廢舊輪胎膠粉組分對(duì)瀝青流變性能的影響研究

朱國軍

(武漢武工科建工程技術(shù)有限公司,武漢 430070)

2020年，中國橡膠輪胎外胎累計(jì)產(chǎn)量為8.18億條，同比增長1.7%，同時(shí)，廢舊輪胎產(chǎn)量達(dá)2 000萬t，且每年廢舊輪胎量以6%～8%速度持續(xù)增長[1-3]。廢舊輪胎具有較為穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，難以降解。采用堆放填埋的處理方式會(huì)占用大量的土地資源，而直接焚燒處理則會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體[4,5]。隨著生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的大力推進(jìn)，這些對(duì)自然環(huán)境帶來危害的處理方式被逐漸淘汰[6]。現(xiàn)多采用翻新、制造膠粉和再生膠、煉油、進(jìn)行熱裂解等廢舊輪胎處理方式[7,8]。其中，將廢舊輪胎制成膠粉，用于對(duì)瀝青改性制備橡膠改性瀝青，可以提升瀝青的流變性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)廢舊輪胎的資源化利用[9,10]。

橡膠輪胎具有復(fù)雜的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)。不同類型的廢舊輪胎含有多種不同類型及含量的橡膠，如天然橡膠(NR)、丁苯橡膠(SBR)、順丁橡膠(BR)、丁基橡膠(ⅡR)等[11]。同時(shí)，不同類型的橡膠的性能也存在極大差異，從而使得不同類型的廢舊輪胎具有不同的性能，進(jìn)一步造成橡膠改性瀝青流變性能的差異[12-14]。廢舊輪胎的化學(xué)組成主要是橡膠碳?xì)浠衔铮細(xì)浠衔镙^高的橡膠粉對(duì)瀝青進(jìn)行改性，可以提高改性瀝青的柔韌性；由于我國廢舊輪胎膠粉在道路材料中的應(yīng)用還未出具詳細(xì)的規(guī)范，未對(duì)廢舊輪胎膠粉進(jìn)行明確的分類處理，從而導(dǎo)致不同類型的廢舊輪胎膠粉對(duì)瀝青的流變性能影響尚不明確[15]。

為進(jìn)一步探究廢舊輪胎膠粉組分對(duì)相應(yīng)改性瀝青流變性能的影響，該文采用三種不同類型的廢舊輪胎以及兩種不同針入度等級(jí)的基質(zhì)瀝青，制備相應(yīng)的橡膠粉改性瀝青作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析三種廢舊輪胎膠粉的化學(xué)組成，采用DSR對(duì)橡膠粉改性瀝青的流變學(xué)性能進(jìn)行測試，分析廢舊輪胎膠粉化學(xué)組成對(duì)瀝青流變性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

該研究選用了三種橡膠輪胎，即自行車輪胎(瑪吉斯臺(tái)灣輪胎廠，型號(hào)26×1.95(54-559))、小轎車輪胎(米其林沈陽輪胎廠，型號(hào)195/55R15 85H)、卡車輪胎(米其林沈陽輪胎廠，型號(hào)8.25R16)。基質(zhì)瀝青選用SK-70和SK-90石油瀝青，由韓國SK株式會(huì)社生產(chǎn)。

1.2 橡膠粉改性瀝青的制備及實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 橡膠粉改性瀝青的制備

采用常溫破碎制備三種廢舊輪胎的橡膠粉。具體步驟為：對(duì)廢舊輪胎進(jìn)行水洗，去除污漬；采用銼刀對(duì)廢舊輪胎的胎面膠進(jìn)行磨粉處理，初步得到三種廢舊輪胎膠粉；采用磁石去除橡膠粉中的鐵質(zhì)雜質(zhì)，水洗去除灰塵；采用烘箱將橡膠粉在100 ℃條件下干燥12 h，去除水分；采用標(biāo)準(zhǔn)篩篩分處理，將三種膠粉分成三種不同目數(shù)：40/60目、60/80目和80/100目，其對(duì)應(yīng)粒徑范圍為：250～425 μm、180～250 μm和150～180 μm，得到9組橡膠粉樣品。

得到廢舊輪胎膠粉后，將膠粉加入基質(zhì)瀝青中攪拌均勻即可制備橡膠改性瀝青。具體操作如下：將瀝青加熱到150 ℃預(yù)熱，稱取制備好的橡膠粉樣品(18%)加入瀝青中，加入的同時(shí)進(jìn)行攪拌，使橡膠粉與瀝青混合均勻。然后將溫度升至170 ℃，采用機(jī)械攪拌儀進(jìn)行攪拌，在100 r/min下攪拌1 h，即制得橡膠改性瀝青。按照該工藝過程，相應(yīng)的制備了18種橡膠改性瀝青樣品并編號(hào)，編號(hào)如表1所示。

表1 橡膠改性瀝青樣品編號(hào)

1.2.2 測試儀器及條件

采用Jeol JSM-IT300掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)橡膠粉表面形貌進(jìn)行表征，放大倍數(shù)2 000倍。

采用MCR101型號(hào)動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)兩種基質(zhì)瀝青和18種橡膠瀝青的動(dòng)態(tài)流變性能進(jìn)行測試，測試基質(zhì)瀝青樣品時(shí)加載轉(zhuǎn)子為平行板測量轉(zhuǎn)子，其直徑為25 mm，間隙為1 mm；由于橡膠粉顆粒較大，在測試橡膠改性瀝青樣品時(shí)平行板夾具間隙改為2 mm。溫度點(diǎn)選取為30 ℃、40 ℃、50 ℃和60 ℃溫，頻率范圍為0.1 rad/s到400 rad/s。測試時(shí)在不同溫度點(diǎn)下采集樣品的復(fù)合剪切模量和相位角數(shù)據(jù)。根據(jù)DSR數(shù)據(jù)可以對(duì)瀝青流變主曲線進(jìn)行繪制，用于反映寬頻域范圍內(nèi)的流變性能，主曲線模型為MHS模型[16]，其方程式見式(1)

