橡胶改性沥青制备与改性机理研究
来源:用户上传
作者:黄振华
摘要：为研究橡胶沥青制备影响因素及其改性机理，文章采用正交试验设计方法，分析了基质沥青标号、橡胶粉目数及橡胶粉掺量3个因素对改性沥青性能的影响，并采用推荐材料掺量进行红外光谱试验及扫描电镜试验，研究橡胶改性微观机理。结果表明：针入度、软化点及5 ℃延度受三个因素影响程度排序一致，均为橡胶粉掺量＞沥青标号＞橡胶粉目数；根据沥青性能试验结果变化特征，橡胶改性沥青制备推荐参数为70#基质沥青、60目橡胶粉及22%橡胶粉掺量；根据微观机理分析可知橡胶改性过程中主要发生的为物理反应，未产生新的化学键，橡胶粉颗粒可在沥青中均匀分布，且被沥青重复包裹。
关键词：橡胶改性沥青；正交试验；红外光谱；扫描电子显微镜
中图分类号：U416.03-A-29-088-4
0 引言
经过数十年的高速发展，我国已经建成了十分发达的公路运输网络。根据交通运输部发布的《2020年交通运输行业发展统计公报》，截至2020年末，我国公路总里程已达到519.81万km，同比增长18.56万km，其中高速公路为16.10万km。沥青路面以其优良的行车舒适性、相对经济的新建维修养护成本、建成后开放交通时间短，已成为我国高等级公路及市政公路的主要结构形式。但是沥青路面长期在交通荷载和自然环境作用下已出现疲劳开裂、车辙拥包、松散剥落等病害，从而降低了沥青路面的使用性能及服役寿命。同时，随我国社会经济的发展，汽车行业也得到高速发展，根据国家统计局公布数据，截至2020年我国民用汽车保有量已经超过2.7亿辆。巨大的汽车保有量产生大量的废旧弃用的橡胶轮胎，造成了严重的环境污染。
相关研究表明，橡胶、SBS、丁苯胶乳等聚合物改性沥青可以提高沥青混合料的路用性能。因此，如何利用橡胶轮胎制备橡胶改性沥青提高沥青混合料路用性能成为道路研究者的研究重点。美国从20世纪80年代便开始将废弃轮胎制备的胶粉用于沥青改性并展开工程应用；我国交通运输部在2007年将“废旧橡胶粉筑路应用技术”作为重点研究和推广应用项目进行了示范和宣传。我国大量学者也对橡胶改性沥青技术及橡胶沥青混合料进行大量研究，何志俊［1］对SBS/橡胶粉复合改性沥青进行研究，发现当橡胶粉掺量超过13%时，改性沥青黏度过大不易于施工；郭琦等［2］对不同等级的基质沥青改性沥青进行黏弹性、弹性恢复试验发现高标号沥青改性效果较好，AS90#沥青的最佳胶粉掺量为22%；蕾等［3］对三种不同脱硫胶粉改性沥青进行室内试验，发现脱硫胶粉改性沥青高温稳定性有一定下降，但是水稳定性能得到明显提升。
综上所述，橡胶改性沥青是道路工作者的重要研究方向。橡胶沥青混合料具有良好路用性能且可实现废弃橡胶的“废物利用”，本文将从基质沥青标高、胶粉掺量及胶粉目数三个因素展开胶粉改性沥青制备方法研究及改性机理分析。
1 原材料
1.1 沥青
基质沥青选用东海牌50#、70#、90#三种不同标号的沥青，其常见性能指标见表1。
1.2 橡胶粉
胶粉采用斜交胎磨细的40目、60目、80目橡胶粉，其主要性能指标见表2。
2 橡胶改性沥青制备
2.1 橡胶改性沥青制备
橡胶改性沥青制备工艺分干法及湿法两种，干法制备是将橡胶粉与集料搅拌混合均匀后，再加入沥青制得沥青混合料；湿法制备是指将橡胶粉加入沥青中制得橡胶沥青后，再与矿料拌和。本文以橡胶改性沥青为研究对象，因此采用湿法工艺制备橡胶改性沥青，其制备过程如下：将基质沥青加热至170 ℃，然后掺入定量橡胶粉，采用玻璃棒搅拌30 min，再用高速剪切机剪切60 min，最后再放入150 ℃烘箱中静置发育，排出气泡。
2.2 正交试验设计
橡胶改性沥青制备过程中考虑基质沥青标号、橡胶粉目数及掺量对改性效果影响，考虑全因素试验方法工作量较大，拟采用正交试验设计方法进行改性沥青制备研究。L9（33）正交试验因素及水平见表3。
2.3 橡胶改性沥青性能分析
基于正交试验方案，对制备好的沥青进行针入度、软化点及延度试验，试验结果见表4。
和值分析法是对相同水平下试验结果进行算术求和，用求和结果分析该水平对试验结果指标的影响。本文采用和值分析法对橡胶改性沥青的改性效果进行分析。
2.3.1 针入度
各因素对橡胶粉改性沥青针入度影响结果见图1。
由图1可知：随基质沥青标号及橡胶粉掺量的提高，橡胶改性沥青针入度和值逐渐降低，基质沥青为90#时，降低最明显，这是因为随标号提高，基质沥青本身黏度及针入度也在降低，另一方面橡胶沥青改性过程中，胶粉颗粒吸收了沥青中大量的轻质组分，并溶胀发育，黏度增加，使沥青“变硬”，因此表现出针入度和值减小现象。
随橡胶粉目数增大，针入度和值出现先增加后减小趋势，这可能是因为随橡胶粉目数增加，橡胶粉比表面积增大，吸收大量轻质组分后溶胀更充分，沥青表现为“更软”，而随着橡胶粉颗粒比表面积再增大，吸收轻质组分过多，沥青中沥青质含量相对增加，沥青表现为“变硬”，针入度和值下降。
