不同橡膠粉對改性瀝青路用性能的影響

孫增智，王曉磊，況棟梁，丁建鑫，王小雯，張 奔

(長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

廢舊橡膠制品是橡膠材料在使用過程中經(jīng)過老化、機械磨損、報廢后形成的固體廢棄物[1]。30%以上的廢舊橡膠被當(dāng)作垃圾進行焚燒、填埋或閑置堆積[2]，造成經(jīng)濟損失和環(huán)境污染，而利用橡膠粉對基質(zhì)瀝青進行改性是一種變廢為寶的好方法[3]。但是，目前關(guān)于這方面的研究多為大車廢胎膠粉對改性瀝青路用性能的影響，而關(guān)于廢膠帶、廢膠鞋、廢膠管等其他廢舊橡膠制得的橡膠粉對基質(zhì)瀝青改性的研究較少。

本文選擇6種代表性的橡膠粉分別對鎮(zhèn)海70#基質(zhì)瀝青進行改性，通過軟化點、針入度、黏度、彈性恢復(fù)率等指標(biāo)來評價改性效果，同時研究其在短期老化后的性能變化，旨在比選出改性效果優(yōu)良的橡膠粉，以期為實際工程提供技術(shù)支撐。

1 試驗原料與試驗方法

1.1 基質(zhì)瀝青

本試驗采用鎮(zhèn)海70#瀝青，具體性能指標(biāo)見表1。

表1 瀝青基本性能

1.2 橡膠粉

使用圈口胎膠粉、胎頂膠粉、鞋底膠膠粉、全胎膠粉、雜膠粉、小車胎膠粉，共6種廢舊橡膠粉，分別在摻量為5%、10%、15%、20%、25%時進行試驗。通過紅外光譜對6種橡膠粉組成結(jié)構(gòu)進行分析，如圖1所示，膠粉的實測指標(biāo)見表2。

從橡膠粉的紅外光譜可以看出，6種橡膠粉的成分大體是相同的，只是相對含量有所差異。

表2 膠粉實測指標(biāo)

圖1 不同橡膠粉的紅外光譜

廢舊橡膠粉的化學(xué)成分一般包括天然橡膠(NR)、合成橡膠(丁苯橡膠SBR、順丁橡膠BR)、可塑劑、碳黑及灰分等物質(zhì)，其中NR含量對橡膠瀝青的性質(zhì)影響最大。一般認(rèn)為，增加NR含量，可以加快瀝青與橡膠的反應(yīng)速度，增加橡膠瀝青的黏附性。此外，合成橡膠中SBR的物理機械性能和使用性能接近于NR，有些性能(如耐磨、耐熱、耐老化及硫化速度)較NR更為優(yōu)良；BR具有彈性好、耐磨性強、耐低溫性能好、生熱低、滯后損失小以及耐屈擾性、抗龜裂性、動態(tài)性能好等優(yōu)點。研究表明：NR更易與瀝青發(fā)生相互作用而形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且在相同時間內(nèi)NR的溶脹程度更高[4]；因此，制備橡膠瀝青時應(yīng)選取NR含量高的橡膠粉對瀝青進行改性。

1.3 改性工藝

綜合橡膠粉改性瀝青的各研究成果、實際工程應(yīng)用及現(xiàn)行的主要加工工藝[5]，同時結(jié)合作者進行的大量橡膠粉改性瀝青的改性工藝試驗，本文所采用的改性工藝如下。

(1)首先將瀝青加熱到150 ℃左右，然后邊攪拌邊加入橡膠粉；橡膠粉添加完畢后，繼續(xù)加熱使加入膠粉的瀝青溫度升高到180 ℃左右并攪拌30 min，使橡膠粉充分均勻地分散到瀝青中。

(2)將混合均勻的橡膠瀝青轉(zhuǎn)移到高速剪切乳化機下，將其溫度緩緩升至190 ℃左右，先低速剪切3～5 min，然后增大剪切速率至4 500 r·min-1左右剪切50 min。

(3)將剪切完的橡膠瀝青移到攪拌機中，在150 ℃條件下低速攪拌60 min，進行攪拌發(fā)育。

(4)最后將橡膠瀝青放入150 ℃的烘箱內(nèi)繼續(xù)發(fā)育30 min，得到成品橡膠粉改性瀝青。

1.4 橡膠粉改性瀝青性能測試

瀝青的針入度、軟化點、15 ℃延度、彈性恢復(fù)、180 ℃布氏黏度分別按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ 052—2000)中所規(guī)定的方法進行測試。

