膠粉對SBS改性瀝青流變特性及微觀結(jié)構(gòu)的影響

包建業(yè)

(內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070)

在中國的道路建設(shè)中，廢舊膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青因其性能優(yōu)良，是目前使用最普遍的改性瀝青。近年來，國內(nèi)外路面研究工作者們傾向于將SBS改性劑、廢舊膠粉和瀝青進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕旌?，以期得到性能更佳的?fù)合改性瀝青。

韋大川和王云鵬等通過分析發(fā)現(xiàn)CR/SBS復(fù)合改性瀝青的降噪效果良好，在系統(tǒng)研究與分析的基礎(chǔ)上，建立了CR/SBS復(fù)合改性瀝青中聚合物摻量與吸聲系數(shù)之間的線性關(guān)系；趙桂娥采用4%SBS+4%CR摻量形成CR/SBS復(fù)合改性瀝青于室內(nèi)進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，分析認(rèn)為該摻量下CR/SBS復(fù)合改性瀝青的路用性能良好；楊光和申愛琴針對季凍區(qū)瀝青路面特殊病害問題，通過掃描電鏡、紅外光譜等試驗(yàn)系統(tǒng)地分析了CR與SBS共混的機(jī)理，并以魏茅茨(Wegmouth)粒子干涉理論為核心，研究出一整套適用于CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料級配改進(jìn)設(shè)計(jì)的方法。并重新定義CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料路用性能指標(biāo)體系。

將廢舊膠粉與SBS改性瀝青按照不同比例混合，制備CR/SBS復(fù)合改性瀝青。工程中使用復(fù)合改性瀝青不但可以縮減成本，而且可以減少環(huán)境污染。該文通過對CR/SBS復(fù)合改性瀝青的流變特性以及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以明確CR/SBS復(fù)合改性瀝青的改性效果和性能。

1 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

采用的原材料分別為SBS改性瀝青、20目(0.45 mm)廢舊輪胎橡膠粉；另外選用橡膠油作為相容劑，穩(wěn)定劑采用硫系穩(wěn)定劑，經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)測試，原材料的性能指標(biāo)分別如表1～4所示。

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

1.2 CR/SBS改性瀝青制備

為研究橡膠粉摻量對CR/SBS復(fù)合改性瀝青性能的影響規(guī)律，選取的制備參數(shù)為：膠粉摻量為0%、10%、15%、18%、20%(橡膠瀝青占總瀝青質(zhì)量比)、相容劑摻量為1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、穩(wěn)定劑摻量為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、膠粉剪切溫度為195 ℃，剪切時(shí)間為2 h。

表2 橡膠粉的性能指標(biāo)

表3 相容劑性能指標(biāo)

1.3 膠粉摻量確定

表4 穩(wěn)定劑的性能指標(biāo)

表5 不同膠粉摻量的復(fù)合改性瀝青性能

由表5可以看出：膠粉的加入可以提高CR/SBS復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)，且CR/SBS復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)隨著膠粉摻量的增加而逐漸升高，當(dāng)膠粉摻量由18%增至20%時(shí)，軟化點(diǎn)升高幅度變緩。膠粉摻量對復(fù)合改性瀝青的針入度影響也較大，隨著膠粉摻量的增加，CR/SBS復(fù)合改性瀝青的針入度逐漸降低。此外，隨著膠粉摻量的增加，CR/SBS復(fù)合改性瀝青的低溫延度逐漸減小，在摻量由18%升至20%時(shí)，其橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青的延度降低幅度較為顯著。CR /SBS復(fù)合改性瀝青的177 ℃黏度隨著膠粉摻量的增多而變大，當(dāng)膠粉摻量超過18%時(shí)，CR/SBS復(fù)合改性瀝青的177 ℃黏度為3.8 Pa·s，大于規(guī)范要求值。當(dāng)膠粉的摻量由15%逐漸增加至20%時(shí)，其彈性恢復(fù)變化很微弱；而離析程度卻較為明顯，即其熱儲存穩(wěn)定性變差。尤其是當(dāng)膠粉摻量升至20%時(shí)，其離析度為5.7 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了相關(guān)指標(biāo)的要求。綜合復(fù)合改性瀝青的性能，選擇膠粉的摻量為18%。

