橡胶粉-石油沥青交联机制及高温流变特性

韦正鹏, 刘富强

(1. 甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司, 兰州 730030; 2. 甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司, 兰州 730030;3. 河北大学建筑工程学院, 保定 071002; 4. 河北大学河北省土木工程监测与评估技术创新中心, 保定 071002)

沥青混凝土路面通车服役期间,往往会出现高温车辙、低温开裂、水损害、耐久性不足等问题。同时随着中国工业和经济的快速发展,车辆保有量逐年增加,废弃的车辆轮胎急剧增加,给环境治理带来巨大挑战。

道路工程从业者为改善沥青路面服役期间存在的工程问题,同时兼顾考虑绿色、环保等理念,将汽车轮胎通过加工制备出橡胶颗粒、橡胶粉等形式应用于制备橡胶改性沥青,并对制备的各种橡胶改性沥青的性能进行表征。

基于中外研究现状分析可知,尽管很多学者对橡胶改性沥青的制备、橡胶改性沥青及其混合料的性能进行了一系列研究,但橡胶粉改性沥青的性能会受到橡胶粉类型、颗粒大小、制备工艺等多因素的制约,橡胶粉-石油沥青的交联机制有待进一步深入研究。现采用基本性能、动态剪切流变和傅里叶红外光谱试验(Fourier transform infrared,FTIR)对橡胶粉改性沥青的高温流变性能及两种材料之间的交联机制开展研究。

1 材料与试验

1.1 材料

1.1.1 橡胶粉

橡胶粉采用40目废弃轮胎橡胶粉,40目橡胶粉基本物化指标如表1所示。

表1 橡胶粉的基本物化指标Table 1 Basic physical and chemical indexes of rubber powder

1.1.2 基质沥青

采用橡胶粉对基质沥青进行改性,基质沥青选择SK-90#基质沥青,其基本技术指标如表2所示。

表2 SK-90#基质沥青的基本性能Table 2 Basic performance of SK-90# matrix asphalt

1.1.3 橡胶粉改性沥青的制备

采用橡胶粉对SK90#基质沥青进行改性,橡胶粉改性沥青的制备工艺如图1所示。

图1 橡胶粉改性沥青的制备Fig.1 Preparation of rubber powder modified asphalt

1.2 试验方法

1.2.1 基本性能试验

橡胶粉改性沥青的基本性能(针入度、软化点和5 ℃延度)按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行测试,测试试验如图2所示。

图2 基本性能试验Fig.2 Tests of basic performance

1.2.2 动态剪切流变试验

采用Anton paar MCR-102型动态剪切流变试验仪(图3)对基质沥青、SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青的黏弹性进行研究。试验条件为:应变8%,角速度10 rad/s,扫描温度分别为46、52、58、64、70、76、82 ℃。

图3 DSR试验Fig.3 Test of DSR

1.2.3 FTIR

采用Nicolet iS 10傅里叶变换红外光谱仪(图4)对制备的橡胶粉改性沥青、基质沥青和SBS改性沥青的官能团变化规律进行研究,采用的光谱范围为400 ～ 4 000 cm-1,分辨率为0.4 cm-1。

图4 红外光谱试验仪Fig.4 Fourier transform infrared spectrometer

2 试验结果与分析

2.1 基本性能

基质沥青、橡胶粉改性沥青和SBS改性沥青的三大指标(针入度、软化点和5 ℃延度)试验结果如图5所示。

基于基质沥青、橡胶粉改性沥青和SBS改性沥青基本性能试验结果可知,基质沥青针入度值分别较SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青增大49.63%和86.44%,橡胶粉改性沥青的针入度较SBS改性沥青减小19.74%,表明橡胶粉改性沥青较基质沥青和SBS改性沥青具有更高的模量;基质沥青软化点分别较SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青减小39.32%和24.28%,橡胶粉改性沥青的软化点介于基质沥青和SBS改性沥青之间,且橡胶粉改性沥青软化点较SBS改性沥青减小19.86%;橡胶粉改性沥青的5 ℃延度分别较SBS改性沥青和基质沥青减少21.13%和49.32%。针入度和软化点试验结果显示橡胶粉改性沥青的抗低温开裂性能介于基质沥青和SBS改性沥青之间,但从5 ℃延度可知,橡胶粉改性沥青的抗低温开裂性能较基质沥青和SBS改性沥青差。

废弃轮胎制备所得橡胶粉材料具有良好的耐高温性能,将其应用于沥青改性,可有效改善沥青的高温稳定性。但从上述试验结果可知,针入度和软化点得出的结果与5 ℃延度所得结果不一致。导致该试验结果的原因可能是橡胶粉可有效改善沥青的高温稳定性和小变形范围内的低温抗开裂性能,因为沥青路面在车辆荷载作用下使沥青路面材料挤压变形,路面部分区域受到很大的压应力,部分位置受到拉应力,橡胶材料具有良好的变形性能,可有效中和部分压/拉应力,但若变形过大(如5 ℃延度试验产生的拉伸变形),橡胶粉在抗低温开裂方面的优势将会消失。

