不同橡膠粉對(duì)改性瀝青路用性能的影響

孫增智，王曉磊，況棟梁，丁建鑫，王小雯，張 奔

(長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

廢舊橡膠制品是橡膠材料在使用過(guò)程中經(jīng)過(guò)老化、機(jī)械磨損、報(bào)廢后形成的固體廢棄物[1]。30%以上的廢舊橡膠被當(dāng)作垃圾進(jìn)行焚燒、填埋或閑置堆積[2]，造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，而利用橡膠粉對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性是一種變廢為寶的好方法[3]。但是，目前關(guān)于這方面的研究多為大車(chē)廢胎膠粉對(duì)改性瀝青路用性能的影響，而關(guān)于廢膠帶、廢膠鞋、廢膠管等其他廢舊橡膠制得的橡膠粉對(duì)基質(zhì)瀝青改性的研究較少。

本文選擇6種代表性的橡膠粉分別對(duì)鎮(zhèn)海70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，通過(guò)軟化點(diǎn)、針入度、黏度、彈性恢復(fù)率等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)改性效果，同時(shí)研究其在短期老化后的性能變化，旨在比選出改性效果優(yōu)良的橡膠粉，以期為實(shí)際工程提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)原料與試驗(yàn)方法

1.1 基質(zhì)瀝青

本試驗(yàn)采用鎮(zhèn)海70#瀝青，具體性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 瀝青基本性能

1.2 橡膠粉

使用圈口胎膠粉、胎頂膠粉、鞋底膠膠粉、全胎膠粉、雜膠粉、小車(chē)胎膠粉，共6種廢舊橡膠粉，分別在摻量為5%、10%、15%、20%、25%時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)紅外光譜對(duì)6種橡膠粉組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖1所示，膠粉的實(shí)測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表2。

從橡膠粉的紅外光譜可以看出，6種橡膠粉的成分大體是相同的，只是相對(duì)含量有所差異。

表2 膠粉實(shí)測(cè)指標(biāo)

圖1 不同橡膠粉的紅外光譜

廢舊橡膠粉的化學(xué)成分一般包括天然橡膠(NR)、合成橡膠(丁苯橡膠SBR、順丁橡膠BR)、可塑劑、碳黑及灰分等物質(zhì)，其中NR含量對(duì)橡膠瀝青的性質(zhì)影響最大。一般認(rèn)為，增加NR含量，可以加快瀝青與橡膠的反應(yīng)速度，增加橡膠瀝青的黏附性。此外，合成橡膠中SBR的物理機(jī)械性能和使用性能接近于NR，有些性能(如耐磨、耐熱、耐老化及硫化速度)較NR更為優(yōu)良；BR具有彈性好、耐磨性強(qiáng)、耐低溫性能好、生熱低、滯后損失小以及耐屈擾性、抗龜裂性、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。研究表明：NR更易與瀝青發(fā)生相互作用而形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且在相同時(shí)間內(nèi)NR的溶脹程度更高[4]；因此，制備橡膠瀝青時(shí)應(yīng)選取NR含量高的橡膠粉對(duì)瀝青進(jìn)行改性。

1.3 改性工藝

綜合橡膠粉改性瀝青的各研究成果、實(shí)際工程應(yīng)用及現(xiàn)行的主要加工工藝[5]，同時(shí)結(jié)合作者進(jìn)行的大量橡膠粉改性瀝青的改性工藝試驗(yàn)，本文所采用的改性工藝如下。

(1)首先將瀝青加熱到150 ℃左右，然后邊攪拌邊加入橡膠粉；橡膠粉添加完畢后，繼續(xù)加熱使加入膠粉的瀝青溫度升高到180 ℃左右并攪拌30 min，使橡膠粉充分均勻地分散到瀝青中。

(2)將混合均勻的橡膠瀝青轉(zhuǎn)移到高速剪切乳化機(jī)下，將其溫度緩緩升至190 ℃左右，先低速剪切3～5 min，然后增大剪切速率至4 500 r·min-1左右剪切50 min。

(3)將剪切完的橡膠瀝青移到攪拌機(jī)中，在150 ℃條件下低速攪拌60 min，進(jìn)行攪拌發(fā)育。

(4)最后將橡膠瀝青放入150 ℃的烘箱內(nèi)繼續(xù)發(fā)育30 min，得到成品橡膠粉改性瀝青。

1.4 橡膠粉改性瀝青性能測(cè)試

瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、15 ℃延度、彈性恢復(fù)、180 ℃布氏黏度分別按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 052—2000)中所規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試。

2 改性瀝青性能測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 橡膠粉種類及摻量對(duì)軟化點(diǎn)的影響

