橡膠瀝青及橡膠瀝青混合料水穩(wěn)性研究

孟景馨

湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 432200

0 引言

隨著我國的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國汽車擁有量越來越多，但隨之而來的承受的環(huán)保壓力，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般來說，每一輛車的壽命只有11年～12年，而輪胎壽命確僅有2年～3年，每一個(gè)輪胎需要30kg～40kg橡膠，平均下來，一輛車每年產(chǎn)生10kg廢舊輪胎。我國在2004年廢舊輪胎的產(chǎn)生量已經(jīng)超過了1.12億條，預(yù)計(jì)到2011年將會(huì)超過2億條，可見廢舊輪胎已經(jīng)成為最大的固體廢物來源。

自改革開放至今，是我國公路建設(shè)歷史上發(fā)展最快的時(shí)期。隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，作為廢舊輪胎的數(shù)量也隨之增加，已成為目前人們社會(huì)關(guān)注的重大環(huán)保課題。而經(jīng)過國內(nèi)外的研究，在瀝青中添加橡膠粉，制成分散均勻的改性瀝青能夠顯著的提高瀝青的各項(xiàng)性能。 這就為廢舊輪胎的處置提供一個(gè)新方案，因此，用膠粉改性瀝青既能提高瀝青及瀝青混合料的路用性能，又能對(duì)使廢舊輪胎資源再利用，解決環(huán)保難題，是件雙贏的事情。本文借鑒國內(nèi)外的研究成果，對(duì)膠粉改性瀝青及瀝青混合料的性能進(jìn)行探討和研究。

1 主要研究內(nèi)容和技術(shù)路線

在他人的研究基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試驗(yàn)，使用廢舊輪胎膠粉對(duì)瀝青進(jìn)行改性，并對(duì)橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行分析。具體研究內(nèi)容如下：

1）探索廢舊橡膠輪胎膠粉改性瀝青機(jī)理，并探索橡膠瀝青的基本本質(zhì)；

2）利用室內(nèi)試驗(yàn)研究改性過程中制備溫度、改性時(shí)間、膠粉目數(shù)及膠粉摻量等不同因素影響下橡膠瀝青性質(zhì)的變化；

3）對(duì)橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定進(jìn)行研究，并分析不同的膠粉目數(shù)和膠粉摻量對(duì)橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)以上的研究內(nèi)容，所采取的技術(shù)路線如圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

2 膠粉與瀝青改性機(jī)理與制備工藝

2.1 膠粉

膠粉是有廢舊輪胎經(jīng)過機(jī)械破碎而成，其成分主要為天然膠（NR）和丁苯橡膠等，其橡膠含量為55%左右。橡膠分可根據(jù)其生產(chǎn)工藝、及粒度大小和原料的來源進(jìn)行分類。按膠粉的生產(chǎn)工藝可分為，常溫碎粉，低溫粉碎和常溫化學(xué)法等，而最近正在探索和研究的方法有臭氧粉碎法、高壓爆破法、高溫超速粉碎法，助劑侵混破碎法、高壓射擊破碎法等。

膠粉的組成主要有天然橡膠（NR）和丁苯橡膠（SBR）等，其橡膠的含量有55%左右。天然橡膠的化學(xué)構(gòu)成被看作異戊二烯的多聚體（C5H8），也有人認(rèn)為，天然橡膠是由異戊二烯基聚合而成。關(guān)于天然橡膠的結(jié)構(gòu)主要有兩種說法，一是環(huán)狀結(jié)構(gòu)；另一種是線狀結(jié)構(gòu)。有人也認(rèn)為天然橡膠是由4個(gè)或5個(gè)異戊烯基的環(huán)所組成，但是對(duì)于天然橡膠的膠體結(jié)構(gòu)國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的看法，最近比較流行且一致的說法是目前天然橡膠具有鏈狀結(jié)構(gòu)。

丁苯橡膠是有丁二烯和苯乙烯的共聚物，其玻璃化溫度為60℃，與SBS同族，其差異僅為丁二烯的含量不同。有人利用維茨法測定的丁苯橡膠的不飽和度，并不超過理論的89%，這說明這表明聚合物結(jié)構(gòu)中含有支鏈，并且分子鏈還帶有橫鍵。

