廢舊輪胎膠粉對(duì)不同基質(zhì)瀝青性能的影響分析

竇暉

摘 要：為明確廢舊輪胎膠粉對(duì)不同基質(zhì)瀝青性能的影響，采用布氏粘度、DSR分別對(duì)橡膠瀝青的流變性能進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)采用紅外光譜（FTIR）探究了摻加膠粉后瀝青微觀結(jié)構(gòu)的變化。結(jié)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(duì)SK的改性能力最好，克煉次之，對(duì)埃索瀝青的改性效果最差;當(dāng)加入膠粉后，膠粉與基質(zhì)瀝青發(fā)生顯著的物理化學(xué)反應(yīng)，而克煉瀝青與膠粉反應(yīng)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(fā)生了脫硫降解作用溶于瀝青，從而產(chǎn)生新的官能團(tuán)。

關(guān)鍵詞：膠粉;基質(zhì)瀝青;橡膠瀝青;流變性能;微觀結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U 414 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 引言

瀝青路面由于其優(yōu)異的路用性能而制成。近年來(lái)，隨著交通量的快速增長(zhǎng)，對(duì)瀝青路面的路用性能提出了更高的要求，高質(zhì)量的瀝青路面越來(lái)越多地應(yīng)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(zhì)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(kāi)發(fā)和駕駛舒適性等優(yōu)點(diǎn)[3]。目前對(duì)橡膠瀝青的制備工藝和反應(yīng)機(jī)理進(jìn)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(shù)下的反應(yīng)機(jī)理，提出了橡膠瀝青的最佳工藝參數(shù)[5]。但目前的研究主要集中在膠粉、單基質(zhì)瀝青及其混合料的研究，而對(duì)輪胎膠粉與各種基質(zhì)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(zhì)瀝青的相容性，研究了橡膠粉含量（瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對(duì)橡膠瀝青宏觀和微觀性能的影響，以及不同橡膠瀝青對(duì)橡膠瀝青的微觀結(jié)構(gòu)和分子組成的影響，探討了橡膠粉對(duì)不同基質(zhì)瀝青的改性效果和改性機(jī)理[6～7]。

2 原材料及試驗(yàn)方案

2.1 原材料

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

使用常溫生產(chǎn)工藝橡膠粉，在試驗(yàn)過(guò)程中，為了消除橡膠粒子對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，含有一定等級(jí)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(xué)指標(biāo)分別見(jiàn)表2所示。

2.2 主要試驗(yàn)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(jù)研究結(jié)果和課題組已有的研究成果，選擇橡膠瀝青的生產(chǎn)工藝參數(shù)為：反應(yīng)溫度190℃，混合料2000r/min，反應(yīng)時(shí)間60min。在制備過(guò)程中，應(yīng)將基相加熱至全流，倒入500g反應(yīng)罐中，在150℃恒溫下保持約60min，然后迅速至190±5℃，將反應(yīng)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(jìn)行大約24小時(shí)的性能測(cè)試。

（2）布氏旋轉(zhuǎn)粘度

用布氏旋轉(zhuǎn)粘度法測(cè)定橡膠含量的粘度。瀝青粘度試驗(yàn)的溫度為180℃，試驗(yàn)中使用了轉(zhuǎn)子27#轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速20轉(zhuǎn)/分，瀝青質(zhì)量12.5g[10]。

（3）動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗(yàn)

采用動(dòng)態(tài)剪式測(cè)重儀（DSR）對(duì)橡膠含量在高溫下的流變性能進(jìn)行了測(cè)試。擺動(dòng)板之間的距離設(shè)置為1毫米。DSR的測(cè)試條件為：應(yīng)變12%，角頻10rad/s，測(cè)試溫度64℃。

根據(jù)美國(guó)SHRP項(xiàng)目的研究成果，采用DSR表征瀝青的流變特性，采用復(fù)模量指數(shù)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(nèi)的溫度敏感性，計(jì)算公式如下：

1g 1gG*=CTS.1gT+C ? ?（1）

式中：G*為復(fù)數(shù)模量，Pa;GTS為復(fù)數(shù)模量指數(shù);T為測(cè)試溫度，K;C為常數(shù)。

GTS的絕對(duì)值越大，則表明瀝青在該溫區(qū)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(duì)橡膠瀝青的成分和功能基團(tuán)進(jìn)行了定性分析，使用了熱-費(fèi)希爾·尼古拉-IS10紅外傅立葉光譜儀（“FT-IR”），測(cè)試范圍為4000至650厘米-1，并將樣品采用了壓片法。

