Asphaltan A溫拌劑對(duì)橡膠瀝青微觀特性的影響研究

丁海波

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

Asphaltan A溫拌劑對(duì)橡膠瀝青微觀特性的影響研究

丁海波

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

對(duì)基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青以及添加Asphaltan A溫拌橡膠瀝青進(jìn)行四組分試驗(yàn)和差熱試驗(yàn)(DSC)分析，通過(guò)微觀尺度研究溫拌橡膠瀝青的改性機(jī)理，試驗(yàn)結(jié)果表明，Asphaltan A加入橡膠瀝青之后，對(duì)橡膠瀝青化學(xué)組分的影響主要體現(xiàn)在它使得橡膠瀝青中飽和分含量的增加，瀝青質(zhì)含量的減少；由差熱試驗(yàn)分析可知，Asphaltan A與橡膠瀝青并沒有發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，它的加入引起了橡膠瀝青中各組分吸熱峰的改變，主要是對(duì)吸熱峰的面積的改變，且與組分試驗(yàn)?zāi)芟嗷?duì)照。

橡膠瀝青； Asphaltan A； 機(jī)理； 四組分； 差熱試驗(yàn)

1 概述

面對(duì)瀝青路面建設(shè)的飛速發(fā)展，道路科研人員開始研究通過(guò)一定的技術(shù)措施，降低瀝青的高溫粘度，從而使瀝青能在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行拌和及施工，同時(shí)保持其使用性能的技術(shù)[1-3]。溫拌(WMA)技術(shù)就是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的，其實(shí)質(zhì)是在保證瀝青路面使用性能的條件下，通過(guò)一定的措施，降低瀝青膠結(jié)料的粘度，提高瀝青混合料的施工和易性，使得混合料能夠在較低的溫度下進(jìn)行拌和、攤鋪與壓實(shí)[4-5]。因此，將WMA技術(shù)和橡膠瀝青混合料技術(shù)相結(jié)合，具有重要的實(shí)用價(jià)值和理論意義。對(duì)溫拌橡膠瀝青進(jìn)行組分含量和熱效應(yīng)的試驗(yàn)分析，通過(guò)規(guī)范所規(guī)定的組分試驗(yàn)以及運(yùn)用較為廣泛的差熱試驗(yàn)(DSC)對(duì)其進(jìn)行定性和定量的試驗(yàn)研究，從而能從更微觀的化學(xué)組成角度去研究Asphaltan A溫拌橡膠瀝青的降粘機(jī)理。

2 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)采用中海油70號(hào)基質(zhì)瀝青、20目貨車輪胎膠粉(外摻15%)來(lái)共同制備橡膠瀝青，參考國(guó)內(nèi)外的研究成果[6-8]，橡膠瀝青制備參數(shù)如表1所示。溫拌劑選擇Asphaltan A，其熔點(diǎn)約109 ℃，25 ℃的密度為0.95 g/cm3，可完全溶解于熱瀝青中，添加Asphaltan A的方法為濕拌；在制備Asphaltan A(摻量：2%、3%、4%)溫拌橡膠瀝青時(shí)，為了能使Asphaltan A溫拌劑能夠更好的與基質(zhì)瀝青混合均勻，在攪拌時(shí)先將Asphaltan A溫拌劑倒入熱瀝青中[9-10]，然后再加入橡膠粉。

表1 橡膠瀝青制備參數(shù)Table1 Producingparametersofcrumbrubberasphalt攪拌溫度/℃攪拌頻率/(r·min-1)攪拌方式攪拌時(shí)間/min175±51000高速剪切45

3 組分試驗(yàn)與差熱試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 組分試驗(yàn)結(jié)果分析

在對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行四組分分析試驗(yàn)之前，將其用三氯乙烯溶液溶解，過(guò)濾掉橡膠粉，將濾液中的瀝青回收用于四組分試驗(yàn)。為了避免三氯乙烯對(duì)基質(zhì)瀝青產(chǎn)生影響，同樣將試驗(yàn)采用的基質(zhì)瀝青也進(jìn)行三氯乙烯溶解、回收。

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中四組分法測(cè)定基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青和不同摻量Asphaltan A的溫拌橡膠瀝青中各組分的含量，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 各瀝青膠結(jié)料組分試驗(yàn)結(jié)果Table2 Testresultsofdifferentasphalt%瀝青類型飽和分芳香分膠質(zhì)瀝青質(zhì)基質(zhì)瀝青14．809620．283643．191421．7115橡膠瀝青12．359321．333545．931820．4823AsphaltanA+2%14．326823．648750．145412．8785AsphaltanA+3%18．039720．175348．512813．9637AsphaltanA+4%16．078318．626651．983913．1378

