廢舊輪胎膠粉對不同基質瀝青性能的影響分析

竇暉

摘 要：為明確廢舊輪胎膠粉對不同基質瀝青性能的影響，采用布氏粘度、DSR分別對橡膠瀝青的流變性能進行測試，同時采用紅外光譜（FTIR）探究了摻加膠粉后瀝青微觀結構的變化。結果表明，隨著膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的粘度和高溫性能都顯著增加，膠粉對SK的改性能力最好，克煉次之，對埃索瀝青的改性效果最差;當加入膠粉后，膠粉與基質瀝青發生顯著的物理化學反應，而克煉瀝青與膠粉反應更劇烈，膠粉一方面吸收瀝青而膨脹，另一方面，由于部分膠粉在瀝青中發生了脫硫降解作用溶于瀝青，從而產生新的官能團。

關鍵詞：膠粉;基質瀝青;橡膠瀝青;流變性能;微觀結構

中圖分類號：U 414 ? ? ?文獻標志碼：A

1 引言

瀝青路面由于其優異的路用性能而制成。近年來，隨著交通量的快速增長，對瀝青路面的路用性能提出了更高的要求，高質量的瀝青路面越來越多地應用于路面[1]。大量研究表明，加入殘余膠粉可以顯著提高基質瀝青的高低溫性能、抗老化和抗疲勞性能[2]。此外，橡膠瀝青還具有高防滑性、低噪音開發和駕駛舒適性等優點[3]。目前對橡膠瀝青的制備工藝和反應機理進行了大量的研究[4]。在研究前期，考察了橡膠瀝青在不同工藝參數下的反應機理，提出了橡膠瀝青的最佳工藝參數[5]。但目前的研究主要集中在膠粉、單基質瀝青及其混合料的研究，而對輪胎膠粉與各種基質瀝青的相容性研究較少。

本文研究了輪胎膠粉與三種不同基質瀝青的相容性，研究了橡膠粉含量（瀝青質量分數）對橡膠瀝青宏觀和微觀性能的影響，以及不同橡膠瀝青對橡膠瀝青的微觀結構和分子組成的影響，探討了橡膠粉對不同基質瀝青的改性效果和改性機理[6～7]。

2 原材料及試驗方案

2.1 原材料

選用三種不同的90#基質瀝青，分別為SK、埃索（ESSO）和克拉瑪依（Kelian）[8]，其主要技術指標如表1所示。

使用常溫生產工藝橡膠粉，在試驗過程中，為了消除橡膠粒子對試驗結果的影響，含有一定等級的橡膠粉末和粘合體，選擇30-40目之間的篩余量。其物理化學指標分別見表2所示。

2.2 主要試驗方法

（1）橡膠瀝青的制備

所選膠粉的含量分別為0%、10%、15%和20%。根據研究結果和課題組已有的研究成果，選擇橡膠瀝青的生產工藝參數為：反應溫度190℃，混合料2000r/min，反應時間60min。在制備過程中，應將基相加熱至全流，倒入500g反應罐中，在150℃恒溫下保持約60min，然后迅速至190±5℃，將反應罐倒入恒溫的磁力加熱器中，緩慢與膠粉混合制備瀝青[9]。瀝青制備完成后，澆注并密封特殊鋁層，冷卻至室溫，并進行大約24小時的性能測試。

（2）布氏旋轉粘度

用布氏旋轉粘度法測定橡膠含量的粘度。瀝青粘度試驗的溫度為180℃，試驗中使用了轉子27#轉子，轉速20轉/分，瀝青質量12.5g[10]。

（3）動態剪切流變儀（DSR）試驗

采用動態剪式測重儀（DSR）對橡膠含量在高溫下的流變性能進行了測試。擺動板之間的距離設置為1毫米。DSR的測試條件為：應變12%，角頻10rad/s，測試溫度64℃。

根據美國SHRP項目的研究成果，采用DSR表征瀝青的流變特性，采用復模量指數法（complex module index method）表征瀝青的溫度敏感性。DSR用于表征瀝青在中高溫范圍內的溫度敏感性，計算公式如下：

1g 1gG*=CTS.1gT+C ? ?（1）

式中：G*為復數模量，Pa;GTS為復數模量指數;T為測試溫度，K;C為常數。

GTS的絕對值越大，則表明瀝青在該溫區的溫度敏感性越差;反之越好。

紅外光譜分析

用紅外光譜法對橡膠瀝青的成分和功能基團進行了定性分析，使用了熱-費希爾·尼古拉-IS10紅外傅立葉光譜儀（“FT-IR”），測試范圍為4000至650厘米-1，并將樣品采用了壓片法。

3 結果與討論

3.1 膠粉對不同基質瀝青流變性能的影響

3.1.1 粘度

圖1是橡膠瀝青粘度試驗結果，從圖1可以看出，不同來源的基質瀝青對膠粉的粘度有不同的影響。當膠粉含量相等時，煉制的橡膠瀝青粘度為90#基質瀝青最高，其次為sk90 #基質瀝青，而esso90#基質瀝青的效果最差。膠粉的粘度影響膠粉的粘度。隨著基質瀝青用量的增加，膠粉的粘度逐漸增大。捏合瀝青時，橡膠瀝青的粘度為2～3或7～8倍，若橡膠粉含量為10%、15%和20%，與SK瀝青也有相似的性能。在瀝青中，當橡膠粉含量分別為10%、15%和20%時，當橡膠粉含量增加2倍和3倍時，橡膠粉的粘度隨瀝青用量的增加而增加[11]。

