基于性能指标的废胶粉改性沥青改性机理研究

刘　丹　董明洁

(1.北京中环世纪工程设计有限责任公司　北京　100097；　2.泛华建设集团有限公司　北京　100053)

基于性能指标的废胶粉改性沥青改性机理研究

刘丹1董明洁2

(1.北京中环世纪工程设计有限责任公司北京100097；2.泛华建设集团有限公司北京100053)

摘要用废旧橡胶粉改性沥青既可以提高沥青及沥青混合料的路用性能，又能对废旧轮胎回收利用，变废为宝。文中分析了废胶粉改性沥青的物理改性机理，应用红外光谱(IR)分析其化学成分变化，研究其化学改性机理。通过对废胶粉改性沥青做沥青针入度、软化点、延度对比试验，证明废胶粉改性沥青对改善沥青延度指标具有显著效果，对其他2项指标也有一定程度的改善作用。

关键词废胶粉改性机理沥青路面性能指标

沥青路面由于具有优异的使用性能和良好的行车舒适性，而且修建速度快，养护方便，因此，沥青己经成为路面的主要建筑材料之一，需求量与日俱增。同时，随着我国交通运输行业的快速发展，各型汽车的保有量持续上升，废旧轮胎作为固体废弃物的处治问题己成为人们关注的重大环保课题。因此，用废旧橡胶粉改性沥青既可以提高沥青及沥青混合料的路用性能，又能使废旧轮胎变废为宝，解决环保难题，是一件一举多得的好事。加拿大、美国很早就开始铺筑混有橡胶粉末的改性沥青路面结构。近些年我国对胶粉改性沥青也开展了一些研究工作。江苏省交通科学研究院股份有限公司的吴春颖[1]等人依托贵州省道S305线大修改造工程，以废胶粉改性沥青作为再生剂对旧沥青路面再生技术进行应用研究，验证了废胶粉改性沥青作为再生胶结料具有优越性的路用性能；东营市公路勘察设计院的贾宏伟，王成军[2]通过试验研究了废橡胶粉改性沥青的路用性能；李波，李艳博[3]等通过疲劳试验、间接拉伸劲度模量试验与弯曲梁流变试验、动态剪切流变试验、韧性指标试验和半圆弯曲试验对比了胶粉改性沥青与SBS改性沥青及其混合料的路用性能。研究结果表明：废胶粉改性沥青要达到与SBS改性沥青相同性能至少需要2倍的废胶粉掺量；废胶粉掺量较高的改性沥青具有比SBS改性沥青混合料更高的弹性；随着废胶粉掺量的增加，废胶粉改性沥青抗裂的性能增强。本文借鉴以往和现在的研究成果，对废旧橡胶粉改性沥青及沥青混合料进行了探讨和研究。

1　废胶粉改性沥青改性机理

1.1物理改性机理

废胶粉加入沥青中后，吸附沥青中的轻组分进而溶胀。废胶粉溶胀的同时，其表面的部分高分子链逐渐扩散到沥青基质中，还有少数高分子残链和链长较短的高分子脱离废胶粉溶解于沥青中。沥青中的轻质组分逐渐渗透进废胶粉的高分子网络中，并与高分子链构成界面层。在分子力长程效应下，界面层的外围吸附沥青中的胶质并形成界面过渡层[4]。界面过渡层与沥青中的胶质和沥青质的外层有亲和作用。在高温作用下，由于分子热运动的影响，使沥青中的胶团与废胎胶粉表面的界面层通过界面过渡层紧紧地结合为一体。在胶粉表面结合处(节点)，胶团填补了废胶粉的网络结构，从而形成了废胎胶粉和沥青连续或相互交错的三维空间网络结构。改性机理的物理模型见图1。

图1　改性机理的物理模型

三维空间网络结构的“节点”形成局部应力吸收中心，当外力作用时，要克服空间网络“节点”的阻力才可以作用到沥青分子，使废胶粉改性沥青的低温松弛能力和高温变形受阻能力加强，从而改善废胶粉改性沥青的低温和高温性能。

1.2化学改性机理

废胶粉改性沥青改性前后红外光谱(IR)发生了变化，见图2，说明了废胶粉与沥青之间存在化学反应。废胶粉的化学改性作用机理表现在如下几个方面。

(1) 废胶粉的解聚和脱硫。与废胶粉溶胀过程同时发生的还有橡胶分子的降解和废胶粉颗粒的脱硫过程。在高温搅拌时，废胶粉中的网状大分子结构发生一定程度的氧化解聚，形成大量的小型网状结构体和部分链状结构，从而具有一定的塑性和粘性，但同时原有橡胶的弹性也会降低。

(2) 沥青胶体结构组成的变化。废胶粉可以吸附沥青中的轻组分，这些吸附的轻组分经过渗透，扩散进入橡胶网络，与游离的油蜡相结合，从而有效地降低沥青中游离的蜡含量，组分含量的变化使得含高蜡的沥青从溶胶结构变为溶-凝胶型结构。

(3) 废胶粉中化学物质的改性作用。废胶粉是由弹性体(人工合成橡胶和天然橡胶)、硫化剂(过氧化物、硫等) 、充填物、硫化活化剂(硬脂酸等)、油分、增固剂(炭黑)、增塑剂和添加剂(抗臭氧剂、抗氧化剂等)组成。在与沥青的高温混溶过程中，部分废胶粉颗粒会发生脱硫和解聚过程，沥青与胶粉颗粒发生物质交换，橡胶颗粒中的炭黑、硫、氧化铁、氧化硅等活性物质进入沥青胶体中，起到改善沥青低温性能、温度敏感性及耐老化性的作用。

图2　胶粉改性沥青红外光谱图

2　废胶粉掺量对沥青性能指标的影响

在研究废胶粉作为沥青混合料的改性剂对改性沥青3大性能指标影响过程中，采用70号沥青，废胶粉细度为80目，分别选取废胶粉掺量在0，5%，10%，15%，20%时，试件的针入度(试验条件：25 ℃，荷重100g，贯入时间5s)、软化点、延度(试验条件：5 ℃，5cm/min)的变化情况，试验结果见表1及图3～图5。

表1　不同废胶粉剂量的改性沥青性能指标试验结果

图3　不同废胶粉剂量的改性沥青针入度试验结果

图4　不同废胶粉剂量的改性沥青软化点试验结果

图5　不同废胶粉剂量的改性沥青延度试验结果

由图3、图4、图5可见，废旧橡胶粉掺量对改性沥青3大性能指标影响程度存在明显差异：废胶粉掺量对沥青的延度影响程度最高。以废胶粉掺量为0%的试验组作为对照组，随着废胶粉掺量从5%逐渐增加至20%，试验温度为15，25，30 ℃时，沥青针入度均是先降低后升高，在废旧沥青掺量为15%时达到最低值，其中，试验温度为15 ℃时针入度最大降幅为9.09%，试验温度为25 ℃时针入度最大降幅为5.68%，试验温度为30 ℃时针入度最大降幅为9.15%。从图4中废胶粉掺量对软化点的影响看出，当废胶粉掺量为15%，t800，t1.2达到极值，t800增幅为5.64%，t1.2降幅15.76%。从图5中废胶粉掺量对延度的影响看出，当废胶粉掺量为15%，延度达到极大值，3组平行实验增幅分别为80.00%，78.57%，62.50%，比未掺加废胶粉的沥青延度平均增长73.69%。

收稿日期：2015-04-24

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.035