粉加入瀝青中后，吸附瀝青中的輕組分進(jìn)而溶脹。廢膠粉溶脹的同時，其表面的部分高分子鏈逐漸擴(kuò)散到瀝青基質(zhì)中，還有少數(shù)高分子殘鏈和鏈長較短的高分子脫離廢膠粉溶解于瀝青中。瀝青中的輕質(zhì)組分逐漸滲透進(jìn)廢膠粉的高分子網(wǎng)絡(luò)中，并與高分子鏈構(gòu)成界面層。在分子力長程效應(yīng)下，界面層的外圍吸附瀝青中的膠質(zhì)并形成界面過渡層[4]。界面過渡層與瀝青中的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的外層有親和作用。在高溫作用下，由于分子熱運(yùn)動的影響，使瀝青中的膠團(tuán)與廢胎膠粉表面的界面層通過界面過渡層緊緊地結(jié)合為一體。在膠粉表面結(jié)合處(節(jié)點(diǎn))，膠團(tuán)填補(bǔ)了廢膠粉的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而形成了廢胎膠粉和瀝青連續(xù)或相互交錯的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。改性機(jī)理的物理模型見圖1。

圖1　改性機(jī)理的物理模型

三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的“節(jié)點(diǎn)”形成局部應(yīng)力吸收中心，當(dāng)外力作用時，要克服空間網(wǎng)絡(luò)“節(jié)點(diǎn)”的阻力才可以作用到瀝青分子，使廢膠粉改性瀝青的低溫松弛能力和高溫變形受阻能力加強(qiáng)，從而改善廢膠粉改性瀝青的低溫和高溫性能。

1.2化學(xué)改性機(jī)理

廢膠粉改性瀝青改性前后紅外光譜(IR)發(fā)生了變化，見圖2，說明了廢膠粉與瀝青之間存在化學(xué)反應(yīng)。廢膠粉的化學(xué)改性作用機(jī)理表現(xiàn)在如下幾個方面。

(1) 廢膠粉的解聚和脫硫。與廢膠粉溶脹過程同時發(fā)生的還有橡膠分子的降解和廢膠粉顆粒的脫硫過程。在高溫?cái)嚢钑r，廢膠粉中的網(wǎng)狀大分子結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的氧化解聚，形成大量的小型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體和部分鏈狀結(jié)構(gòu)，從而具有一定的塑性和粘性，但同時原有橡膠的彈性也會降低。

(2) 瀝青膠體結(jié)構(gòu)組成的變化。廢膠粉可以吸附瀝青中的輕組分，這些吸附的輕組分經(jīng)過滲透，擴(kuò)散進(jìn)入橡膠網(wǎng)絡(luò)，與游離的油蠟相結(jié)合，從而有效地降低瀝青中游離的蠟含量，組分含量的變化使得含高蠟的瀝青從溶膠結(jié)構(gòu)變?yōu)槿?凝膠型結(jié)構(gòu)。

(3) 廢膠粉中化學(xué)物質(zhì)的改性作用。廢膠粉是由彈性體(人工合成橡膠和天然橡膠)、硫化劑(過氧化物、硫等) 、充填物、硫化活化劑(硬脂酸等)、油分、增固劑(炭黑)、增塑劑和添加劑(抗臭氧劑、抗氧化劑等)組成。在與瀝青的高溫混溶過程中，部分廢膠粉顆粒會發(fā)生脫硫和解聚過程，瀝青與膠粉顆粒發(fā)生物質(zhì)交換，橡膠顆粒中的炭黑、硫、氧化鐵、氧化硅等活性物質(zhì)進(jìn)入瀝青膠體中，起到改善瀝青低溫性能、溫度敏感性及耐老化性的作用。

圖2　膠粉改性瀝青紅外光譜圖

2　廢膠粉摻量對瀝青性能指標(biāo)的影響

在研究廢膠粉作為瀝青混合料的改性劑對改性瀝青3大性能指標(biāo)影響過程中，采用70號瀝青，廢膠粉細(xì)度為80目，分別選取廢膠粉摻量在0，5%，10%，15%，20%時，試件的針入度(試驗(yàn)條件：25 ℃，荷重100g，貫入時間5s)、軟化點(diǎn)、延度(試驗(yàn)條件：5 ℃，5cm/min)的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果見表1及圖3～圖5。

表1　不同廢膠粉劑量的改性瀝青性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

圖3　不同廢膠粉劑量的改性瀝青針入度試驗(yàn)結(jié)果

圖4　不同廢膠粉劑量的改性瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

圖5　不同廢膠粉劑量的改性瀝青延度試驗(yàn)結(jié)果

由圖3、圖4、圖5可見，廢舊橡膠粉摻量對改性瀝青3大性能指標(biāo)影響程度存在明顯差異：廢膠粉摻量對瀝青的延度影響程度最高。以廢膠粉摻量為0%的試驗(yàn)組作為對照組，隨著廢膠粉摻量從5%逐漸增加至20%，試驗(yàn)溫度為15，25，30 ℃時，瀝青針入度均是先降低后升高，在廢舊瀝青摻量為15%時達(dá)到最低值，其中，試驗(yàn)溫度為15 ℃時針入度最大降幅為9.09%，試驗(yàn)溫度為25 ℃時針入度最大降幅為5.68%，試驗(yàn)溫度為30 ℃時針入度最大降幅為9.15%。從圖4中廢膠粉摻量對軟化點(diǎn)的影響看出，當(dāng)廢膠粉摻量為15%，t800，t1.2達(dá)到極值，t800增幅為5.64%，t1.2降幅15.76%。從圖5中廢膠粉摻量對延度的影響看出，當(dāng)廢膠粉摻量為15%，延度達(dá)到極大值，3組平行實(shí)驗(yàn)增幅分別為80.00%，78.57%，62.50%，比未摻加廢膠粉的瀝青延度平均增長73.69%。

收稿日期：2015-04-24

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.035