橡胶沥青及橡胶沥青混合料水稳性研究

2011-04-17孟景馨

科技传播 2011年8期

孟景馨

湖北工业大学，湖北武汉 432200

0 引言

随着我国的经济快速发展，我国汽车拥有量越来越多，但随之而来的承受的环保压力，据统计，一般来说，每一辆车的寿命只有11年～12年，而轮胎寿命确仅有2年～3年，每一个轮胎需要30kg～40kg橡胶，平均下来，一辆车每年产生10kg废旧轮胎。我国在2004年废旧轮胎的产生量已经超过了1.12亿条，预计到2011年将会超过2亿条，可见废旧轮胎已经成为最大的固体废物来源。

自改革开放至今，是我国公路建设历史上发展最快的时期。随着我国汽车工业的飞速发展，作为废旧轮胎的数量也随之增加，已成为目前人们社会关注的重大环保课题。而经过国内外的研究，在沥青中添加橡胶粉，制成分散均匀的改性沥青能够显著的提高沥青的各项性能。这就为废旧轮胎的处置提供一个新方案，因此，用胶粉改性沥青既能提高沥青及沥青混合料的路用性能，又能对使废旧轮胎资源再利用，解决环保难题，是件双赢的事情。本文借鉴国内外的研究成果，对胶粉改性沥青及沥青混合料的性能进行探讨和研究。

1 主要研究内容和技术路线

在他人的研究基础上，通过室内试验，使用废旧轮胎胶粉对沥青进行改性，并对橡胶沥青混合料水稳定性进行分析。具体研究内容如下：

1）探索废旧橡胶轮胎胶粉改性沥青机理，并探索橡胶沥青的基本本质；

2）利用室内试验研究改性过程中制备温度、改性时间、胶粉目数及胶粉掺量等不同因素影响下橡胶沥青性质的变化；

3）对橡胶沥青混合料水稳定进行研究，并分析不同的胶粉目数和胶粉掺量对橡胶沥青混合料水稳定性的影响。

根据以上的研究内容，所采取的技术路线如图1。

图1 技术路线图

2 胶粉与沥青改性机理与制备工艺

2.1 胶粉

胶粉是有废旧轮胎经过机械破碎而成，其成分主要为天然胶（NR）和丁苯橡胶等，其橡胶含量为55%左右。橡胶分可根据其生产工艺、及粒度大小和原料的来源进行分类。按胶粉的生产工艺可分为，常温碎粉，低温粉碎和常温化学法等，而最近正在探索和研究的方法有臭氧粉碎法、高压爆破法、高温超速粉碎法，助剂侵混破碎法、高压射击破碎法等。

胶粉的组成主要有天然橡胶（NR）和丁苯橡胶（SBR）等，其橡胶的含量有55%左右。天然橡胶的化学构成被看作异戊二烯的多聚体（C5H8），也有人认为，天然橡胶是由异戊二烯基聚合而成。关于天然橡胶的结构主要有两种说法，一是环状结构；另一种是线状结构。有人也认为天然橡胶是由4个或5个异戊烯基的环所组成，但是对于天然橡胶的胶体结构国内外尚无统一的看法，最近比较流行且一致的说法是目前天然橡胶具有链状结构。

丁苯橡胶是有丁二烯和苯乙烯的共聚物，其玻璃化温度为60℃，与SBS同族，其差异仅为丁二烯的含量不同。有人利用维茨法测定的丁苯橡胶的不饱和度，并不超过理论的89%，这说明这表明聚合物结构中含有支链，并且分子链还带有横键。