由圖1分析可知: Asphaltan A加入橡膠瀝青中后各組分含量都發(fā)生了明顯的變化。主要體現(xiàn)在：膠粉加進(jìn)基質(zhì)瀝青后，芳香分和膠質(zhì)的含量均有所增加，而飽和分和瀝青質(zhì)的含量則有所減少；Asphaltan A加入橡膠瀝青后飽和分和膠質(zhì)含量都有所增加，瀝青質(zhì)含量則有所減少。芳香分含量開始先增加，隨著摻量的增加又開始減少。由于加入Asphaltan A后飽和分和瀝青質(zhì)的含量變化較為明顯，所以Asphaltan A對(duì)橡膠瀝青組分的影響主要體現(xiàn)在對(duì)飽和分和瀝青質(zhì)的影響。

圖1 不同Asphaltan A摻量的橡膠瀝青四組分含量Figure 1 Four composition content of crumb rubber asphalt with different Asphaltan A content

3.2 差熱試驗(yàn)(DSC)結(jié)果分析

3.2.1 膠粉、基質(zhì)瀝青以及橡膠瀝青DSC圖譜分析

膠粉、基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青的DSC試驗(yàn)的結(jié)果如圖2及表3所示。

圖2 膠粉、基質(zhì)瀝青及橡膠瀝青DSC曲線Figure 2 DSC curves of crumb rubber、asphalt and crumb rubber asphalt

表3 膠粉、基質(zhì)瀝青及橡膠瀝青吸熱峰數(shù)據(jù)Table3 Endothermicpeakdataofcrumbrubber、asphaltandcrumbrubberasphalt樣品各峰位置/℃F峰值溫度/℃峰面積/mJ玻璃化溫度/℃膠粉-42．48～-20．12-31．624．999-42．4278．66～118．41102．3714．471-28．91～6．55-8．8521．662基質(zhì)瀝青14．09～33．1220．8313．138-28．9737．89～58．5544．778．352-22．70～8．43-7．0313．324橡膠瀝青12．78～28．6720．887．242-22．7334．96～60．9640．7912．261

通過(guò)DSC曲線，可以看出瀝青組分在溫度上升過(guò)程中發(fā)生狀態(tài)變化。吸熱峰面積越大(吸熱量越大)，說(shuō)明瀝青在該溫度區(qū)間發(fā)生狀態(tài)變化的組分越多。

由圖2分析可知: 基質(zhì)瀝青從-28.91 ℃左右開始出現(xiàn)相態(tài)的轉(zhuǎn)變，即瀝青由玻璃態(tài)開始過(guò)渡到粘彈態(tài)。在14.09～36 ℃和37.89～57 ℃左右的溫度范圍內(nèi)基質(zhì)瀝青出現(xiàn)二個(gè)明顯的吸熱峰。在14.09～36 ℃左右的溫度范圍內(nèi)，瀝青中飽和分和芳香分等小分子組分的聚集態(tài)開始轉(zhuǎn)變，并形成一個(gè)較為明顯的吸收峰。隨著溫度進(jìn)一步提高，在37.89～57 ℃的溫度范圍內(nèi)，瀝青中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等一些大分子組分的聚集態(tài)也逐漸開始轉(zhuǎn)變，所以在37.89～57 ℃的溫度范圍內(nèi)又出現(xiàn)一個(gè)較為明顯的吸熱峰。

由橡膠瀝青的DSC圖與基質(zhì)瀝青的DSC圖對(duì)比可知，加入膠粉以后瀝青的熱效應(yīng)發(fā)生了明顯的變化。一方面吸熱峰的面積變小而后一個(gè)吸熱峰的面積發(fā)生改變；另一方面吸熱峰的位置以及形狀也發(fā)生了變化，這說(shuō)明了摻入廢胎膠粉使瀝青中結(jié)晶性組分的存在形式、數(shù)量以及組分的相態(tài)轉(zhuǎn)化方式發(fā)生了變化，同時(shí)也使得部分組分的熔融溫度發(fā)生改變，從而導(dǎo)致瀝青熱力學(xué)性能的改變。