2 改性瀝青性能測試結(jié)果與分析

2.1 橡膠粉種類及摻量對軟化點的影響

圖2是6種不同橡膠改性瀝青的軟化點隨橡膠粉摻量變化的曲線。由圖2可知，隨著橡膠粉的加入，改性瀝青的軟化點均有不同幅度的升高。其中胎頂膠粉對改性瀝青軟化點的提升作用最為顯著，且膠粉摻量為5%、25%時，改性瀝青軟化點相比基質(zhì)瀝青分別提高了4 ℃、25 ℃；而雜膠粉對改性瀝青軟化點的提升作用不明顯，膠粉摻量為5%、25%時，改性瀝青軟化點相比基質(zhì)瀝青分別提高了1 ℃、6 ℃。故胎頂膠粉對瀝青的改性效果最佳，主要是由于NR含量較高，NR相對于SBR和BR更容易吸收瀝青中的輕質(zhì)組形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而阻礙瀝青之間的相對流動，引起軟化點的升高；雜膠粉對瀝青的改性效果最差，是由于雜膠粉主要由各種規(guī)格的非丁基類內(nèi)胎、水胎硫化橡膠與工業(yè)橡膠制品粉碎制得[6]，NR含量低，并且夾雜的膠粉種類較多，形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對不致密。因此，NR含量高的膠粉更易引起瀝青軟化點的升高。

圖2 橡膠粉種類及摻量對軟化點的影響曲線

2.2 橡膠粉種類及摻量對針入度的影響

圖3是6種橡膠改性瀝青的針入度隨橡膠粉摻量變化的曲線。

圖3 橡膠粉種類和摻量對針入度的影響曲線

由圖3可知，各種橡膠粉的加入都不同程度地降低了改性瀝青的針入度，使改性瀝青的黏滯性能有所改善[7]，這主要因為瀝青膠體中的分散膠質(zhì)和瀝青質(zhì)與膠粉顆粒相互之間的親和作用而緊密融合在一起，這就相當(dāng)于在瀝青膠體的液態(tài)油分中增加了固態(tài)顆粒的膠粉，從而使瀝青的針入度下降[8]。在6種不同的橡膠粉中，胎頂膠粉對瀝青的改性效果最顯著，雜膠粉對基質(zhì)瀝的改性效果最差；膠粉摻量為5%時，胎頂膠粉瀝青針入度相比基質(zhì)瀝青降低了9(0.1 mm)，而雜膠粉改性瀝青的針入度相比基質(zhì)瀝青僅降低了1(0.1 mm)；膠粉摻量為25%時，胎頂膠粉改性瀝青的針入度相比基質(zhì)瀝青降低了29(0.1 mm)，而雜膠粉改性瀝青相比基質(zhì)瀝青僅降低了9(0.1 mm)。雜膠粉對瀝青的改性效果最差，是由于雜膠粉中NR、SBR、BR含量低，造成其與基質(zhì)瀝青相容性較差，此外雜膠粉中含有對瀝青性能不利的脂肪、蠟類、甾醇、甾醇脂和磷脂等物質(zhì)，丙酮抽出物含量相對較高，這直接影響其對基質(zhì)瀝青的改性效果。

2.3 橡膠粉種類及摻量對黏度的影響

本研究發(fā)現(xiàn)橡膠粉摻量小于15%時，除了胎頂膠粉改性瀝青之外，其他橡膠改性瀝青的黏度與基質(zhì)瀝青相比改善效果不明顯，因此本試驗選取3種橡膠粉摻量(15%、20%、25%)進行研究。圖4為6種橡膠瀝青的黏度隨膠粉摻量變化的曲線。