2.2 胶粉沥青改性机理

目前认为轮胎胶粉改性沥青的主要有以下几种机理：胶粉改善沥青流变性，胶粉在沥青中的溶胀及相容性机理，胶粉的增强作用机理。重庆交通大学认为以上理论在胶粉与沥青相互作用都有可能存在，只是发生的时间和程度有所不同。并提出胶粉与沥青的改性机理为沥青和胶粉共混初期的溶胀和混溶到一定阶段的新胶体结构的形成。胶粉作为改性剂加入到沥青中，在沥青轻质组分的作用下，胶粉体积会变大，即发生了溶胀，胶粉发生溶胀后界面性质发生了变化，使得胶粉与沥青发生界面作用，致使二者不会发生分离。也使得沥青质形成了另外一种形式的胶体结构，组分比例发生了变化，从而使得沥青的性能得到了改善。并使得胶粉改性沥青既非全新的材料，也不是沥青结构的重复，而是一种具有原沥青和胶粉特点的新结构。

而鉴于橡胶改性沥青的良好性能，对橡胶沥青的微观结构的变化进行分析，进而阐述橡胶改姓沥青机理，而目前的研究认为橡胶沥青主要具有4种微观结构：

1）胶体的结构改性

沥青中加入的胶粉能吸附沥青中的某些组分，沥青中与改性剂结构相似的轻组分（主要是油蜡）经过渗透、扩散进入橡胶网络，橡胶结构发生溶胀现象，这便能显著的降低游离蜡含量，沥青组分的变化使得含蜡量很高的沥青的胶体结构从溶胶结构转变为溶-凝胶型结构，沥青的感温性显著下降，其他各项指标也得到明显的改善，表现为沥青的针入度增大，软化点升高，沥青升温过程中的相变吸热峰下降明显，粘温Arrhenius 方程中粘流活化能减小。

2）相容性改性

由于橡胶和沥青内部的分子组成不同，其化学结构上存在着很大的差异，属于热力学上的相容性不好的体系。Maccarrone 认为橡胶在沥青中的理想状态是细分布但并非完全溶解，橡胶在沥青中均匀的分散，成丝状体系能与沥青质胶团分布于沥青油分中，便会构成了一个稳定的且不发生相分离的相容体系，此时油蜡组分因与橡胶的溶度参数相近便会缓慢地扩散进入橡胶链段的空隙中，即使的橡胶链段松动、脱离以至溶解。国内外很多专家学者都曾对不同来源的沥青与各种橡胶进行过相容性研究，认为各种类的沥青因其组分含量不同而与橡胶胶粉的相容性不同，相容性好的体系其沥青性能指标优于相容性差的体系。

3）橡胶的增强作用改性

橡胶胶粉在沥青中的体积小数量多，其在低温时可产生很大的高度的应力集中，诱发大量的银纹及剪切带，而且可以在诱发过程中耗散大量的能量，故橡胶沥青拥有很好的抗冲击性能及可塑性，而橡胶粒子较大时能防止单个银纹的生长和断裂，胶粉颗粒不致于很快发展为破坏性裂纹，这个特性能大大改善沥青的低温柔韧性。

2.3 橡胶沥青的制备工艺

橡胶沥青制备工艺分为干法（Dry process）和湿法（Wet process）两类，干法是将胶粉直接掺入沥青混合料拌和锅中进入拌和，胶粉掺加量一般为沥青混合料的2%～3%左右，此工艺是是将废旧橡胶颗粒充当集料使用。湿法是将胶粉先在160℃～200℃的热沥青中充分混融，通过机械能和热能及化学的方法，使胶粉降解溶胀，胶粉的添加量一般为沥青量的15%～20%。湿法工艺又包括物理混合法（溶胀法）及化学改性法，而化学改性工艺一般很难控制，故现在采用的多是溶胀法。

干法和湿法的主要区别如下：

1）干法采用的橡胶颗粒尺寸一般为1.0mm～6.3mm，而湿法采用的橡胶粉的粒度比较细，通常在0.1mm以下，因而干法所使用的胶粉在加工工艺上要求比较低，工艺简单，成本相对较低；

2）干法中的胶粉颗粒一般占沥青混合料的2%～3%左右，消耗的胶粉量比较多。干法在使用过程中主要是作为集料的部分，对沥青的改性作用不是很大，而在湿法工艺中，橡胶粉主要是作为对沥青的改性剂使用，以起到改善沥青性能的作用；

