等离子体微表处理后胶粉改性沥青高温性能研究

姚圣磊 陈 军 刘 继 肖飞鹏

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804； 2.中铁四局集团市政工程有限公司 合肥 230022)

废旧橡胶轮胎由于降解困难、周期长且污染环境，给社会环境造成了巨大压力。将废旧橡胶轮胎材料用于制备胶粉改性沥青并铺筑路面成为一种能够有效解决废旧轮胎去向的方式。橡胶沥青胶结料是一种较典型的感温性材料，尤其是在温度较高时，表现出明显的塑性流动，这也是导致橡胶沥青路面在高温下形成车辙的主要原因之一。故制备一种具有良好性能的胶粉改性沥青材料对于提高废旧轮胎回收利用率并实现节能环保规模化效益具有重大作用[1-2]。为改善胶粉和沥青之间的粘结性能和高温性能，常用化学方法和物理方法对胶粉表面进行改性处理。常用的化学方法是在胶粉表面接枝特定的官能团以改变胶粉表面性质，但是受其处理时间过长、效率低、难于精确控制、成本高等限制，物理方法的探究更加广泛。常用的物理方法有紫外放电、微波加热、臭氧处理、超声波清洗等。纵观近年来的研究成果，大部分物理方法研究效果不佳，缺乏系统定量的研究[3]。

等离子技术作为一种物理方法，已被广泛应用在其他生产领域中，它可有效提高材料的物理和化学性能。与其他方法相比，等离子技术具有处理过程简单，处理时间较短，处理充分且易于精确控制等优点。故若将这种成熟技术引用到胶粉生产工艺中，将为胶粉的微观表面及表面结构的粗糙度改性方面提供良好的技术支持[4-5]。为进一步扩大胶粉改性沥青的应用范围，加大资源回收再利用效率，改善胶粉改性沥青高温性能，拟采用低温等离子体技术对胶粉进行活化处理，分别通过接触角试验、扫描电镜技术、针入度试验、软化点试验、动态剪切流变试验对胶粉及其改性沥青性能进行研究。

1 低温等离子体技术

1.1 基本介绍

等离子技术是当前非常有效的一种表面处理办法。等离子体整体呈电中性，由电子、离子和中性粒子组成，被称为除气液固三态后的第四态。其可以在基质材料本体性能不变的情况下引起多种物理或化学反应，或引入含氧极性基团，或形成致密的交联层，或产生刻蚀而粗糙等，进而改善材料表面的生物相容性、粘结性、亲水性等，应用范围广泛。

1.2 等离子体技术处理流程

采用粒度胶粉铺满在正方形玻璃面板上，平稳地放入等离子体真空腔内；然后设置低温等离子体仪器处理参数，放电功率为250 W，处理时间为8 min，工作气氛为空气，处理后将胶粉取出，真空保存即可。对于低温等离子体机器的电源可以由直流或交流或脉冲模式驱动，使用的工作气体可以是空气，氩气、氦气、氧气、氮气或是它们的混合气体。

2 原材料性能

废旧轮胎橡胶粉采用粒度550 μm和380 μm 2种，常温撕裂粉碎工艺生产。采用激光粒度仪测量胶粉的粒径大小，其原理是通过颗粒的衍射或散射光的空间分布(散射谱)来分析颗粒大小。最终测得550 μm胶粉和380 μm胶粉的平均粒径分别为0.772 mm和0.390 mm。

用SK-70基质沥青，沥青分级为PG 64-22，根据JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求,其具体的性能测试结果见表1。

表1 基质沥青PG64-22性能测试表

3 试验与结果分析

3.1 接触角测试与分析

将一液滴滴入一固体水平平面上，在固-液-气三相交界点处，固-液界面和气-液界面的切线之间的夹角即为接触角，主要为表征液体对固体的亲润性能。通常认为若接触角<90°，则表面液体是可以湿润样本物质的，即表现亲水性，接触角越小，则亲水性越强；相反，若接触角>90°，则表现疏水性。采用接触角仪进行胶粉活化前后亲水性的变化，可以反映出胶粉的亲水性能变化，有利于探究胶粉与沥青结合性能的研究，以粒度550 μm胶粉为研究对象。

图1a)和图1b)分别为粒度550 μm胶粉处理前和处理后的接触角测量结果图，在处理前接触角测得为107.7°，即处理前的胶粉显示为疏水性。而由图1b)可知，处理后接触角为4.7°，表明经等离子体技术处理后的胶粉亲水性明显改善，表面亲水性基团如羟基、羧基等在表面形成，可加快液滴在胶粉表面铺展开，亲水性得到很大改变。

图1 处理前后接触角结果(粒度550 μm)

3.2 扫描电镜测试与分析

扫描电镜(scanning electron microscope, SEM)技术可以测出胶粉表面等离子体处理前后表面粗糙度和形貌的变化。本研究中采用扫描电镜仪器型号为Nano SEM 450，在电压为3.00 kV下进行图像观察，放大倍数为10 000倍，以粒度550 μm胶粉为研究对象。