(1)

采用TG-MS對(duì)不同輪胎膠粉中的橡膠成分進(jìn)行分析，橡膠輪胎主要含有天然橡膠、丁基橡膠、丁苯橡膠等。不同種類橡膠具有不同的分子結(jié)構(gòu)，它們是由異戊二烯、苯乙烯、丙烯腈等分子按一定的結(jié)構(gòu)聚合而成，其中，天然橡膠是異戊二烯的聚合物，丁苯橡膠是苯乙烯和異丁烯的聚合物，丁基橡膠是異丁烯和異戊二烯的聚合物。不同分子單體的離子流強(qiáng)度可以反映不同橡膠中高分子聚合物組成的差異，從而探究不同輪胎橡膠的橡膠成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 廢舊輪胎膠粉化學(xué)成分分析

從圖1中可以看出，卡車輪胎膠粉中的異戊二烯含量較多，說明含有較多的天然橡膠；小轎車輪胎膠粉中的苯乙烯含量較多，說明含有較多的丁苯橡膠；雖然自行車輪胎膠粉中的異戊二烯含量也較多，但其異丁烯含量更多，由于丁基橡膠的結(jié)構(gòu)單元由1個(gè)異戊二烯分子和2個(gè)異丁烯分子構(gòu)成，因此說明自行車輪胎膠粉含有較多的丁基橡膠。

2.2 廢膠粉改性瀝青高溫流變性能分析

圖2(a)、圖2(c)和圖2(e)為SK-70基質(zhì)瀝青及其橡膠改性瀝青的主曲線，圖2(b)、圖2(d)和圖2(f)為SK-90基質(zhì)瀝青及其橡膠改性瀝青的主曲線。SK-70基質(zhì)瀝青比SK-90基質(zhì)瀝青在低頻域內(nèi)具有更高的復(fù)合剪切模量。這是由于SK-70基質(zhì)瀝青針入度更小，相比于SK-90基質(zhì)瀝青更硬，高溫抗變形能力更好，根據(jù)時(shí)間-溫度等效原理，SK-70基質(zhì)瀝青在低頻域內(nèi)具有更高的模量。

對(duì)比分析不同膠粉改性瀝青的流變性能，在膠粉相同顆粒大小條件下，低頻域條件下，小轎車輪胎膠粉改性瀝青的模量最大，說明小轎車輪胎膠粉改性瀝青具有最佳的高溫性能，其次為卡車輪胎膠粉改性瀝青、自行車輪胎膠粉改性瀝青。自行車輪胎膠粉含有較多的丁基橡膠，由于丁基橡膠結(jié)合較差，因此自行車輪胎膠粉的硫化程度較高，同時(shí)丁基橡膠彈性較差，所以自行車輪胎膠粉改性瀝青其高溫流變性能相對(duì)小轎車和卡車輪胎膠粉改性瀝青較差。

對(duì)比分析不同目數(shù)橡膠粉改性的同種橡膠粉改性瀝青，可以發(fā)現(xiàn)，不同目數(shù)的橡膠粉改性的瀝青的復(fù)合模量基本在同一數(shù)量級(jí)，而相位角差異不大。說明橡膠粉顆粒的尺寸對(duì)橡膠粉改性瀝青的流變性能影響較小。

3 結(jié) 論

a.利用TG-MS對(duì)自行車輪胎、小轎車輪胎、卡車輪胎三種廢舊輪胎輪胎膠粉的組成成分進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明自行車輪胎膠粉含有較多丁基橡膠，小轎車輪胎膠粉含有較多丁苯橡膠，卡車輪胎膠粉含有較多天然橡膠。

b.橡膠粉的加入提高了瀝青的粘度，尤其是小轎車和卡車輪胎膠粉對(duì)瀝青粘度的提高較為明顯。

c.橡膠粉的加入可以有效提高瀝青的高溫流變性能，SK-70基質(zhì)瀝青及其橡膠改性瀝青的高溫流變性能表現(xiàn)為：小轎車輪胎膠粉改性瀝青>卡車輪胎膠粉改性瀝青>自行車輪胎膠粉改性瀝青>SK-70基質(zhì)瀝青。SK-90基質(zhì)瀝青及其橡膠改性瀝青的高溫流變性能表現(xiàn)為：小轎車輪胎膠粉改性瀝青>卡車輪胎膠粉改性瀝青>自行車輪胎膠粉改性瀝青>SK-90基質(zhì)瀝青。說明含有較多丁苯橡膠和天然橡膠的小轎車輪胎膠粉和卡車輪胎膠粉改性效果更好，這種改性效果與橡膠的結(jié)構(gòu)和自身的性質(zhì)以及與基質(zhì)瀝青的相互作用密切相關(guān)。

d.隨著橡膠粉顆粒尺寸的變化，不同組分輪胎膠粉改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量及相位角沒有明顯的變化規(guī)律，但是它們的數(shù)值在同一個(gè)數(shù)量級(jí)之中進(jìn)行小幅度波動(dòng)，說明橡膠改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角受橡膠粉尺寸的影響較小。