3）在沥青拌合过程中，干法直接加入拌合锅内。不需要特殊的装备，而湿法工艺则对装备及施工流程控制比较严格，需要专门的施工管理。

虽然从耗能、工艺管理方面看，干法工艺比较易于推行，但由于干法不能改性沥青，有此法得到的橡胶沥青混合料路用性能没有太大的改善，而且胶粉在投入拌合锅内由于重量较轻而聚集到上部，很难充分均匀的与沥青混合料拌合，故目前国内外多采用湿法工艺生产橡胶沥青。

3 原材料与试验方法研究

3.1 原材料

3.1.1 基质沥青

本组试验选用的基质沥青是中石化（Sinopec Group）-90重交沥青，以下简称SG-90。

3.1.2 胶粉

本文采用的废旧橡胶粉是国内生产的废旧轮胎胶粉。胶粉符合表3的物理指标和化学指标要求：

橡胶胶粉化学指标

表2 橡胶胶粉物理指标

3.2 试样制备与测试

胶粉改性沥青是胶粉均匀的分散在沥青中而形成一种悬浮液，从而使沥青的胶体结构发生改变，赋予沥青新的性质，这也是废旧橡胶胶粉改性沥青的主要机理。利用胶粉改性沥青虽然工艺比较简单，但是在制备过程要严格遵循设计环节，才能保证橡胶沥青的性能。胶粉改性沥青的环节如图2所示。

图2 橡胶沥青生产流程

进过研究，在胶粉改性沥青之前，需要对胶粉和沥青做一些准备工作，主要包括：

1）胶粉在添加之前需要除去水分，但胶粉在烘干时一定要把握温度，温度太低，胶粉的水分去除不彻底，而胶粉温度太高时，可能会破坏胶体的网络结构；

2）由于橡胶沥青不容易保存，所以一旦橡胶沥青制备完成，需要立即对其各项指标进行测试，以免橡胶沥青性质改变；

3）胶粉在加入热的沥青中时，要边搅拌边加入，而且加入速度要放缓，以免沥青溅出；

4）沥青在高速剪切搅拌时，速度要有慢到快，使转速逐渐稳定，同时需要时刻控制搅拌温度，以防温度太高造成胶粉结构改变和沥青的老化。

3.3 橡胶沥青的指标

橡胶沥青改性后的，沥青的性质即发生了变化，由于与其他改性沥青的改性机理存在差异，一些评价普通沥青与评价改性沥青的指标可能不太适用，本研究经过分析国内外的研究成果，选取软化点、针入度、延度、弹性恢复指标。

1）软化点指标测定（环与球法）

沥青是非晶体指标，并无确定的熔点，软化点是将沥青试样注于规定尺寸的铜环内，其上放置一规定质量（3.5土0.05）9的钢球，以5℃/min的升温速度加热，沥青软化，钢球从沥青试样中沉落至规定距离的底板时的温度，以℃表示。道路沥青的软化点表示在一定的外力存在下，沥青受热从固态或粘稠不易流动的物态转变为具有一定流动能力的物态的温度。软化点实质上反映沥青的粘度，与沥青的标号有关，是一种条件粘度，即在等粘度条件下以温度表示的一种粘度。软化点反映沥青的温度敏感度，一般为，软化点高，则其等粘温度也高，温度稳定性也好，或者说热稳定性好。

2）针入度

反映沥青的流变学性能，实质上表示的是测试温度下沥青的粘度针入度用以划分沥青的标号。针入度越小，表示沥青的稠度越大；反之，则稠度越小。针入度是在规定的温度、附加荷重和荷重作用时间的条件下，标准针贯入沥青中的深度，以0.1mm表示。通常如不特别注明，则温度为25℃，附加荷重为（100±0.1）g，贯入针时间为5s。但有时也可以变化温度、荷重或贯入时间。本次试验温度分别为25℃。

