橡膠瀝青混溶體系分析與試驗評價

韓波

連云港市公路事業發展中心

1 引言

橡膠瀝青是一種減少廢舊汽車輪胎造成環境污染的有效辦法，原理即形成一種以橡膠粉為改性劑的可廣泛應用于混合料、封層、應力吸收層的改性瀝青，與此同時，具有減少環境污染、高穩定性、強耐久性及抗滑降噪能力性能，應用日益廣泛。文中通過電鏡試驗、組分試驗、差熱試驗等手段，分析了橡膠瀝青混溶機理以及橡膠瀝青的性能[1]。

2 試驗部分

2.1 橡膠瀝青電鏡分析

2.1.1 試驗材料

典型掃描電鏡、橡膠瀝青、橡膠粉。

2.1.2 試驗方法

（1）掃描電鏡。為了精確觀察橡膠粉在橡膠瀝青中的變化狀態，采用掃描電鏡采集橡膠粉置于橡膠瀝青中不同時間下橡膠瀝青體系和橡膠粉的表面結構變化。

（2）橡膠粉提取方法。試驗先利用三氯乙烯（C2HCL3）溶解再過濾的方法將橡膠粉、原樣橡膠粉從橡膠瀝青中提取出來，為了排除三氯乙烯對橡膠粉的影響，拍攝了直接用三氯乙烯浸泡120分鐘的橡膠粉圖片，并且，分別測定室內制備橡膠瀝青時橡膠粉外摻量和從橡膠瀝青中的回收量。

2.2 橡膠瀝青組分分析

2.2.1 試驗材料

瀝青（后續需分離為四組分）。

2.2.2 試驗方法

以相近的化學性子與性能為依據將瀝青劃分為四組分，并展開瀝青性能分析，用作對比研究的基質瀝青也遵循同樣的實驗方法。

2.3 橡膠瀝青差熱分析

2.3.1 試驗材料

原樣瀝青、膠粉（20目貨車）和橡膠瀝青，試驗過程中溫度保持在-30℃～120℃范圍變化，升溫速率為10℃∕min。所用分析儀器為美國PERKIN-ELMER公司生產的Pyris Diamond DSC（示差掃描量熱法）分析儀[2]。

2.3.2 試驗方法

利用DSC，測定試驗樣本在試驗過程中由于溫度升高而相應的吸收的熱量或由于溫度降低而對應放出的熱量值，以此判定在試驗溫度波動范圍內試樣樣本的熱穩定性。

3 結果分析

3.1 橡膠瀝青電鏡試驗

3.1.1 20 目與40目橡膠粉改性瀝青電鏡分布

圖1為20目與40目貨車與小車的橡膠粉改性瀝青電鏡采集圖片，可看出20目膠粉改性瀝青的顆粒相較于40目膠粉改性瀝青大很多，而貨車膠粉相較于小車膠粉在外觀上基本無差。

圖1 20目與40目橡膠粉改性瀝青電鏡圖

3.1.2 不同反應時間橡膠瀝青電鏡分析

通過貨車20目膠粉在不同拌和時間下所采集的橡膠瀝青的電鏡圖片分析，可見不同拌和時間時橡膠瀝青外觀形態差異不大，橡膠瀝青表面均凸凹不平整，粒度不同的膠粉互相接近，構成了交叉相錯的網絡結構，當摻入橡膠粉后，橡膠瀝青和橡膠粉構成了二相體，且外觀形成網絡結構體系。

3.1.3 橡膠粉電鏡分析

通過原樣橡膠粉電鏡圖片、不同反應時間下的橡膠粉電鏡圖片分析可見，拌和30min相較于拌和15min的橡膠粉，顆粒間黏結得更為緊實，顆粒表面的尖銳部分減少，變得光滑，拌和60分鐘的相較于拌和30min的，顆粒黏結緊密度更為明顯，拌和120min的橡膠粉，顆粒幾乎融為一體，表面光滑，凸起部分大幅度減少。可得出，橡膠粉表面的光滑度和顆粒之間的黏結程度與拌和反應時間成正相關性。

根據電鏡圖片所示，隨著拌和時間的增加，橡膠瀝青與橡膠粉之間產生逐漸融合的過程，二者表面外觀和物理性質產生變化，可做推測，經過高溫下的剪切反應，橡膠粉發生明顯變化，一部分吸收橡膠瀝青發生膨脹作用，另一部分產生降解反應，與瀝青融為一體，綜合而觀，橡膠粉與橡膠瀝青二者的作用實際上是一種物質上的傳遞與互換。

3.2 橡膠瀝青組分試驗

通過統計基質瀝青和回收的瀝青的組分成分及含量數據，參見表1所示，發現回收的瀝青在組分含量比例中發生一定程度的變化，由此可見橡膠瀝青改性機理不僅僅是物理上的溶脹作用。部分橡膠粉由于高溫下發生剪切作用，與瀝青融為一體，在一定程度上使得瀝青的組分中各成分比例發生改變，在這兩種作用疊加下，起到了綜合改性作用。

表1 組分試驗數據

橡膠粉改性前后，瀝青質的含量變化最小，幾乎可以視為不變，飽和分含量變化最大，減少了1.59%，芳香分和膠質因橡膠粉改性而發生的變化保持同步，含量均提高9%左右。

3.3 橡膠瀝青差熱試驗

差熱分析圖及相關數據見圖2及表2。

圖2 原樣瀝青與橡膠瀝青示差掃描量熱法曲線圖

表2 橡膠瀝青示差掃描量熱法實驗數據

由圖2及表2可見：

（1）在-20℃～20℃的低溫區間和60℃～120℃的高溫區間，基質瀝青及四種不同反應時間的橡膠瀝青示差掃描量熱法曲線都十分平滑，吸熱峰溫度沒有出現峰值點。說明在低溫區間和高溫區間，瀝青內部沒有發生較為明顯的聚集態變化與玻璃化轉變[3]。

（2）在20℃～60℃常溫區間內基質瀝青及四種不同反應時間的橡膠瀝青體系都出現了明顯的吸熱峰。說明在此溫度區間內，基質瀝青及各橡膠瀝青體系內部都出現了聚集態變化和玻璃化轉變[4]。

（3）在-20℃～120℃溫度區間內貨車20目橡膠粉曲線均較為平緩，吸熱峰溫度沒有出現峰值點。反應了此溫度范圍內橡膠粉沒有發生比較明顯的聚集態和玻璃態轉變[5]。

（4）對比吸熱變化的起始溫度、吸熱峰值溫度和吸熱峰熱量值，基質瀝青和三種橡膠瀝青均相差不多，說明基質瀝青與橡膠瀝青受熱后物理狀態的轉變過程較為接近，根據差熱原理，可認為二者熱穩定性能接近或溫度敏感性接近。

4 結論

（1）橡膠粉的摻入，使得瀝青由勻質體變成多相體，顆粒之間相互黏結，形成交叉網格結構體系。

（2）橡膠瀝青的改性機理包括物理和化學兩方面綜合作用，一部分膠粉產生互換，發生物理溶脹作用，一部分產生傳質過程，經過高溫高速剪切作用與瀝青融為一體，使得瀝青組分發生改變。

（3）基質瀝青與橡膠瀝青受熱后物理狀態的轉變過程較為接近，根據差熱原理，可認為二者熱穩定性能接近，或溫度敏感性接近。