橡膠粉-石油瀝青交聯(lián)機制及高溫流變特性

韋正鵬, 劉富強

(1. 甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司, 蘭州 730030; 2. 甘肅暢隴公路養(yǎng)護技術(shù)研究院有限公司, 蘭州 730030;3. 河北大學建筑工程學院, 保定 071002; 4. 河北大學河北省土木工程監(jiān)測與評估技術(shù)創(chuàng)新中心, 保定 071002)

瀝青混凝土路面通車服役期間,往往會出現(xiàn)高溫車轍、低溫開裂、水損害、耐久性不足等問題。同時隨著中國工業(yè)和經(jīng)濟的快速發(fā)展,車輛保有量逐年增加,廢棄的車輛輪胎急劇增加,給環(huán)境治理帶來巨大挑戰(zhàn)。

道路工程從業(yè)者為改善瀝青路面服役期間存在的工程問題,同時兼顧考慮綠色、環(huán)保等理念,將汽車輪胎通過加工制備出橡膠顆粒、橡膠粉等形式應用于制備橡膠改性瀝青,并對制備的各種橡膠改性瀝青的性能進行表征。

基于中外研究現(xiàn)狀分析可知,盡管很多學者對橡膠改性瀝青的制備、橡膠改性瀝青及其混合料的性能進行了一系列研究,但橡膠粉改性瀝青的性能會受到橡膠粉類型、顆粒大小、制備工藝等多因素的制約,橡膠粉-石油瀝青的交聯(lián)機制有待進一步深入研究。現(xiàn)采用基本性能、動態(tài)剪切流變和傅里葉紅外光譜試驗(Fourier transform infrared,FTIR)對橡膠粉改性瀝青的高溫流變性能及兩種材料之間的交聯(lián)機制開展研究。

1 材料與試驗

1.1 材料

1.1.1 橡膠粉

橡膠粉采用40目廢棄輪胎橡膠粉,40目橡膠粉基本物化指標如表1所示。

表1 橡膠粉的基本物化指標Table 1 Basic physical and chemical indexes of rubber powder

1.1.2 基質(zhì)瀝青

采用橡膠粉對基質(zhì)瀝青進行改性,基質(zhì)瀝青選擇SK-90#基質(zhì)瀝青,其基本技術(shù)指標如表2所示。

表2 SK-90#基質(zhì)瀝青的基本性能Table 2 Basic performance of SK-90# matrix asphalt

1.1.3 橡膠粉改性瀝青的制備

采用橡膠粉對SK90#基質(zhì)瀝青進行改性,橡膠粉改性瀝青的制備工藝如圖1所示。

圖1 橡膠粉改性瀝青的制備Fig.1 Preparation of rubber powder modified asphalt

1.2 試驗方法

1.2.1 基本性能試驗

橡膠粉改性瀝青的基本性能(針入度、軟化點和5 ℃延度)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進行測試,測試試驗如圖2所示。

圖2 基本性能試驗Fig.2 Tests of basic performance

1.2.2 動態(tài)剪切流變試驗

采用Anton paar MCR-102型動態(tài)剪切流變試驗儀(圖3)對基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和橡膠粉改性瀝青的黏彈性進行研究。試驗條件為:應變8%,角速度10 rad/s,掃描溫度分別為46、52、58、64、70、76、82 ℃。

圖3 DSR試驗Fig.3 Test of DSR

1.2.3 FTIR

采用Nicolet iS 10傅里葉變換紅外光譜儀(圖4)對制備的橡膠粉改性瀝青、基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的官能團變化規(guī)律進行研究,采用的光譜范圍為400 ～ 4 000 cm-1,分辨率為0.4 cm-1。

圖4 紅外光譜試驗儀Fig.4 Fourier transform infrared spectrometer

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 基本性能

基質(zhì)瀝青、橡膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青的三大指標(針入度、軟化點和5 ℃延度)試驗結(jié)果如圖5所示。