2.2 膠粉瀝青改性機(jī)理

目前認(rèn)為輪胎膠粉改性瀝青的主要有以下幾種機(jī)理：膠粉改善瀝青流變性，膠粉在瀝青中的溶脹及相容性機(jī)理，膠粉的增強(qiáng)作用機(jī)理。重慶交通大學(xué)認(rèn)為以上理論在膠粉與瀝青相互作用都有可能存在，只是發(fā)生的時(shí)間和程度有所不同。并提出膠粉與瀝青的改性機(jī)理為瀝青和膠粉共混初期的溶脹和混溶到一定階段的新膠體結(jié)構(gòu)的形成。膠粉作為改性劑加入到瀝青中，在瀝青輕質(zhì)組分的作用下，膠粉體積會(huì)變大，即發(fā)生了溶脹，膠粉發(fā)生溶脹后界面性質(zhì)發(fā)生了變化，使得膠粉與瀝青發(fā)生界面作用，致使二者不會(huì)發(fā)生分離。也使得瀝青質(zhì)形成了另外一種形式的膠體結(jié)構(gòu)，組分比例發(fā)生了變化，從而使得瀝青的性能得到了改善。并使得膠粉改性瀝青既非全新的材料，也不是瀝青結(jié)構(gòu)的重復(fù)，而是一種具有原瀝青和膠粉特點(diǎn)的新結(jié)構(gòu)。

而鑒于橡膠改性瀝青的良好性能，對(duì)橡膠瀝青的微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行分析，進(jìn)而闡述橡膠改姓瀝青機(jī)理，而目前的研究認(rèn)為橡膠瀝青主要具有4種微觀結(jié)構(gòu)：

1）膠體的結(jié)構(gòu)改性

瀝青中加入的膠粉能吸附瀝青中的某些組分，瀝青中與改性劑結(jié)構(gòu)相似的輕組分（主要是油蠟） 經(jīng)過滲透、擴(kuò)散進(jìn)入橡膠網(wǎng)絡(luò)，橡膠結(jié)構(gòu)發(fā)生溶脹現(xiàn)象， 這便能顯著的降低游離蠟含量，瀝青組分的變化使得含蠟量很高的瀝青的膠體結(jié)構(gòu)從溶膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿?凝膠型結(jié)構(gòu)，瀝青的感溫性顯著下降， 其他各項(xiàng)指標(biāo)也得到明顯的改善，表現(xiàn)為瀝青的針入度增大，軟化點(diǎn)升高 ，瀝青升溫過程中的相變吸熱峰下降明顯，粘溫Arrhenius 方程中粘流活化能減小。

2）相容性改性

由于橡膠和瀝青內(nèi)部的分子組成不同，其化學(xué)結(jié)構(gòu)上存在著很大的差異，屬于熱力學(xué)上的相容性不好的體系。Maccarrone 認(rèn)為橡膠在瀝青中的理想狀態(tài)是細(xì)分布但并非完全溶解，橡膠在瀝青中均勻的分散，成絲狀體系能與瀝青質(zhì)膠團(tuán)分布于瀝青油分中，便會(huì)構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的且不發(fā)生相分離的相容體系，此時(shí)油蠟組分因與橡膠的溶度參數(shù)相近便會(huì)緩慢地?cái)U(kuò)散進(jìn)入橡膠鏈段的空隙中 ，即使的橡膠鏈段松動(dòng)、脫離以至溶解。國內(nèi)外很多專家學(xué)者都曾對(duì)不同來源的瀝青與各種橡膠進(jìn)行過相容性研究，認(rèn)為各種類的瀝青因其組分含量不同而與橡膠膠粉的相容性不同，相容性好的體系其瀝青性能指標(biāo)優(yōu)于相容性差的體系。

3）橡膠的增強(qiáng)作用改性

橡膠膠粉在瀝青中的體積小數(shù)量多，其在低溫時(shí)可產(chǎn)生很大的高度的應(yīng)力集中，誘發(fā)大量的銀紋及剪切帶，而且可以在誘發(fā)過程中耗散大量的能量，故橡膠瀝青擁有很好的抗沖擊性能及可塑性，而橡膠粒子較大時(shí)能防止單個(gè)銀紋的生長和斷裂，膠粉顆粒不致于很快發(fā)展為破壞性裂紋，這個(gè)特性能大大改善瀝青的低溫柔韌性。