图2a)和图2b)分别是等离子体处理前后粒度550 μm胶粉在10 000倍下的扫描电镜结果图。由图2a)可知，在处理前，胶粉表面相对光滑，较为清晰整齐；由图2b)可以看出，处理后的胶粉表面出现局部孔洞，而且出现层状结构，表面明显更加粗糙，微观表面出现了改变，表明经过等离子体技术处理后，胶粉表面刻蚀现象较为严重，这有利于提高胶粉和沥青有效接触面积，并促进胶粉和沥青的共混，进而改善胶粉改性沥青的性能。

图2 胶粉表面SEM扫描结果(10 000倍)

3.3 改性沥青高温性能试验与分析

采用湿法制备胶粉改性沥青，即将胶粉和沥青在高温下经过搅拌混炼而成。首先将基质沥青加热到177 ℃后，分别称质量比均为15%的粒度550 μm胶粉和粒度380 μm胶粉，边搅拌边均匀的加入到基质沥青中。当温度恢复到177 ℃后开始计时，在1 000 rad/min 搅拌速率下保持30 min，最终制备的胶粉改性沥青在室温下保存2 h后分别进行针入度、软化点和动态剪切试验。

1) 针入度实验。沥青针入度测试能够反映沥青稠度、软硬程度和抵抗剪切破坏的能力。针入度越大，表明沥青在高温时越软，即高温性能不足。测试结果见表2。

表2 等离子体技术处理前后胶粉改性沥青针入度测试结果表

由表2可见，对于粒度550 μm胶粉，经过等离子体处理后，针入度值降低11.07%。粒度380 μm胶粉，经过等离子体处理后，针入度值降低6.21%。

2) 软化点试验。软化点是沥青试件加热软化后下垂时的温度，该温度不宜过高或过低，否则沥青容易在冬季出现脆裂，在夏季出现融化。故其也是沥青高温性能表征的重要指标之一。测试结果见表3。

表3 等离子体技术处理前后胶粉改性沥青软化点测试结果表

由表3可见，对于粒度550 μm胶粉，经过等离子体处理后，软化点升高3.89%。而粒度380 μm胶粉经过等离子体处理后，软化点值升高5.84%。

3) 动态剪切试验。橡胶沥青具有比其他类型沥青材料更为复杂的高温流变特性，在抵抗路面高温变形的过程中发挥着重要作用。SHRP计划开发的动态剪切流变仪(DSR) 综合考虑了加载情况和温度对胶结料性能的影响，通过试验确定橡胶沥青的相位角δ、复数模量G*，并计算车辙因子G*/ sinδ来评价橡胶沥青胶结料的高温性能。车辙因子越大，其高温下抵抗剪切变形的能力越强，高温稳定性越好，动态剪切测试结果见表4。

表4 等离子体技术处理前后胶粉改性沥青车辙因子结果表

由表4可见，对于粒度550 μm胶粉，在不同高温(64，70，76 ℃)条件下，处理前的胶粉改性沥青车辙因子分别为11.14，6.18，3.50 kPa，而在处理后车辙因子分别为13.36，7.52，3.85 kPa，提高比例分别为19.9%，27.7%，8.8%，即高温性能得到明显改善，改善最佳的是在70 ℃时，其次是64 ℃和76 ℃时。对于粒度380 μm胶粉，在不同高温(64，70，76 ℃)条件下，处理前的胶粉改性沥青车辙因子分别为9.37，5.06，2.80 kPa，处理后车辙因子分别为13.15，7.50，4.34 kPa，提高比例分别为40.34%，48.22%，55.00%，即高温性能也得到明显改善。粒度550 μm和粒度380 μm胶粉相比，含活化粒度380 μm胶粉改性沥青的高温性能更好。

4 结论

基于进一步扩大胶粉改性沥青的应用范围，加大资源回收再利用效率，利用低温等离子体技术对胶粉进行活化处理，重点研究了低温等离子体活化胶粉的物理化学变化及胶粉改性沥青性能改善情况，主要得出以下结论。

1) 接触角试验结果表明，等离子体处理后胶粉接触角由107.7°降至4.7°，表现出较强的亲水性，即等离子体技术可以明显改善胶粉亲水性能。

2) 由扫描电镜结果可知，相比于未处理的胶粉表面，处理后胶粉表面出现局部孔洞，而且出现层状结构，表面更加粗糙，刻蚀现象严重，有利于增强胶粉和沥青的粘结性能。

3) 由沥青性能测试结果可知，相比于等离子体技术处理前的含粒度550 μm和粒度380 μm的胶粉样本，经处理后，其针入度分别降低了11.07%和6.21%；而软化点分别升高了3.89%和5.84%；车辙因子也得到不同程度(8.8%～55%)的提高。综合性能测试结果可知，等离子体微表处理后胶粉改性沥青高温性能得到明显改善。

[1] 范春华,涂娟,杨汉文,等.废轮胎胎面胶粉改性沥青性能研究[J].交通科技,2011(5):80-82.

[2] 全旭东.废橡胶粉改性沥青界面作用机理及性能研究[D].武汉：武汉科技大学,2011.

[3] 马爱群.微波辐射活化废胶粉改性沥青性能及共混机理研究[D].扬州：扬州大学,2006.

[4] 崔树华,余剑英,李元元，等.镁铝型水滑石对SBS改性沥青抗老化性能的影响研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2017,41(5):881-885.[5] 李岩,张勇,张隐西，等.离子体改性废橡胶胶粉及其与PVC共混复合材料的研究[J].高分子材料科学与工程,2005(3):239-242.