3 結(jié)果與討論

3.1 膠粉對(duì)不同基質(zhì)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(yàn)結(jié)果，從圖1可以看出，不同來(lái)源的基質(zhì)瀝青對(duì)膠粉的粘度有不同的影響。當(dāng)膠粉含量相等時(shí)，煉制的橡膠瀝青粘度為90#基質(zhì)瀝青最高，其次為sk90 #基質(zhì)瀝青，而esso90#基質(zhì)瀝青的效果最差。膠粉的粘度影響膠粉的粘度。隨著基質(zhì)瀝青用量的增加，膠粉的粘度逐漸增大。捏合瀝青時(shí)，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(dāng)橡膠粉含量分別為10%、15%和20%時(shí)，當(dāng)橡膠粉含量增加2倍和3倍時(shí)，橡膠粉的粘度隨瀝青用量的增加而增加[11]。

3.1.2 復(fù)數(shù)模量和相位角

圖2顯示了橡膠粉含量對(duì)瀝青區(qū)域復(fù)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(fù)合模量顯著增加，說(shuō)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(duì)于Sk瀝青，隨著粉末摻雜量的增加，其復(fù)合模塊逐漸增加，粉末摻雜量的增加，復(fù)合模塊的重要性越大;對(duì)于ESO和chemon瀝青，隨著膠粉含量的增加，復(fù)合模量的變化規(guī)律相同：當(dāng)膠粉含量為15%時(shí)，復(fù)合模量先增大后減小，達(dá)到最大值，對(duì)于ESO和chemon瀝青，隨著膠粉含量的增加，復(fù)合模量的變化規(guī)律相同：當(dāng)膠粉含量為15%時(shí)，復(fù)合模量先增大后減小，達(dá)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(chǔ)存模量比值的測(cè)量值，通過(guò)減小相位角，在瀝青發(fā)生變形的情況下，儲(chǔ)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(nèi)摩擦，提高了瀝青的抗變形能力[13]。對(duì)于三種類型的瀝青，當(dāng)膠粉含量相同時(shí)，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(shù)評(píng)價(jià)瀝青的抗變形能力。圖3顯示了不同瀝青含量下摩擦系數(shù)和實(shí)效溫度的試驗(yàn)結(jié)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(shù)，從而提高瀝青的高溫穩(wěn)定性，粉磨系數(shù)的變化對(duì)應(yīng)于復(fù)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(jí)[16]。隨著膠粉的加入，不同瀝青的PG質(zhì)量逐漸提高，膠粉對(duì)克煉瀝青的影響最大，其次是SK和Esso。

3.2 膠粉對(duì)不同基質(zhì)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(duì)于各種基質(zhì)瀝青，加入橡膠粉后，橡膠瀝青發(fā)生了嚴(yán)重的物理化學(xué)反應(yīng)，橡膠粉對(duì)2800-3000cm-1的特征峰沒(méi)有明顯影響，而700-1800cm-1之間的紅外峰與基質(zhì)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(jié)合力明顯高于SK和Esso瀝青，這主要取決于其基質(zhì)瀝青的性質(zhì)。此外，在1261.56cm-1處有明顯的吸收峰，在FTIR中650-1300cm-1的低頻區(qū)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(cè)鏈管相連，其振動(dòng)類型延伸為振動(dòng)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(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，生成新的官能團(tuán)。

3.3 不同橡膠瀝青的改性機(jī)理分析

在此基礎(chǔ)上，分析了不同橡膠瀝青的改性機(jī)理，改性機(jī)理如圖5所示。對(duì)于SK和Esso瀝青，物理反應(yīng)是橡膠瀝青最重要的內(nèi)部反應(yīng)，如圖5（a）所示，即膨脹反應(yīng)發(fā)生在橡膠粉中。加入橡膠粉后，橡膠粉將輕質(zhì)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(shí)發(fā)生兩種反應(yīng)（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(tuán)，這一結(jié)論得到了檢驗(yàn)。

4結(jié)論

（1） 橡膠粉的加入能顯著改善基質(zhì)瀝青的高溫性能。總的來(lái)說(shuō)，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(duì)不同基礎(chǔ)含量的改性能力。結(jié)果表明，橡膠粉對(duì)SK的改性能力最好，其次是克煉，對(duì)ESO瀝青的改性效果最差。

（3） 膠粉和基質(zhì)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(zhì)瀝青之間的物理化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈。與其它兩種瀝青相比，膠粉與基質(zhì)瀝青的反應(yīng)更為簡(jiǎn)單，包括物理和化學(xué)反應(yīng)，并出現(xiàn)了新的官能團(tuán)。

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