3）延度测试

延度是沥青在一定温度下，按一定速度拉伸至沥青断裂的长度，以cIn记。

通常试验温度为25℃、15℃或5℃。而我们本次试验为测得低温性能指标，延度反映沥青条件延性的指标。沥青的延性是当其受到外力的拉伸作用时，所能承受的塑性变形的总能力。延度越大，沥青的柔韧性越好。如在低温下延度越大，则沥青的抗裂性越好。沥青延度与其粘度、组分有密切关系。一般来说，延度大的沥青含蜡量低，粘结性和耐久性都好；反之，含蜡量大，延度小，粘结性和耐久性也差。因此，延度是表征沥青性质的重要指标。

4）粘度

沥青的粘度指标可以评价沥青的高温性能，而目前粘度仪器的原理是将已知表面积的转子浸入试样管之沥青中，以固定速度旋转时，即对沥青试样产生一固定剪应变率，此时试样对此种转动速率的阻抗力大小，经由仪器内部的扭力弹簧测得，经由适当换算成为造成转动所需的剪应力，剪应力除以剪应变率即为沥青试样的粘度。在固定温度下，以不同转速测得沥青试样的粘度，用简单线性回归，可求得沥青试样的粘度。

5）弹性恢复

弹性恢复主要用来评价热塑性橡胶类聚合物改性沥青的弹性恢复性能。即测定用延度试验仪拉长一定长度后的可恢复变形的百分率。弹性恢复指标作为评价改性沥青性能的新指标己被广泛使用，并己经增补列入我国的《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ051-2000）中。弹性恢复性能指标用来反映改性沥青弹性性质增加的程度。弹性好的沥青在外力作用下所产生的变形能够逐渐恢复，所剩的永久变形较小，因此弹性恢复可以衡量路面受力后变形的恢复能力。沥青的弹性恢复能力的提高可以减小荷载作用的残余变形，减少路面的损坏。

4 试验结果及分析

通过分析，橡胶沥青在改性过程中，控制搅拌时间对沥青改性效果非常重要，经过实验得出以下结论：

1）经过实验研究，橡胶沥青的搅拌时间对沥青的各项性能均有改善，并存在着合理的搅拌时间，橡胶沥青的最佳搅拌时间应充分考虑胶粉的类型和橡胶沥青的改性目的；

2）搅拌时间对沥青改性效果的影响主要是胶粉中溶胀反应和脱硫降解的反应占据的主导作用不同引起的，在一定的范围内，随着搅拌时间的增加，胶粉中的溶胀作用起主要的作用，此时橡胶沥青的性能随搅拌时间的增加越来越好，当超过一定范围后，橡胶沥青的性能随搅拌时间的增加反而越来越差。

5 橡胶沥青混合料水稳定性分析

根据国内外的研究，橡胶沥青混合料的高温性能、低温性能均有不同程度的提高，但其水稳定性能确不尽人意。沥青的水稳定性是指沥青路面抵抗水损害的能力，而沥青路面水损害则是指沥青路面在水或者冻融循环的作用下，经过车辆重复的荷载作用，进入路面空隙的水在真空负压力的反复抽吸循环作用下水分逐渐进入沥青与集料的界面，使得沥青粘附性降低并使沥青结合料逐渐丧失粘结能力，沥青混合料出现掉粒，松散，继而沥青路面出现了松散、坑槽等水损害现象。

5.1 试验方法研究

5.1.1 浸水马歇尔试验

此试验方法是我国现行规范规定的评价沥青混合料水稳定性的方法，其试验过程如下，试件分两组：一组在60℃水浴中保养0.5小时后测其马歇尔稳定度S1；另一组在60℃，水浴中恒温保养48小时后测其马歇尔稳定度S2，计算残留稳定度S0=x100。

5.1.2 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验是模拟实际路面上受到的水的影响集中、强化的作用。其饱水过程包括真空饱水、冻融和高温水浴等3个过程。将试件分两组：一组在25℃水浴中浸泡2小时后测试劈裂强度R1；另一组先在25℃水中浸泡2小时，然后在0. 09MPa浸水抽真空15min，再在-18℃冰箱中置放16小时，而后放到60℃水浴中恒温24小时，再放到25℃水中浸泡2小时后测试其劈裂强度R2；计算其残留强度比：

R0=x100%