2.2 高温流变性能

SK90#基质沥青、SBS 改性沥青和橡胶粉改性沥青的动态剪切流变试验结果如图6所示。

图6 DSR试验结果Fig.6 Test results of DSR

图6(a)显示随着温度的升高,基质沥青、SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青的复数模量逐渐减小,这是因为复数模量表征沥青材料最大剪应力与最大剪应变的比值,具有显著黏弹性特性的沥青材料随温度的升高,材料最大剪应力减小,最大剪应变增大,导致复数模量逐渐减小。相同温度下,橡胶粉改性沥青的复数模量最大,基质沥青的复数模量最小,说明橡胶粉改性沥青的高温稳定性显著优于基质沥青,同时也优于SBS改性沥青。从试验结果可知,当温度在46～52 ℃时,橡胶粉改性沥青和SBS改性沥青的复数模量比较接近,但显著优于基质沥青,当温度高于64 ℃时,3种沥青的复数模量差异不是非常显著,但橡胶粉改性沥青的复数模量仍然明显大于其他两种沥青。

由图6(b)可知,随着温度的升高,3种沥青的相位角逐渐增大,其中橡胶粉改性沥青和基质沥青变化比较均匀,SBS改性沥青在64 ℃后,相位角显著增大,然后变化幅度减缓。相同温度下,基质沥青的相位角最大,橡胶粉改性沥青最小,其中当温度介于46～64 ℃时,SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青的相位角值差异不显著,当温度高于64 ℃时,两者差异逐渐增大,但基质沥青和SBS改性沥青的相位角逐渐靠近。相位角是表征材料应力与应变之间的延迟,从试验结果可知,基质沥青黏性最显著,橡胶粉改性沥青表现出显著弹性特性。

基质沥青、SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青的车辙因子变化规律与复数模量的变化规律相似,即随着温度的升高,车辙因子逐渐减小,表明3种沥青在高温下抵抗车辙变形的能力均有所降低,但橡胶粉改性沥青高温下抵抗车辙的能力仍然优于其他两种沥青。从车辙因子试验结果可知,当温度在46～52 ℃时,橡胶粉改性沥青和SBS改性沥青的车辙因子比较接近,但显著优于基质沥青,当温度高于64 ℃时,3种沥青的车辙因子差异不是非常显著,但橡胶粉改性沥青的车辙因子仍然明显大于其他两种沥青。

2.3 FTIR分析

SK90#基质沥青、SBS 改性沥青和橡胶粉改性沥青的红外光谱试验结果如图7所示。

图7 FTIR试验结果Fig.7 Test results of FTIR

由试验结果可知,基质沥青在1 385.057 4、1 465.517 2、2 913.793 1 cm-1等处出现了明显的吸收峰,3处吸收峰分别为甲基—CH3剪式振动引起的吸收峰、—C—CH3及—CH2—中CH面伸缩振动产生的吸收峰、甲基—CH3反对称伸缩振动所致。橡胶粉改性沥青在1 371.647 5、1 465.517 2、2 833.333 3 cm-1等处出现了明显的吸收峰,3处吸收峰的变化趋势与基质沥青相似,只是吸收峰的强度更显著。主要区别在500～100 cm-1范围内,造成上述现象的原因可能为基质沥青被橡胶粉改性后,由于橡胶粉-石油基质沥青两种材料之间的物化复杂反应,在苯环取代区域出现更强的吸收峰。SBS改性沥青在1 452.205 8、1 465.073 5、2 854.779 4、2 931.985 2 cm-1等处出现了明显的吸收峰。吸收峰的位置与基质沥青、橡胶粉改性沥青相似,只是从试验结果可知,SBS改性沥青在相应位置的吸收振动峰显著强于基质沥青,但弱于橡胶粉改性沥青,可能是由于两种改性沥青中掺入了SBS和橡胶粉改性剂,改性剂与基质沥青之间发生了复杂的物化反应所致。

橡胶粉与沥青接触会发生物理溶胀、化学降解和脱硫等作用。橡胶粉颗粒会吸收沥青中的轻质组分(图8)并逐渐分散在沥青中,导致沥青的黏度增大。由于橡胶材料的高温敏感性弱于沥青材料,故可改善沥青的高温稳定性,同时橡胶材料具有良好的弹性,可一定程度缓解沥青路面在低温时的收缩应力和变形,减缓沥青路面出现低温开裂的程度。制备橡胶粉改性沥青时,需要高温高速剪切,在高温高速剪切过程中,橡胶材料中的大分子会发生降解和脱硫的作用(图9),改善橡胶粉和沥青之间的相容性,显著改善改性沥青的高低温和抗老化等性能。

图8 胶粉的溶胀模型Fig.8 Swelling model of rubber powder

图9 胶粉降解模型Fig.9 Degradation model of rubber powder

3 结论

(1)基于基本性能试验结果可知,橡胶粉可有效改善基质沥青的高温性能。但对于低温性能而言,针入度和软化点得出的结果与5 ℃延度所得结果不一致。要实现废弃轮胎生产橡胶粉在改性沥青方面的资源化利用,需平衡橡胶粉对基质沥青高、低温性能改善程度的不同。

(2)橡胶粉改性沥青的复数模量和车辙因子显著优于SBS改性沥青和基质沥青,同时橡胶粉改性沥青的相位角较其他两种沥青表现出更显著的弹性特性,进一步表明橡胶粉改性沥青可有效改善沥青的高低温性能,有效延长沥青路面的服役寿命和服务质量。

(3)基质沥青、SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青具有相似的吸收FTIR特征峰值,但橡胶粉改性沥青的峰值强于其他两种沥青,在特征峰值位置,SBS改性沥青显著强于基质沥青但弱于橡胶粉改性沥青,可能是SBS和橡胶粉两种改性剂与沥青之间发生复杂的物化反应所致。