2.3.2 软化点
各因素对橡胶改性沥青软化点影响结果见图2。
由图2可知：随着基质沥青标号、橡胶粉掺量及橡胶粉目数三个因素的水平提高，改性沥青软化点和值增加，沥青高温性能改善。一方面，随基质沥青标号提高，沥青软化点升高；另一方面随橡胶粉掺量增加，橡胶粉目数增大，橡胶粉吸收了沥青中更多的轻质组分，胶质和沥青质含量相对提高，因而沥青软化点升高。
2.3.3 5 ℃延度
各因素对橡胶改性沥青5 ℃延度影响结果见图3。
由图3可知：随基质沥青标号增大及橡胶粉掺量增加，橡胶改性沥青5 ℃延度和值增大，这是因为随基质沥青标号增大，基质沥青的延展性更好；随橡胶粉掺量增加，胶粉在沥青中不断发生溶胀，沥青延度得到持续提高，因此沥青延度增加。
nlc202211181635
随橡胶粉目数增加，改性沥青5 ℃延度和值先增加，后略微下降，这可能是因为随橡胶粉目数增大，胶粉颗粒比表面积增大，吸收了大量的轻质组分，而沥青中的轻质组分有限，胶粉无法溶胀而在沥青中形成聚团分布，导致沥青延度降低。
2.3.4 影响程度分析
采用SPSS软件对表4试验结果进行方差分析，结果如表5所示。
由表5可知，三因素对针入度、软化点及5 ℃延度影响程度排序一致，由大到小排序为：橡胶粉掺量＞沥青标号＞橡胶粉目数。结合前文各因素水平对沥青性能影响趋势，推荐70#基质沥青、60目橡胶粉及22%橡胶粉掺量为橡胶改性沥青制备材料参数，制备橡胶沥青为后续试验选用。
3 橡胶改性沥青机理分析
橡胶改性沥青的改性过程较为复杂，前文通过改性沥青性能研究，探讨了原材料因素对改性效果影响，本节拟通过红外光谱试验及原子力显微镜试验对70#基质沥青、60目橡胶粉及前文制备的推荐橡胶改性沥青M行分析，探讨橡胶改性沥青机理。
3.1 红外光谱试验分析
红外光谱试验是利用红外光谱中吸收峰的特征来确定试验样品分子结构与官能团含量的一种微观分析方法。70#基质沥青、60目橡胶粉及橡胶改性沥青的红外光谱图分别如图4～6所示。
对图4～6分析可知，橡胶沥青改性过程主要以物理改性为主。对比橡胶改性沥青和基质沥青红外光谱图发现，改性前后，红外光谱图特征相似程度高，说明几乎没有发生化学反应；但基质沥青经过改性后，橡胶沥青在2 850～3 000 cm-1的吸收峰变化较小；而在2 250～2 500 cm-1处的吸收峰消失，说明官能团发生断裂；在1 250～1 500 cm-1波数处，吸收峰减弱，这是因为在橡胶沥青改性过程中，胶粉中的C=C双键在剪切作用下被打开，与沥青形成新的联合结构，因此在此范围内橡胶改性沥青的红外光谱吸收峰减弱［4］。由此可知，橡胶改性以物理改性为主。
3.2 扫描电子显微镜分析
为揭示改性过程中沥青在微观尺度上的变化，采用扫描电子显微镜（SEM）对基质沥青、橡胶粉及橡胶改性沥青进行观察。扫描图像见图7。
由图7可知，基质沥青放大后表面光滑，材料均匀，在局部位置有少量杂质；橡胶粉材料表面不均匀，有结团粘结现象，表面布满褶皱孔洞，颗粒粒径较大；橡胶改性沥青SEM图像显示橡胶粉在沥青中分布均匀，被沥青包裹不与沥青相容，且粒径减小。这可能是因为橡胶粉在高温剪切作用下发生裂解，成为小分子橡胶粉颗粒，这与前文红外光谱试验得出橡胶改性主要是物理改性的结论相符。
4 结语
本文针对橡胶沥青制备影响因素与改性机理研究，通过正交试验展开了性能试验及微观机理试验，得出以下结论：
（1）沥青标号、橡胶粉掺量及橡胶粉目数对改性沥青针入度、软化点及5 ℃延度影响程度一致，由大到小排序为：橡胶粉掺量＞沥青标号＞橡胶粉目数。
（2）根据沥青标号、橡胶粉掺量及橡胶粉目数对针入度、软化点及5 ℃延度影响趋势分析，得出橡胶沥青制备推荐材料参数为70#基质沥青、
60目橡胶粉及22%橡胶粉掺量。
（3）橡胶改性主要为物理改性，改性过程中未出现新的化学键，橡胶粉在改性过程中在高温及高速剪切条件下发生裂解，颗粒粒径减小，橡胶粉可在沥青中均匀分布，被沥青包裹。
参考文献
［1］何志俊.SBS/橡胶粉复合改性沥青高温性能研究［J］.山西交通科技， 2020（3）：8-9，16.
［2］郭 琦， 宋莉芳， 梁晓忠，等.废旧胶粉掺加量对基质沥青性能的影响［J］.公路， 2014（4）：194-197.
［3］张 蕾， 黄 勇， 吴将丰.脱硫胶粉橡胶沥青路用性能评价［J］.公路交通科技（应用技术版）， 2019（9）：59-62.
［4］季 节， 董 阳， 杨跃琴，等.不同温拌剂对橡胶沥青性能的影响［J］.中国石油大学学报（自然科学版）， 2020， 44（6）：133-140.
作者简介：
黄振华（1987―），工程师，主要从事公路桥梁建设工作。
nlc202211181635
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15442366.htm