圖2是6種不同橡膠改性瀝青的軟化點(diǎn)隨橡膠粉摻量變化的曲線。由圖2可知，隨著橡膠粉的加入，改性瀝青的軟化點(diǎn)均有不同幅度的升高。其中胎頂膠粉對(duì)改性瀝青軟化點(diǎn)的提升作用最為顯著，且膠粉摻量為5%、25%時(shí)，改性瀝青軟化點(diǎn)相比基質(zhì)瀝青分別提高了4 ℃、25 ℃；而雜膠粉對(duì)改性瀝青軟化點(diǎn)的提升作用不明顯，膠粉摻量為5%、25%時(shí)，改性瀝青軟化點(diǎn)相比基質(zhì)瀝青分別提高了1 ℃、6 ℃。故胎頂膠粉對(duì)瀝青的改性效果最佳，主要是由于NR含量較高，NR相對(duì)于SBR和BR更容易吸收瀝青中的輕質(zhì)組形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而阻礙瀝青之間的相對(duì)流動(dòng)，引起軟化點(diǎn)的升高；雜膠粉對(duì)瀝青的改性效果最差，是由于雜膠粉主要由各種規(guī)格的非丁基類內(nèi)胎、水胎硫化橡膠與工業(yè)橡膠制品粉碎制得[6]，NR含量低，并且?jiàn)A雜的膠粉種類較多，形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)不致密。因此，NR含量高的膠粉更易引起瀝青軟化點(diǎn)的升高。

圖2 橡膠粉種類及摻量對(duì)軟化點(diǎn)的影響曲線

2.2 橡膠粉種類及摻量對(duì)針入度的影響

圖3是6種橡膠改性瀝青的針入度隨橡膠粉摻量變化的曲線。

圖3 橡膠粉種類和摻量對(duì)針入度的影響曲線

由圖3可知，各種橡膠粉的加入都不同程度地降低了改性瀝青的針入度，使改性瀝青的黏滯性能有所改善[7]，這主要因?yàn)闉r青膠體中的分散膠質(zhì)和瀝青質(zhì)與膠粉顆粒相互之間的親和作用而緊密融合在一起，這就相當(dāng)于在瀝青膠體的液態(tài)油分中增加了固態(tài)顆粒的膠粉，從而使瀝青的針入度下降[8]。在6種不同的橡膠粉中，胎頂膠粉對(duì)瀝青的改性效果最顯著，雜膠粉對(duì)基質(zhì)瀝的改性效果最差；膠粉摻量為5%時(shí)，胎頂膠粉瀝青針入度相比基質(zhì)瀝青降低了9(0.1 mm)，而雜膠粉改性瀝青的針入度相比基質(zhì)瀝青僅降低了1(0.1 mm)；膠粉摻量為25%時(shí)，胎頂膠粉改性瀝青的針入度相比基質(zhì)瀝青降低了29(0.1 mm)，而雜膠粉改性瀝青相比基質(zhì)瀝青僅降低了9(0.1 mm)。雜膠粉對(duì)瀝青的改性效果最差，是由于雜膠粉中NR、SBR、BR含量低，造成其與基質(zhì)瀝青相容性較差，此外雜膠粉中含有對(duì)瀝青性能不利的脂肪、蠟類、甾醇、甾醇脂和磷脂等物質(zhì)，丙酮抽出物含量相對(duì)較高，這直接影響其對(duì)基質(zhì)瀝青的改性效果。

2.3 橡膠粉種類及摻量對(duì)黏度的影響

本研究發(fā)現(xiàn)橡膠粉摻量小于15%時(shí)，除了胎頂膠粉改性瀝青之外，其他橡膠改性瀝青的黏度與基質(zhì)瀝青相比改善效果不明顯，因此本試驗(yàn)選取3種橡膠粉摻量(15%、20%、25%)進(jìn)行研究。圖4為6種橡膠瀝青的黏度隨膠粉摻量變化的曲線。