2 CR/SBS復(fù)合改性瀝青流變性能

2.1 高溫性能

美國SHRP計(jì)劃中提出采用G*/sinδ車轍因子指標(biāo)來表征瀝青的高溫性能。Superpave瀝青規(guī)范采用G*/sinδ作為評價(jià)瀝青的高溫性能指標(biāo)，可以體現(xiàn)瀝青的動黏彈性質(zhì)。研究通過DSR溫度掃描試驗(yàn)獲得SBS改性瀝青、橡膠瀝青和CR/SBS復(fù)合改性瀝青在50～80 ℃范圍內(nèi)不同溫度(T)對應(yīng)的車轍因子(G*/sinδ)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。將不同瀝青試樣的車轍因子進(jìn)行線性擬合得到相應(yīng)的破壞溫度，如圖2所示。

圖1 不同瀝青車轍因子

由圖1可以看出：3種不同改性瀝青的G*/sinδ隨著溫度的升高而逐漸降低，在同一溫度下，3種瀝青的車轍因子大小排序?yàn)椋篊R/SBS復(fù)合改性瀝青>橡膠瀝青>SBS改性瀝青。從圖2可以看出：橡膠瀝青破壞溫度與SBS改性瀝青基本相當(dāng)且略低于CR/SBS復(fù)合改性瀝青，說明CR/SBS復(fù)合改性瀝青的高溫性略優(yōu)于橡膠瀝青和SBS改性瀝青。

圖2 不同瀝青破壞溫度

2.2 低溫性能

SHRP瀝青結(jié)合料規(guī)范提出彎曲梁流變試驗(yàn)評價(jià)結(jié)合料的低溫性能，評價(jià)指標(biāo)為蠕變勁度S和蠕變速率m。S表示結(jié)合料抵抗荷載的能力，m表示加載時(shí)結(jié)合料勁度隨時(shí)間的變化率。其中，S值越小，m值越大，說明瀝青的低溫抗裂性越好。研究選用彎曲蠕變試驗(yàn)在-12、-18、-24 ℃時(shí)60 s的蠕變勁度S和蠕變速率m評價(jià)SBS改性瀝青、橡膠瀝青和CR/SBS復(fù)合改性瀝青的低溫性能。試驗(yàn)結(jié)果見圖3、4。

圖3 不同瀝青蠕變勁度

圖4 不同瀝青蠕變速率

由圖3、4可知：隨著溫度的降低，CR/SBS復(fù)合改性瀝青、橡膠瀝青和SBS改性瀝青的S值均明顯增大，m值明顯減小。在相同溫度下，CR/SBS復(fù)合改性瀝青的S值小于SBS改性瀝青，m值大于SBS改性瀝青，由此可以看出：CR/SBS復(fù)合改性瀝青的低溫性能良好，優(yōu)于SBS改性瀝青。

2.3 抗老化性能

通過對短期老化和長期老化后的SBS改性瀝青、橡膠瀝青和CR/SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行溫度掃描試驗(yàn)(35～ 50 ℃，步長為5 ℃)，確定不同溫度時(shí)的G*sinδ，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同瀝青的疲勞因子

由圖5可以看出：隨著溫度的升高，3種改性瀝青的疲勞因子均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。在同一溫度下，CR/SBS復(fù)合改性瀝青的疲勞因子略低于SBS改性瀝青和橡膠瀝青，但相差不大。由此可知：CR/SBS復(fù)合改性瀝青的抗疲勞性能與SBS改性瀝青基本相當(dāng)，具有較好的抗疲勞性能。

3 微觀結(jié)構(gòu)

3.1 掃描電鏡試驗(yàn)

掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，簡稱SEM)采用的是逐點(diǎn)成像的圖像分解法。電子束在樣品上做光柵掃描的同時(shí)，顯像管中的電子束與此做同步掃描。這樣，在熒光屏上顯示出樣品的表面微觀形貌。因此，掃描電子顯微鏡可以對不同材料拌和后的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察評價(jià)。

分別對SBS改性瀝青(SBS摻量3%)和CR/SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 SBS改性瀝青

