橡膠瀝青基本技術性能及微表構造

奚 江

(中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引言

廢舊輪胎是一種“黑色污染”，是世界各國在道路建設中研究的重點，也是大量處理廢舊輪胎的最佳選擇[1-3]。由于橡膠粉中含有合成橡膠、天然橡膠和添加劑等成分良好的瀝青改性劑，能夠改善瀝青的高低溫性能、抗老化性能、抗疲勞性能[4,5]。將其應用于道路工程中替代部分SBS改性劑，不但可以延長路面使用壽命，而且在降低原料成本，解決廢舊輪胎長期堆放所產生的環境污染等方面都具有重要的現實意義。

韓森等[6]對幾種不同瀝青和集料的粘附性能進行了評價，結果表明SBS改性瀝青與石灰巖集料間的粘附性能最好，而基質瀝青(克拉瑪依)與角閃片麻巖之間的粘附性能最差。劉祥[7]對不同基質瀝青種類、SBS摻量、相容劑和穩定劑摻量以及溫拌劑摻量下的溫拌SBS改性瀝青進行了接觸角試驗和AFM試驗，通過粘附功和AFM試驗結果對溫拌SBS改性瀝青粘附性的影響因素進行了分析，結果表明溫拌劑的種類和摻量對瀝青粘附性具有很大影響因素。

橡膠作為廢舊輪胎廢棄物，將其制成橡膠粉作為改性劑加入基質瀝青中，能顯著提升瀝青混合料路用性能，已應用于道路工程[8-11]。本文選用90號基質瀝青和對應的橡膠瀝青，通過測試其基本性能和微觀構造，探索瀝青與集料的粘附性機理。

1 橡膠瀝青基本性能

本文所采用的橡膠瀝青按照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程所規定的試驗方法對90號和橡膠瀝青進行性能檢測，結果如表1，表2所示。

表1 90號技術指標

表2 橡膠瀝青技術指標

由表1，表2可知：與基質瀝青相比，橡膠瀝青的針入度降低、軟化點升高，延度降低。這是由于橡膠瀝青中的橡膠吸收瀝青組分發生溶脹和部分溶解，改變了瀝青原有的膠體結構[12]，針入度降低，高溫性能提升；橡膠中含有的硫與瀝青中的有機官能團發生化學交聯反應，形成三維網狀結構[13]，具有良好的低溫韌性和塑性。與基質瀝青相比，橡膠瀝青的基本性能得到提升。

2 橡膠瀝青的微觀構造

原子力顯微鏡(AFM)是一種可獲得材料表面微觀形貌圖像的高分辨率儀器。原子力顯微鏡與光學、電學顯微鏡最大的不同在于它不是依靠成像觀測樣品，而是采用一個十分靈敏針尖對試驗樣品進行掃描[14]。針尖長若干微米，由于樣品表面不同位置情況不同，針尖與樣品產生的斥力也隨之不斷出現變化，當針尖在樣品上方或者下方作光柵掃描運動時，探測器通過實時檢測懸臂狀態，將其對應的表面形貌記錄下來，從而得到材料表面的構造情況[15]。

本文采用熱鑄法制備測試樣品。將加熱至液態的瀝青，用玻璃棒蘸取少量滴在潔凈的載玻片中央，隨后置于150 ℃烘箱加熱約10 min，使瀝青自由流動形成直徑1 cm左右的圓膜，室溫冷卻后進行測試；采用布魯克Dimension Icon原子力顯微鏡，輕敲模式成像。對AFM測試得到的高程圖，采用NanoScope Analysis軟件進行處理與分析，所得的90號基質瀝青和橡膠瀝青的表面形貌如圖1，圖2所示。

由圖1基質瀝青的二維AFM圖可以看出，瀝青表面均勻的分布著形狀類似于“蜜蜂”的結構，這些結構在三維圖型中表現為“尖峰”，最大峰高約為20 nm。而圖2所示的橡膠瀝青表面形貌二維圖中并未出現與基質瀝青相似的“蜂狀結構”，其表面不規則的分布著直徑可達2 μm～3 μm的圓形斑點，這些斑點在三維圖中呈現出的是圓形凹陷，最大凹陷深度達56.4 nm。

AFM圖所呈現的兩種形貌產生的原因可能是在試樣成型期間，由于橡膠瀝青粘度大，熱熔溫度高，加熱后很難流淌成平面，而在室溫激冷的情況下，橡膠顆粒率先聚集，在其周圍產生熱應力，形成微裂縫，此時瀝青相并非凝固，在表面張力及毛細管效應的作用下，形成一個個“圓洞”。增加了橡膠瀝青表面的粗糙度，提高了瀝青的粘附性。

為了進一步探究基質瀝青與橡膠瀝青微觀形貌特征，本文采用均方根粗糙度(Rq，nm)來定量描述瀝青表面粗糙度，試樣粗糙度Rq越大，樣品表面起伏越大[16]。采用NanoScope軟件計算所得的兩種瀝青的均方根粗糙度如表3所示。

表3 橡膠瀝青與基質瀝青表面粗糙度

從表3可以看出，橡膠瀝青的表面均方根粗糙度大于基質瀝青，表明橡膠瀝青的表面粗糙度大于基質瀝青，與集料的接觸面積增加，粘附性提升。

3 橡膠瀝青與集料粘附性機理分析

已有研究表明，基質瀝青中的“蜂狀結構”主要是由于瀝青中的極性組分瀝青質和部分膠質溶解于輕質組分后形成的[17]；橡膠瀝青中并未出現“蜂狀結構”，而是呈現出較大的錐形凹陷。分析其原因可能是由于膠粉的加入改變了瀝青中原有的膠體結構，增大了瀝青膠體體系中的極性成分占比，使得瀝青中的極性組分吸附累加，組分呈現出明顯的聚集，進而導致瀝青的表面粗糙度提高。而瀝青微觀表面粗糙度增大有利于其與集料之間粘附性的提升。

瀝青中含有的蠟組分影響瀝青的質量及性能，在瀝青中石蠟會在微小的針狀物中結晶[18]。基質瀝青中主要為石蠟，不利于瀝青與集料的粘附；而橡膠瀝青中并未出現“蜂狀結構”，說明橡膠的加入改變了基質瀝青原有的晶體結構，瀝青中石蠟含量降低，增大了瀝青與集料的粘附性。

4 結論

1)與基質瀝青相比，橡膠能夠吸收瀝青油分溶脹，高溫性能提升；橡膠中的硫與瀝青形成三維網絡結構，低溫性能與塑性提升，橡膠瀝青的基本性能得到改善。

2)由兩種瀝青表面微觀形貌可知：在室溫激冷的作用下，基質瀝青形成“蜂狀結構”，橡膠瀝青形成“圓洞”。這是由于在激冷作用下，橡膠瀝青分子先聚集，形成微裂縫，增加表面粗糙度，提高粘附性；并通過均方根粗糙度Rq定量地證明了試樣表面粗糙度增大，瀝青與集料的粘附性能提升。

3)膠粉加入改變了瀝青中原有的組分結構，極性組分聚集，橡膠瀝青的粘附性提高；基質瀝青中含有的蠟組分不利于瀝青與集料的粘結。