3.1.2 復數模量和相位角

圖2顯示了橡膠粉含量對瀝青區域復合模量G*和相位角δ的影響。圖2（a）表明，摻加橡膠粉后，三種橡膠含量的復合模量顯著增加，說明摻加橡膠粉提高了基層的彈性，使瀝青具有較好的抗變形能力。對于Sk瀝青，隨著粉末摻雜量的增加，其復合模塊逐漸增加，粉末摻雜量的增加，復合模塊的重要性越大;對于ESO和chemon瀝青，隨著膠粉含量的增加，復合模量的變化規律相同：當膠粉含量為15%時，復合模量先增大后減小，達到最大值，對于ESO和chemon瀝青，隨著膠粉含量的增加，復合模量的變化規律相同：當膠粉含量為15%時，復合模量先增大后減小，達到最大值[12]。

圖2（b）表明，加入橡膠粉后瀝青的相位角相同：隨著橡膠粉用量的增加，相位角逐漸減小，相位角是損失模量和瀝青儲存模量比值的測量值，通過減小相位角，在瀝青發生變形的情況下，儲能模量的增大值大于損失模量的增大值，這意味著橡膠粉的加入明顯降低了瀝青的內摩擦，提高了瀝青的抗變形能力[13]。對于三種類型的瀝青，當膠粉含量相同時，革蘭精制瀝青的相角最小，SK次之，Esso最大。加入橡膠粉后，克氏精煉瀝青和SK瀝青的相角相同，Esso瀝青的相角最小[14]。

3.1.3 車轍因子和失效溫度

采用車轍系數評價瀝青的抗變形能力。圖3顯示了不同瀝青含量下摩擦系數和實效溫度的試驗結果。圖3（a）表明，橡膠粉的加入可以顯著提高瀝青的粉磨系數，從而提高瀝青的高溫穩定性，粉磨系數的變化對應于復合模量[15]。圖3（b）表示不同橡膠粉含量的橡膠瀝青的排氣溫度，即高溫PG級[16]。隨著膠粉的加入，不同瀝青的PG質量逐漸提高，膠粉對克煉瀝青的影響最大，其次是SK和Esso。

3.2 膠粉對不同基質瀝青的紅外光譜分析

圖4是橡膠瀝青的紅外光譜（橡膠粉含量10%）。從圖4可以看出，對于各種基質瀝青，加入橡膠粉后，橡膠瀝青發生了嚴重的物理化學反應，橡膠粉對2800-3000cm-1的特征峰沒有明顯影響，而700-1800cm-1之間的紅外峰與基質瀝青有顯著差異。與三種橡膠瀝青相比，SK和Esso具有相似的特征峰和特征峰，但精制瀝青的C=O（1690cm-1）結合力明顯高于SK和Esso瀝青，這主要取決于其基質瀝青的性質。此外，在1261.56cm-1處有明顯的吸收峰，在FTIR中650-1300cm-1的低頻區稱為指紋圖譜范圍。吸收端屬于=C-O-C，是芳香醚和脂肪族醚，與氧氣和側鏈管相連，其振動類型延伸為振動類型。在相同的條件下，GM瀝青比其他兩種含舊膠粉的瀝青更容易發生物理和化學反應，生成新的官能團。

3.3 不同橡膠瀝青的改性機理分析

在此基礎上，分析了不同橡膠瀝青的改性機理，改性機理如圖5所示。對于SK和Esso瀝青，物理反應是橡膠瀝青最重要的內部反應，如圖5（a）所示，即膨脹反應發生在橡膠粉中。加入橡膠粉后，橡膠粉將輕質組分吸附到瀝青中，從而提高橡膠粉的體積膨脹性和橡膠瀝青的性能。橡膠瀝青同時發生兩種反應（膨脹和降解）。如圖5（a）和圖5（b）所示，橡膠粉一方面吸收瀝青中的輕組分和溶脹，另一方面脫硫降解瀝青中的橡膠粉，溶解在瀝青中，形成新的橡膠瀝青官能團，這一結論得到了檢驗。

4結論

（1） 橡膠粉的加入能顯著改善基質瀝青的高溫性能。總的來說，在相同的膠粉用量下，克煉橡膠瀝青含量的粘度最高，高溫性能最好，SK次之，Esso瀝青最小。

（2） 基于GTS法，確定了橡膠粉對不同基礎含量的改性能力。結果表明，橡膠粉對SK的改性能力最好，其次是克煉，對ESO瀝青的改性效果最差。

（3） 膠粉和基質瀝青的特征峰在700cm-1～1800cm-1之間變化明顯。加入膠粉后，膠粉與基質瀝青之間的物理化學反應強烈。與其它兩種瀝青相比，膠粉與基質瀝青的反應更為簡單，包括物理和化學反應，并出現了新的官能團。

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