由于膠粉在與瀝青混合的過(guò)程中，膠粉顆粒吸收了瀝青中的輕質(zhì)組分，膠粉顆粒也有一部分溶于瀝青，形成橡膠瀝青混溶體系。且由圖表可知，膠粉在低溫(-40～-20 ℃左右)以及高溫(80～120 ℃左右)出現(xiàn)了明顯的吸熱峰。而在橡膠瀝青的DSC圖像中，-40 ℃低溫時(shí)沒有出現(xiàn)相態(tài)的轉(zhuǎn)變，這說(shuō)明膠粉中一些小分子物質(zhì)與瀝青發(fā)生了反應(yīng)。且在高溫區(qū)段曲線出現(xiàn)一些波動(dòng)，這是由于膠粉中大分子物質(zhì)吸熱所產(chǎn)生的現(xiàn)象。

同樣從玻璃化溫度的高低，還可以估計(jì)瀝青中成分的變化情況。飽和分愈多，則Tg愈低，而瀝青質(zhì)愈多，則Tg愈高。從表4中得出，加入膠粉后瀝青的玻璃化溫度變高了，由飽和分等小分子所引起的吸熱峰熱焓變小，而由膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等大分子所引起的吸熱峰面積增大。故由玻璃化溫度的變化能推斷，膠粉加入瀝青后引起了飽和分等小分子物質(zhì)的減少，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等大分子物質(zhì)的增多。

由組分試驗(yàn)可知，膠粉加入基質(zhì)瀝青后使得飽和分和瀝青質(zhì)的含量減少，芳香分和膠質(zhì)的含量增加。但是芳香分含量增加的較少而飽和分含量減少的相對(duì)較多，從而導(dǎo)致橡膠瀝青DSC圖中由飽和分和芳香分等引起的第一個(gè)吸熱峰面積比基質(zhì)瀝青的有所減小；同樣膠質(zhì)含量增加的較多，而瀝青質(zhì)含量減少的較少，從而導(dǎo)致橡膠瀝青DSC圖中由膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等引起的吸熱峰面積比基質(zhì)瀝青的有所增大。

3.2.2 不同Asphaltan A摻量的橡膠瀝青DSC圖譜分析

橡膠瀝青和不同Asphaltan A摻量(2%、3%、4%)的溫拌橡膠瀝青的DSC試驗(yàn)結(jié)果如圖3和表4所示。

圖3 不同Asphaltan A摻量的溫拌橡膠瀝青DSC曲線Figure 3 DSC curves of crumb rubber asphalt with different Asphaltan A content

表4 不同AsphaltanA摻量的橡膠瀝青吸熱峰數(shù)據(jù)Table4 CrumbrubberasphaltwithdifferentAsphaltanAcontent樣品各峰起始位置/℃F峰值溫度/℃峰面積/mJ玻璃化溫度/℃橡膠瀝青12．5～29．820．856．243-22．7034．9～60．240．7312．26812．8～30．220．876．398橡膠瀝青+AsphaltanA2%34．2～52．340．126．419-24．8468．4～112．5104．0154．40312．6～30．220．706．60533．6～52．539．946．501橡膠瀝青+AsphaltanA3%-24．0265．2～92．277．095．44098．2～113．1104．8711．51712．5～30．320．697．79934．1～55．641．109．263橡膠瀝青+AsphaltanA4%-24．2765．7～98．480．4425．407102．86～111．5107．0422．655

由圖3以及表4分析可知: 摻加一定量的Asphaltan A以后，橡膠瀝青的DSC圖像有了較大的變化。①在70～110 ℃左右的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)明顯的吸熱峰； ②隨著Asphaltan A摻量的增大，由Asphaltan A所形成的吸熱峰出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象； ③由膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等大分子組分所產(chǎn)生的吸熱峰的面積出現(xiàn)一定程度的減小，但峰值沒有太大的變化； ④DSC圖中玻璃化溫度降低。

Asphaltan A是一種有機(jī)蠟，也是一種較為復(fù)雜的混合物，分子大小不同，熔點(diǎn)在100 ℃左右。所以，在溫度的上升的過(guò)程中Asphaltan A中一些組分開始吸熱，直到溫度達(dá)到峰值溫度(104.03 ℃)時(shí)，Asphaltan A的中的組分開始產(chǎn)生相態(tài)轉(zhuǎn)變，隨著相態(tài)轉(zhuǎn)變的完成，就在70～110 ℃左右的溫度范圍內(nèi)形成了一個(gè)吸熱峰，這也說(shuō)明Asphaltan A并沒有與橡膠瀝青膠結(jié)料發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。由于Asphaltan A在70～110 ℃的溫度范圍內(nèi)存在融化-結(jié)晶過(guò)程，因而大大增加瀝青的溫度敏感性，從而使得在高溫時(shí)的粘度大大降低。