圖7 復(fù)合改性瀝青

對比圖6、7可以發(fā)現(xiàn)：18%的橡膠粉摻進(jìn)SBS改性瀝青的共混體系中后，CR/SBS復(fù)合改性瀝青的顯微鏡圖像較普通SBS改性瀝青的圖像更為明亮、顆粒更多，同時(shí)發(fā)現(xiàn)由于膠粉的摻量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SBS，大部分橡膠粉表面已被瀝青中的輕組分溶解、溶脹，有些輕組分滲入了膠粉里面。分析原因：在高溫條件下膠粉和改性瀝青混合后，膠粉顆粒吸收了改性瀝青中的組分而出現(xiàn)溶脹現(xiàn)象。膠粉顆粒表面形成的凝膠膜使膠粉顆粒之間較好地連接在一起。橡膠顆粒填充在瀝青中形成骨架，從而說明其具有填充作用，而SBS則作為分散質(zhì)分散于其中，二者結(jié)合在一起構(gòu)成了緊密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而起到了改性效果。

整體上可以看出，CR/SBS復(fù)合改性瀝青中沒有出現(xiàn)明顯的相界面，說明體系發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，其中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的為SBS，橡膠粉在體系中起到了填充作用；同時(shí)整個(gè)體系形成了改性劑相和瀝青相雙連續(xù)相，并形成了致密的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這也是CR/SBS復(fù)合改性瀝青性能優(yōu)異的本質(zhì)。

3.2 紅外光譜試驗(yàn)

在道路工程領(lǐng)域，紅外光譜儀常被用來研究改性瀝青的結(jié)構(gòu)，可以通過紅外光譜圖分析改性瀝青的分子結(jié)構(gòu)和判斷瀝青中是否有新的官能團(tuán)產(chǎn)生。

研究分別對SBS改性瀝青和CR/SBS復(fù)合改性瀝青的試樣進(jìn)行了紅外光譜分析，得到各試樣的紅外光譜圖如圖8、9所示。

圖8 SBS改性瀝青紅外光譜圖

圖9 復(fù)合改性瀝青紅外光譜圖

從圖8、9可以看出：CR/SBS復(fù)合改性瀝青出現(xiàn)的峰型與SBS改性瀝青基本相同，而不同點(diǎn)是，在SBS改性瀝青較為明顯的699、966 cm-1處的特征峰在CR/SBS復(fù)合改性瀝青的譜圖中強(qiáng)度相對要弱一點(diǎn)。為了進(jìn)一步分析，通過699、966 cm-1處特征吸收峰面積比來進(jìn)行定量研究，具體結(jié)果見表6。

表6 不同瀝青特征吸收峰面積

A699表示699 cm-1處SBS的苯環(huán)上C-H面外搖擺振動形成的特征吸收峰面積，表征該官能團(tuán)特征峰的吸收強(qiáng)度，A966表示966 cm-1處SBS中反式丁二烯兩段C-H的面外搖擺振動形成的特征吸收峰面積，表征該官能團(tuán)特征峰的吸收強(qiáng)度。A699/A966這個(gè)值在忽略SBS與瀝青或膠粉發(fā)生少量的化學(xué)作用的前提下應(yīng)該是一個(gè)定值，通過計(jì)算SBS改性瀝青和CR/SBS復(fù)合改性瀝青的 A699/A966值分別為1.054、1.061，可以發(fā)現(xiàn)CR/SBS復(fù)合改性瀝青A699/A966值較SBS改性瀝青有所升高，但不明顯，說明膠粉與SBS改性劑發(fā)生了部分化學(xué)反應(yīng)。

4 結(jié)論

(1)綜合CR/SBS復(fù)合改性瀝青的基本性能指標(biāo)，選擇膠粉的摻量為18%。

(2)CR/SBS復(fù)合改性瀝青的高溫流變性能、低溫流變性能優(yōu)于SBS改性瀝青和橡膠瀝青，抗疲勞性能與SBS改性瀝青基本相當(dāng)。

(3)掃描電鏡結(jié)果表明：CR/SBS復(fù)合改性瀝青中沒有出現(xiàn)明顯的相界面，SBS在其中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，橡膠粉在體系中起到了填充作用；同時(shí)整個(gè)體系形成了改性劑相和瀝青相雙連續(xù)相，并形成了致密的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(4)紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果表明：SBS改性瀝青和CR/SBS復(fù)合改性瀝青的特征吸收峰面積比有所差異，膠粉與SBS改性劑發(fā)生了部分化學(xué)反應(yīng)。