圖4 橡膠粉種類和摻量對(duì)黏度的影響曲線

由圖4可知，隨著膠粉摻量的增大，橡膠改性瀝青180 ℃黏度都逐漸增大。這主要是由于膠粉加入后會(huì)形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)自由瀝青的流動(dòng)產(chǎn)生阻尼作用，膠粉摻量越大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越致密，阻尼作用越強(qiáng)，黏度也就越大；與此同時(shí)，摻入的橡膠粉會(huì)吸收部分輕質(zhì)組分，使膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的相對(duì)含量增加，而瀝青質(zhì)又是極性最強(qiáng)的組分，是瀝青膠體的基團(tuán)核心，對(duì)瀝青的黏度起著決定性的作用[9-10]，因此橡膠粉摻量越大，橡膠瀝青黏度越大。胎頂膠粉對(duì)改性瀝青黏度的影響最為顯著，這是由于胎頂膠粉的NR含量高，NR不僅有利于改善橡膠粉與瀝青的相容性，也可以提升橡膠材料與瀝青的溶脹作用，從而補(bǔ)償改性過(guò)程中的高溫和高速剪切對(duì)瀝青性能造成的損失；而雜膠粉中NR含量太低，且含有相對(duì)較多的蠟類等對(duì)瀝青不利的物質(zhì)，因此對(duì)瀝青的改性效果最差。

2.4 橡膠粉種類及摻量對(duì)彈性恢復(fù)率的影響

圖5為6種橡膠瀝青的彈性恢復(fù)率隨橡膠粉種類及摻量的變化曲線。

圖5 橡膠粉種類和摻量對(duì)彈性恢復(fù)的影響曲線

從圖5可以看出：圈口胎膠粉和小車(chē)胎膠粉改性瀝青的彈性恢復(fù)率隨著橡膠粉摻量的增加而增大；其余4種橡膠粉改性瀝青的彈性恢復(fù)率隨橡膠粉摻量的增加而減小，其中雜膠粉改性瀝青彈性恢復(fù)率最小，低于40%。橡膠粉的加入會(huì)吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，且發(fā)生溶脹作用，隨著溶脹作用的進(jìn)行，膠粉顆粒增大，交聯(lián)作用逐漸增強(qiáng)，改性瀝青彈性恢復(fù)率增大[11]；而胎頂膠粉、鞋底膠膠粉和全胎膠粉中天然膠含量較高，吸收的輕質(zhì)組分較多，在較低摻量情況下已達(dá)到飽和狀態(tài)，隨著膠粉的繼續(xù)加入，膠粉不能充分溶脹，破壞了空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，造成其交聯(lián)作用減弱，使彈性恢復(fù)率減小。

2.5 橡膠粉種類及摻量對(duì)瀝青老化的影響

為了研究橡膠粉對(duì)改性瀝青老化性能的影響，本文選取了15%、20%、25%三種橡膠粉摻量的橡膠改性瀝青進(jìn)行短期老化，通過(guò)測(cè)試橡膠改性瀝青老化前后軟化點(diǎn)和針入度的變化，研究橡膠粉的種類及摻量對(duì)改性瀝青短期老化性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 軟化點(diǎn)差與摻量的關(guān)系

圖7 殘留針入度比與摻量的關(guān)系

由圖6、7可知：與基質(zhì)瀝青相比，橡膠粉的加入可以不同程度地降低改性瀝青老化前后的軟化點(diǎn)差；除了雜膠粉，其他膠粉的加入都能提高橡膠改性瀝青的殘留針入度比。

在短期老化試驗(yàn)時(shí)，橡膠瀝青內(nèi)部的橡膠核發(fā)生劇烈的溶脹作用[12]，并且溶脹作用的程度大于基質(zhì)瀝青老化的程度，所以表現(xiàn)出軟化點(diǎn)差降低、殘留針入度比升高的現(xiàn)象。進(jìn)一步研究可以發(fā)現(xiàn)：隨著膠粉摻量的增加，胎頂膠粉、圈口胎膠粉與全胎膠粉改性瀝青的軟化點(diǎn)差減小的速率和殘留針入度比增加的速率都較快，說(shuō)明這3種橡膠改性瀝青的抗老化性能隨著膠粉摻量的增加而增強(qiáng)，其余3種橡膠改性瀝青的軟化點(diǎn)差和殘留針入度比的變化幅度都比較平緩，說(shuō)明這3種橡膠粉的摻量對(duì)瀝青的抗老化性能影響不大。

3 結(jié) 語(yǔ)

橡膠粉的加入可以改善瀝青的高低溫性能，橡膠粉的種類對(duì)其改性效果有顯著的影響，NR含量較高的膠粉更容易與瀝青發(fā)生溶脹作用且與瀝青的相容性較好，對(duì)瀝青的改性效果相對(duì)其他膠粉更顯著。

不同種類橡膠粉對(duì)瀝青的抗老化性能的改善效果不同，NR含量高的橡膠瀝青在短期老化過(guò)程中的溶脹作用相比NR含量低的橡膠瀝青更為劇烈，故表現(xiàn)出更好的抗老化性能，并且隨著摻量的增加，橡膠瀝青中的溶脹作用也隨之增強(qiáng)，其抗老化性能進(jìn)一步提高。

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