基于基質(zhì)瀝青、橡膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青基本性能試驗結(jié)果可知,基質(zhì)瀝青針入度值分別較SBS改性瀝青和橡膠粉改性瀝青增大49.63%和86.44%,橡膠粉改性瀝青的針入度較SBS改性瀝青減小19.74%,表明橡膠粉改性瀝青較基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青具有更高的模量;基質(zhì)瀝青軟化點分別較SBS改性瀝青和橡膠粉改性瀝青減小39.32%和24.28%,橡膠粉改性瀝青的軟化點介于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青之間,且橡膠粉改性瀝青軟化點較SBS改性瀝青減小19.86%;橡膠粉改性瀝青的5 ℃延度分別較SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青減少21.13%和49.32%。針入度和軟化點試驗結(jié)果顯示橡膠粉改性瀝青的抗低溫開裂性能介于基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青之間,但從5 ℃延度可知,橡膠粉改性瀝青的抗低溫開裂性能較基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青差。

廢棄輪胎制備所得橡膠粉材料具有良好的耐高溫性能,將其應用于瀝青改性,可有效改善瀝青的高溫穩(wěn)定性。但從上述試驗結(jié)果可知,針入度和軟化點得出的結(jié)果與5 ℃延度所得結(jié)果不一致。導致該試驗結(jié)果的原因可能是橡膠粉可有效改善瀝青的高溫穩(wěn)定性和小變形范圍內(nèi)的低溫抗開裂性能,因為瀝青路面在車輛荷載作用下使瀝青路面材料擠壓變形,路面部分區(qū)域受到很大的壓應力,部分位置受到拉應力,橡膠材料具有良好的變形性能,可有效中和部分壓/拉應力,但若變形過大(如5 ℃延度試驗產(chǎn)生的拉伸變形),橡膠粉在抗低溫開裂方面的優(yōu)勢將會消失。

2.2 高溫流變性能

SK90#基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青和橡膠粉改性瀝青的動態(tài)剪切流變試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 DSR試驗結(jié)果Fig.6 Test results of DSR

圖6(a)顯示隨著溫度的升高,基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和橡膠粉改性瀝青的復數(shù)模量逐漸減小,這是因為復數(shù)模量表征瀝青材料最大剪應力與最大剪應變的比值,具有顯著黏彈性特性的瀝青材料隨溫度的升高,材料最大剪應力減小,最大剪應變增大,導致復數(shù)模量逐漸減小。相同溫度下,橡膠粉改性瀝青的復數(shù)模量最大,基質(zhì)瀝青的復數(shù)模量最小,說明橡膠粉改性瀝青的高溫穩(wěn)定性顯著優(yōu)于基質(zhì)瀝青,同時也優(yōu)于SBS改性瀝青。從試驗結(jié)果可知,當溫度在46～52 ℃時,橡膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青的復數(shù)模量比較接近,但顯著優(yōu)于基質(zhì)瀝青,當溫度高于64 ℃時,3種瀝青的復數(shù)模量差異不是非常顯著,但橡膠粉改性瀝青的復數(shù)模量仍然明顯大于其他兩種瀝青。

由圖6(b)可知,隨著溫度的升高,3種瀝青的相位角逐漸增大,其中橡膠粉改性瀝青和基質(zhì)瀝青變化比較均勻,SBS改性瀝青在64 ℃后,相位角顯著增大,然后變化幅度減緩。相同溫度下,基質(zhì)瀝青的相位角最大,橡膠粉改性瀝青最小,其中當溫度介于46～64 ℃時,SBS改性瀝青和橡膠粉改性瀝青的相位角值差異不顯著,當溫度高于64 ℃時,兩者差異逐漸增大,但基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青的相位角逐漸靠近。相位角是表征材料應力與應變之間的延遲,從試驗結(jié)果可知,基質(zhì)瀝青黏性最顯著,橡膠粉改性瀝青表現(xiàn)出顯著彈性特性。

基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和橡膠粉改性瀝青的車轍因子變化規(guī)律與復數(shù)模量的變化規(guī)律相似,即隨著溫度的升高,車轍因子逐漸減小,表明3種瀝青在高溫下抵抗車轍變形的能力均有所降低,但橡膠粉改性瀝青高溫下抵抗車轍的能力仍然優(yōu)于其他兩種瀝青。從車轍因子試驗結(jié)果可知,當溫度在46～52 ℃時,橡膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青的車轍因子比較接近,但顯著優(yōu)于基質(zhì)瀝青,當溫度高于64 ℃時,3種瀝青的車轍因子差異不是非常顯著,但橡膠粉改性瀝青的車轍因子仍然明顯大于其他兩種瀝青。