2.3 橡膠瀝青的制備工藝

橡膠瀝青制備工藝分為干法（Dry process）和濕法（Wet process）兩類，干法是將膠粉直接摻入瀝青混合料拌和鍋中進(jìn)入拌和，膠粉摻加量一般為瀝青混合料的2%～3%左右，此工藝是是將廢舊橡膠顆粒充當(dāng)集料使用。濕法是將膠粉先在160℃～200℃的熱瀝青中充分混融，通過機(jī)械能和熱能及化學(xué)的方法，使膠粉降解溶脹，膠粉的添加量一般為瀝青量的15%～20%。濕法工藝又包括物理混合法（溶脹法）及化學(xué)改性法，而化學(xué)改性工藝一般很難控制，故現(xiàn)在采用的多是溶脹法。

干法和濕法的主要區(qū)別如下：

1）干法采用的橡膠顆粒尺寸一般為1.0mm～6.3mm，而濕法采用的橡膠粉的粒度比較細(xì)，通常在0.1mm以下，因而干法所使用的膠粉在加工工藝上要求比較低，工藝簡單，成本相對(duì)較低；

2）干法中的膠粉顆粒一般占瀝青混合料的2%～3%左右，消耗的膠粉量比較多。干法在使用過程中主要是作為集料的部分，對(duì)瀝青的改性作用不是很大，而在濕法工藝中，橡膠粉主要是作為對(duì)瀝青的改性劑使用，以起到改善瀝青性能 的作用；

3）在瀝青拌合過程中，干法直接加入拌合鍋內(nèi)。不需要特殊的裝備，而濕法工藝則對(duì)裝備及施工流程控制比較嚴(yán)格，需要專門的施工管理。

雖然從耗能、工藝管理方面看，干法工藝比較易于推行，但由于干法不能改性瀝青，有此法得到的橡膠瀝青混合料路用性能沒有太大的改善，而且膠粉在投入拌合鍋內(nèi)由于重量較輕而聚集到上部，很難充分均勻的與瀝青混合料拌合，故目前國內(nèi)外多采用濕法工藝生產(chǎn)橡膠瀝青。

3 原材料與試驗(yàn)方法研究

3.1 原材料

3.1.1 基質(zhì)瀝青

本組試驗(yàn)選用的基質(zhì)瀝青是中石化（Sinopec Group）-90重交瀝青，以下簡稱SG-90。

3.1.2 膠粉

本文采用的廢舊橡膠粉是國內(nèi)生產(chǎn)的廢舊輪胎膠粉。膠粉符合表3的物理指標(biāo)和化學(xué)指標(biāo)要求：

橡膠膠粉化學(xué)指標(biāo)

表2 橡膠膠粉物理指標(biāo)

3.2 試樣制備與測試

膠粉改性瀝青是膠粉均勻的分散在瀝青中而形成一種懸浮液，從而使瀝青的膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，賦予瀝青新的性質(zhì)，這也是廢舊橡膠膠粉改性瀝青的主要機(jī)理。利用膠粉改性瀝青雖然工藝比較簡單，但是在制備過程要嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，才能保證橡膠瀝青的性能。膠粉改性瀝青的環(huán)節(jié)如圖2所示。

圖2 橡膠瀝青生產(chǎn)流程

進(jìn)過研究，在膠粉改性瀝青之前，需要對(duì)膠粉和瀝青做一些準(zhǔn)備工作，主要包括：

1）膠粉在添加之前需要除去水分，但膠粉在烘干時(shí)一定要把握溫度，溫度太低，膠粉的水分去除不徹底，而膠粉溫度太高時(shí)，可能會(huì)破壞膠體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

2）由于橡膠瀝青不容易保存，所以一旦橡膠瀝青制備完成，需要立即對(duì)其各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測試，以免橡膠瀝青性質(zhì)改變；

3）膠粉在加入熱的瀝青中時(shí)，要邊攪拌邊加入，而且加入速度要放緩，以免瀝青濺出；

4）瀝青在高速剪切攪拌時(shí)，速度要有慢到快，使轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定，同時(shí)需要時(shí)刻控制攪拌溫度，以防溫度太高造成膠粉結(jié)構(gòu)改變和瀝青的老化。

3.3 橡膠瀝青的指標(biāo)

橡膠瀝青改性后的，瀝青的性質(zhì)即發(fā)生了變化，由于與其他改性瀝青的改性機(jī)理存在差異，一些評(píng)價(jià)普通瀝青與評(píng)價(jià)改性瀝青的指標(biāo)可能不太適用，本研究經(jīng)過分析國內(nèi)外的研究成果，選取軟化點(diǎn)、針入度、延度、彈性恢復(fù)指標(biāo)。