隨著加入橡膠瀝青中Asphaltan A摻量的增加，由Asphaltan A引起的吸熱峰出現(xiàn)分裂的情況，即出現(xiàn)2個(gè)吸熱峰。這主要是因?yàn)闇匕柘鹉z瀝青的DSC曲線并不是標(biāo)準(zhǔn)的曲線形式。當(dāng)一個(gè)峰的吸熱完成后，吸熱結(jié)束溫度并沒有回到吸熱起始溫度的水平，故在劃分吸熱峰時(shí)也有一定的人為影響。且Asphaltan A也是較為復(fù)雜的混合物，故隨著摻量的增加，使得瀝青總體熱量增加，不同組分的吸熱影響也將變大，會(huì)出現(xiàn)第2個(gè)，甚至第3個(gè)吸熱峰。

加入Asphaltan A后，橡膠瀝青的玻璃化溫度均有所降低，這表明瀝青中飽和分的含量增加，瀝青質(zhì)的含量減小。由組分試驗(yàn)可知，Asphaltan A加入橡膠瀝青后使得飽和分和膠質(zhì)的含量增大，瀝青質(zhì)的含量減少，芳香分含量隨著Asphaltan A摻量的不同并沒有出現(xiàn)特定的增減規(guī)律?？赡苡捎诜枷惴趾康挠绊?，從而導(dǎo)致在DSC圖中由飽和分和芳香分所引起的吸熱峰面積沒有出現(xiàn)一定的增減規(guī)律；由于瀝青質(zhì)相對(duì)于膠質(zhì)來(lái)說(shuō)減少的程度較大，使得DSC圖中由膠質(zhì)和瀝青質(zhì)引起的吸熱峰面積出現(xiàn)減小趨勢(shì)。而且也表明溫拌橡膠瀝青的高溫穩(wěn)定性好于橡膠瀝青。

4 結(jié)論

① 膠粉加入基質(zhì)瀝青后改變了瀝青的膠體結(jié)構(gòu)，膠粉在與瀝青混合的過(guò)程中，膠粉顆粒吸收了瀝青中的輕質(zhì)組分，膠粉顆粒也有一部分溶于瀝青，形成橡膠瀝青混溶體系。使得瀝青中輕質(zhì)組分減少，分子量較大的組分增多，從而導(dǎo)致橡膠瀝青的粘度增大；

② Asphaltan A加入橡膠瀝青之后，對(duì)橡膠瀝青化學(xué)組分的影響主要體現(xiàn)在它使得橡膠瀝青中飽和分含量的增加，瀝青質(zhì)含量的減少；由差熱試驗(yàn)分析可知，Asphaltan A與橡膠瀝青并沒有發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，它的加入引起了橡膠瀝青中各組分吸熱峰的改變，主要是對(duì)吸熱峰的面積的改變，且與組分試驗(yàn)?zāi)芟嗷?duì)照；

③ Asphaltan A的加入瀝青膠結(jié)料中，Asphaltan A也屬于飽和分類的小分子物質(zhì)，當(dāng)溫度較高時(shí)，Asphaltan A融化后才生一定量的小分子組分，這在一定程度上改變了橡膠瀝青的組分含量的結(jié)構(gòu)，從而使得橡膠瀝青的膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，促使橡膠瀝青膠結(jié)料向溶膠型狀態(tài)改變，且隨著Asphaltan A含量的增加，膠體狀態(tài)改變的越明顯。所以，橡膠瀝青膠結(jié)料的流動(dòng)性能得到大大的改善，高溫粘度也大大降低。

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Asphaltan AWarm Mix Agent on the Microcharacteristics of the Rubber Asphalt

DING Haibo

(Southwest Jiaotong University Chengdu, Sichuan 610031, China)

In this paper, the matrix asphalt, rubber asphalt as well as add Asphaltanwarm mix asphalt rubber for A four component experiment and differential thermal analysis (DSC), through studying microscale temperature mixing rubber asphalt modification mechanism, the test results show that the Asphaltanto join A rubber asphalt, the impact on the rubber asphalt chemical composition mainly embodied in it makes the increase of the content of rubber asphalt saturated points in asphaltene content decreases;Known from the analysis of differential thermal test, Asphaltan Aand rubber asphalt and complex chemical reaction does not occur, the addition of it caused A rubber asphalt endothermic peak of each component in change, mainly in the area of the endothermic peak of change, and component test can control each other.

warm mix asphalt rubber; the mechanism; four components; differential thermal test

2015 — 04 — 27

丁海波(1990 — )，男，江蘇鹽城人，博士，研究方向：路面結(jié)構(gòu)與材料，E-mail：ycitdhb@126.com。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0025 — 04