2.3 FTIR分析

SK90#基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青和橡膠粉改性瀝青的紅外光譜試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 FTIR試驗結(jié)果Fig.7 Test results of FTIR

由試驗結(jié)果可知,基質(zhì)瀝青在1 385.057 4、1 465.517 2、2 913.793 1 cm-1等處出現(xiàn)了明顯的吸收峰,3處吸收峰分別為甲基—CH3剪式振動引起的吸收峰、—C—CH3及—CH2—中CH面伸縮振動產(chǎn)生的吸收峰、甲基—CH3反對稱伸縮振動所致。橡膠粉改性瀝青在1 371.647 5、1 465.517 2、2 833.333 3 cm-1等處出現(xiàn)了明顯的吸收峰,3處吸收峰的變化趨勢與基質(zhì)瀝青相似,只是吸收峰的強度更顯著。主要區(qū)別在500～100 cm-1范圍內(nèi),造成上述現(xiàn)象的原因可能為基質(zhì)瀝青被橡膠粉改性后,由于橡膠粉-石油基質(zhì)瀝青兩種材料之間的物化復雜反應,在苯環(huán)取代區(qū)域出現(xiàn)更強的吸收峰。SBS改性瀝青在1 452.205 8、1 465.073 5、2 854.779 4、2 931.985 2 cm-1等處出現(xiàn)了明顯的吸收峰。吸收峰的位置與基質(zhì)瀝青、橡膠粉改性瀝青相似,只是從試驗結(jié)果可知,SBS改性瀝青在相應位置的吸收振動峰顯著強于基質(zhì)瀝青,但弱于橡膠粉改性瀝青,可能是由于兩種改性瀝青中摻入了SBS和橡膠粉改性劑,改性劑與基質(zhì)瀝青之間發(fā)生了復雜的物化反應所致。

橡膠粉與瀝青接觸會發(fā)生物理溶脹、化學降解和脫硫等作用。橡膠粉顆粒會吸收瀝青中的輕質(zhì)組分(圖8)并逐漸分散在瀝青中,導致瀝青的黏度增大。由于橡膠材料的高溫敏感性弱于瀝青材料,故可改善瀝青的高溫穩(wěn)定性,同時橡膠材料具有良好的彈性,可一定程度緩解瀝青路面在低溫時的收縮應力和變形,減緩瀝青路面出現(xiàn)低溫開裂的程度。制備橡膠粉改性瀝青時,需要高溫高速剪切,在高溫高速剪切過程中,橡膠材料中的大分子會發(fā)生降解和脫硫的作用(圖9),改善橡膠粉和瀝青之間的相容性,顯著改善改性瀝青的高低溫和抗老化等性能。

圖8 膠粉的溶脹模型Fig.8 Swelling model of rubber powder

圖9 膠粉降解模型Fig.9 Degradation model of rubber powder

3 結(jié)論

(1)基于基本性能試驗結(jié)果可知,橡膠粉可有效改善基質(zhì)瀝青的高溫性能。但對于低溫性能而言,針入度和軟化點得出的結(jié)果與5 ℃延度所得結(jié)果不一致。要實現(xiàn)廢棄輪胎生產(chǎn)橡膠粉在改性瀝青方面的資源化利用,需平衡橡膠粉對基質(zhì)瀝青高、低溫性能改善程度的不同。

(2)橡膠粉改性瀝青的復數(shù)模量和車轍因子顯著優(yōu)于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青,同時橡膠粉改性瀝青的相位角較其他兩種瀝青表現(xiàn)出更顯著的彈性特性,進一步表明橡膠粉改性瀝青可有效改善瀝青的高低溫性能,有效延長瀝青路面的服役壽命和服務質(zhì)量。

(3)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和橡膠粉改性瀝青具有相似的吸收FTIR特征峰值,但橡膠粉改性瀝青的峰值強于其他兩種瀝青,在特征峰值位置,SBS改性瀝青顯著強于基質(zhì)瀝青但弱于橡膠粉改性瀝青,可能是SBS和橡膠粉兩種改性劑與瀝青之間發(fā)生復雜的物化反應所致。