1）軟化點(diǎn)指標(biāo)測定（環(huán)與球法）

瀝青是非晶體指標(biāo)，并無確定的熔點(diǎn)，軟化點(diǎn)是將瀝青試樣注于規(guī)定尺寸的銅環(huán)內(nèi)，其上放置一規(guī)定質(zhì)量（3.5土0.05）9的鋼球，以5℃/min的升溫速度加熱，瀝青軟化，鋼球從瀝青試樣中沉落至規(guī)定距離的底板時(shí)的溫度，以℃表示。道路瀝青的軟化點(diǎn)表示在一定的外力存在下，瀝青受熱從固態(tài)或粘稠不易流動(dòng)的物態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢鲃?dòng)能力的物態(tài)的溫度。軟化點(diǎn)實(shí)質(zhì)上反映瀝青的粘度，與瀝青的標(biāo)號(hào)有關(guān)，是一種條件粘度，即在等粘度條件下以溫度表示的一種粘度。軟化點(diǎn)反映瀝青的溫度敏感度，一般為，軟化點(diǎn)高，則其等粘溫度也高，溫度穩(wěn)定性也好，或者說熱穩(wěn)定性好。

2）針入度

反映瀝青的流變學(xué)性能，實(shí)質(zhì)上表示的是測試溫度下瀝青的粘度針入度用以劃分瀝青的標(biāo)號(hào)。針入度越小，表示瀝青的稠度越大；反之，則稠度越小。針入度是在規(guī)定的溫度、附加荷重和荷重作用時(shí)間的條件下，標(biāo)準(zhǔn)針貫入瀝青中的深度，以0.1mm表示。通常如不特別注明，則溫度為25℃，附加荷重為（100±0.1）g，貫入針時(shí)間為5s。但有時(shí)也可以變化溫度、荷重或貫入時(shí)間。本次試驗(yàn)溫度分別為25℃。

3）延度測試

延度是瀝青在一定溫度下，按一定速度拉伸至瀝青斷裂的長度，以cIn記。

通常試驗(yàn)溫度為25℃、15℃或5℃。而我們本次試驗(yàn)為測得低溫性能指標(biāo)，延度反映瀝青條件延性的指標(biāo)。瀝青的延性是當(dāng)其受到外力的拉伸作用時(shí)，所能承受的塑性變形的總能力。延度越大，瀝青的柔韌性越好。如在低溫下延度越大，則瀝青的抗裂性越好。瀝青延度與其粘度、組分有密切關(guān)系。一般來說，延度大的瀝青含蠟量低，粘結(jié)性和耐久性都好；反之，含蠟量大，延度小，粘結(jié)性和耐久性也差。因此，延度是表征瀝青性質(zhì)的重要指標(biāo)。

4）粘度

瀝青的粘度指標(biāo)可以評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能，而目前粘度儀器的原理是將已知表面積的轉(zhuǎn)子浸入試樣管之瀝青中，以固定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，即對(duì)瀝青試樣產(chǎn)生一固定剪應(yīng)變率，此時(shí)試樣對(duì)此種轉(zhuǎn)動(dòng)速率的阻抗力大小，經(jīng)由儀器內(nèi)部的扭力彈簧測得，經(jīng)由適當(dāng)換算成為造成轉(zhuǎn)動(dòng)所需的剪應(yīng)力，剪應(yīng)力除以剪應(yīng)變率即為瀝青試樣的粘度。在固定溫度下，以不同轉(zhuǎn)速測得瀝青試樣的粘度，用簡單線性回歸，可求得瀝青試樣的粘度。

5） 彈性恢復(fù)

彈性恢復(fù)主要用來評(píng)價(jià)熱塑性橡膠類聚合物改性瀝青的彈性恢復(fù)性能。即測定用延度試驗(yàn)儀拉長一定長度后的可恢復(fù)變形的百分率。彈性恢復(fù)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)改性瀝青性能的新指標(biāo)己被廣泛使用，并己經(jīng)增補(bǔ)列入我國的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ051-2000）中。彈性恢復(fù)性能指標(biāo)用來反映改性瀝青彈性性質(zhì)增加的程度。彈性好的瀝青在外力作用下所產(chǎn)生的變形能夠逐漸恢復(fù)，所剩的永久變形較小，因此彈性恢復(fù)可以衡量路面受力后變形的恢復(fù)能力。瀝青的彈性恢復(fù)能力的提高可以減小荷載作用的殘余變形，減少路面的損壞。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過分析，橡膠瀝青在改性過程中，控制攪拌時(shí)間對(duì)瀝青改性效果非常重要，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1）經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，橡膠瀝青的攪拌時(shí)間對(duì)瀝青的各項(xiàng)性能均有改善，并存在著合理的攪拌時(shí)間，橡膠瀝青的最佳攪拌時(shí)間應(yīng)充分考慮膠粉的類型和橡膠瀝青的改性目的；