圖4 橡膠粉種類和摻量對黏度的影響曲線

由圖4可知，隨著膠粉摻量的增大，橡膠改性瀝青180 ℃黏度都逐漸增大。這主要是由于膠粉加入后會形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對自由瀝青的流動產(chǎn)生阻尼作用，膠粉摻量越大，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越致密，阻尼作用越強，黏度也就越大；與此同時，摻入的橡膠粉會吸收部分輕質(zhì)組分，使膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的相對含量增加，而瀝青質(zhì)又是極性最強的組分，是瀝青膠體的基團核心，對瀝青的黏度起著決定性的作用[9-10]，因此橡膠粉摻量越大，橡膠瀝青黏度越大。胎頂膠粉對改性瀝青黏度的影響最為顯著，這是由于胎頂膠粉的NR含量高，NR不僅有利于改善橡膠粉與瀝青的相容性，也可以提升橡膠材料與瀝青的溶脹作用，從而補償改性過程中的高溫和高速剪切對瀝青性能造成的損失；而雜膠粉中NR含量太低，且含有相對較多的蠟類等對瀝青不利的物質(zhì)，因此對瀝青的改性效果最差。

2.4 橡膠粉種類及摻量對彈性恢復(fù)率的影響

圖5為6種橡膠瀝青的彈性恢復(fù)率隨橡膠粉種類及摻量的變化曲線。

圖5 橡膠粉種類和摻量對彈性恢復(fù)的影響曲線

從圖5可以看出：圈口胎膠粉和小車胎膠粉改性瀝青的彈性恢復(fù)率隨著橡膠粉摻量的增加而增大；其余4種橡膠粉改性瀝青的彈性恢復(fù)率隨橡膠粉摻量的增加而減小，其中雜膠粉改性瀝青彈性恢復(fù)率最小，低于40%。橡膠粉的加入會吸收瀝青中的輕質(zhì)組分，且發(fā)生溶脹作用，隨著溶脹作用的進行，膠粉顆粒增大，交聯(lián)作用逐漸增強，改性瀝青彈性恢復(fù)率增大[11]；而胎頂膠粉、鞋底膠膠粉和全胎膠粉中天然膠含量較高，吸收的輕質(zhì)組分較多，在較低摻量情況下已達到飽和狀態(tài)，隨著膠粉的繼續(xù)加入，膠粉不能充分溶脹，破壞了空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，造成其交聯(lián)作用減弱，使彈性恢復(fù)率減小。

2.5 橡膠粉種類及摻量對瀝青老化的影響

為了研究橡膠粉對改性瀝青老化性能的影響，本文選取了15%、20%、25%三種橡膠粉摻量的橡膠改性瀝青進行短期老化，通過測試橡膠改性瀝青老化前后軟化點和針入度的變化，研究橡膠粉的種類及摻量對改性瀝青短期老化性能的影響。試驗結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 軟化點差與摻量的關(guān)系

圖7 殘留針入度比與摻量的關(guān)系

由圖6、7可知：與基質(zhì)瀝青相比，橡膠粉的加入可以不同程度地降低改性瀝青老化前后的軟化點差；除了雜膠粉，其他膠粉的加入都能提高橡膠改性瀝青的殘留針入度比。

在短期老化試驗時，橡膠瀝青內(nèi)部的橡膠核發(fā)生劇烈的溶脹作用[12]，并且溶脹作用的程度大于基質(zhì)瀝青老化的程度，所以表現(xiàn)出軟化點差降低、殘留針入度比升高的現(xiàn)象。進一步研究可以發(fā)現(xiàn)：隨著膠粉摻量的增加，胎頂膠粉、圈口胎膠粉與全胎膠粉改性瀝青的軟化點差減小的速率和殘留針入度比增加的速率都較快，說明這3種橡膠改性瀝青的抗老化性能隨著膠粉摻量的增加而增強，其余3種橡膠改性瀝青的軟化點差和殘留針入度比的變化幅度都比較平緩，說明這3種橡膠粉的摻量對瀝青的抗老化性能影響不大。

3 結(jié) 語

橡膠粉的加入可以改善瀝青的高低溫性能，橡膠粉的種類對其改性效果有顯著的影響，NR含量較高的膠粉更容易與瀝青發(fā)生溶脹作用且與瀝青的相容性較好，對瀝青的改性效果相對其他膠粉更顯著。

不同種類橡膠粉對瀝青的抗老化性能的改善效果不同，NR含量高的橡膠瀝青在短期老化過程中的溶脹作用相比NR含量低的橡膠瀝青更為劇烈，故表現(xiàn)出更好的抗老化性能，并且隨著摻量的增加，橡膠瀝青中的溶脹作用也隨之增強，其抗老化性能進一步提高。

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