2）攪拌時(shí)間對(duì)瀝青改性效果的影響主要是膠粉中溶脹反應(yīng)和脫硫降解的反應(yīng)占據(jù)的主導(dǎo)作用不同引起的，在一定的范圍內(nèi)，隨著攪拌時(shí)間的增加，膠粉中的溶脹作用起主要的作用，此時(shí)橡膠瀝青的性能隨攪拌時(shí)間的增加越來越好，當(dāng)超過一定范圍后，橡膠瀝青的性能隨攪拌時(shí)間的增加反而越來越差。

5 橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性分析

根據(jù)國內(nèi)外的研究，橡膠瀝青混合料的高溫性能、低溫性能均有不同程度的提高，但其水穩(wěn)定性能確不盡人意。瀝青的水穩(wěn)定性是指瀝青路面抵抗水損害的能力，而瀝青路面水損害則是指瀝青路面在水或者凍融循環(huán)的作用下，經(jīng)過車輛重復(fù)的荷載作用，進(jìn)入路面空隙的水在真空負(fù)壓力的反復(fù)抽吸循環(huán)作用下水分逐漸進(jìn)入瀝青與集料的界面，使得瀝青粘附性降低并使瀝青結(jié)合料逐漸喪失粘結(jié)能力，瀝青混合料出現(xiàn)掉粒，松散，繼而瀝青路面出現(xiàn)了松散、坑槽等水損害現(xiàn)象。

5.1 試驗(yàn)方法研究

5.1.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

此試驗(yàn)方法是我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的方法，其試驗(yàn)過程如下，試件分兩組：一組在60℃水浴中保養(yǎng)0.5小時(shí)后測其馬歇爾穩(wěn)定度S1；另一組在60℃，水浴中恒溫保養(yǎng)48小時(shí)后測其馬歇爾穩(wěn)定度S2，計(jì)算殘留穩(wěn)定度S0=x100。

5.1.2 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)是模擬實(shí)際路面上受到的水的影響集中、強(qiáng)化的作用。其飽水過程包括真空飽水、凍融和高溫水浴等3個(gè)過程。將試件分兩組：一組在25℃水浴中浸泡2小時(shí)后測試劈裂強(qiáng)度R1；另一組先在25℃水中浸泡2小時(shí)，然后在0. 09MPa浸水抽真空15min，再在-18℃冰箱中置放16小時(shí)，而后放到60℃水浴中恒溫24小時(shí)，再放到25℃水中浸泡2小時(shí)后測試其劈裂強(qiáng)度R2；計(jì)算其殘留強(qiáng)度比：

R0=x100%

5.2 總結(jié)

通過對(duì)橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）各試驗(yàn)方法對(duì)橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)有不同的結(jié)論，如不同膠粉數(shù)目對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性研究，可發(fā)現(xiàn)采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)得出的結(jié)論正好相悖，這可能與不同 試驗(yàn)方法對(duì)瀝青性能的關(guān)注點(diǎn)不一樣；

2）通過膠粉摻量對(duì)橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性分析，可發(fā)現(xiàn)，25%的膠粉摻量是瀝青混合料水穩(wěn)定性的最佳摻量，這也與前文分析膠粉摻量對(duì)瀝青改性效果的結(jié)論一致；

3）瀝青混合料的水穩(wěn)定性關(guān)系到瀝青路面的抗水損害能力，而橡膠瀝青路面的水損害問題是制約橡膠瀝青發(fā)展的重要因素，故在橡膠瀝青混合料的設(shè)計(jì)中需要對(duì)瀝青路面的水損害問題引起足夠重視。

6 結(jié)論

經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，改變膠粉的摻量、膠粉的目數(shù)、膠粉的攪拌溫度都對(duì)瀝青的各項(xiàng)性能有著影響。膠粉的摻量越多，瀝青的水穩(wěn)定越好，但確定膠粉的摻量時(shí)，還要考慮瀝青混合料的其他路用性能。最終達(dá)到膠粉改性瀝青提高瀝青及瀝青混合料的路用性能，又能對(duì)使廢舊輪胎資源再利用，解決環(huán)保難題，一舉兩得。

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