橡胶沥青基本技术性能及微表构造

奚 江

(中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引言

废旧轮胎是一种“黑色污染”，是世界各国在道路建设中研究的重点，也是大量处理废旧轮胎的最佳选择[1-3]。由于橡胶粉中含有合成橡胶、天然橡胶和添加剂等成分良好的沥青改性剂，能够改善沥青的高低温性能、抗老化性能、抗疲劳性能[4,5]。将其应用于道路工程中替代部分SBS改性剂，不但可以延长路面使用寿命，而且在降低原料成本，解决废旧轮胎长期堆放所产生的环境污染等方面都具有重要的现实意义。

韩森等[6]对几种不同沥青和集料的粘附性能进行了评价，结果表明SBS改性沥青与石灰岩集料间的粘附性能最好，而基质沥青(克拉玛依)与角闪片麻岩之间的粘附性能最差。刘祥[7]对不同基质沥青种类、SBS掺量、相容剂和稳定剂掺量以及温拌剂掺量下的温拌SBS改性沥青进行了接触角试验和AFM试验，通过粘附功和AFM试验结果对温拌SBS改性沥青粘附性的影响因素进行了分析，结果表明温拌剂的种类和掺量对沥青粘附性具有很大影响因素。

橡胶作为废旧轮胎废弃物，将其制成橡胶粉作为改性剂加入基质沥青中，能显著提升沥青混合料路用性能，已应用于道路工程[8-11]。本文选用90号基质沥青和对应的橡胶沥青，通过测试其基本性能和微观构造，探索沥青与集料的粘附性机理。

1 橡胶沥青基本性能

本文所采用的橡胶沥青按照JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程所规定的试验方法对90号和橡胶沥青进行性能检测，结果如表1，表2所示。

表1 90号技术指标

表2 橡胶沥青技术指标

由表1，表2可知：与基质沥青相比，橡胶沥青的针入度降低、软化点升高，延度降低。这是由于橡胶沥青中的橡胶吸收沥青组分发生溶胀和部分溶解，改变了沥青原有的胶体结构[12]，针入度降低，高温性能提升；橡胶中含有的硫与沥青中的有机官能团发生化学交联反应，形成三维网状结构[13]，具有良好的低温韧性和塑性。与基质沥青相比，橡胶沥青的基本性能得到提升。

2 橡胶沥青的微观构造

原子力显微镜(AFM)是一种可获得材料表面微观形貌图像的高分辨率仪器。原子力显微镜与光学、电学显微镜最大的不同在于它不是依靠成像观测样品，而是采用一个十分灵敏针尖对试验样品进行扫描[14]。针尖长若干微米，由于样品表面不同位置情况不同，针尖与样品产生的斥力也随之不断出现变化，当针尖在样品上方或者下方作光栅扫描运动时，探测器通过实时检测悬臂状态，将其对应的表面形貌记录下来，从而得到材料表面的构造情况[15]。

本文采用热铸法制备测试样品。将加热至液态的沥青，用玻璃棒蘸取少量滴在洁净的载玻片中央，随后置于150 ℃烘箱加热约10 min，使沥青自由流动形成直径1 cm左右的圆膜，室温冷却后进行测试；采用布鲁克Dimension Icon原子力显微镜，轻敲模式成像。对AFM测试得到的高程图，采用NanoScope Analysis软件进行处理与分析，所得的90号基质沥青和橡胶沥青的表面形貌如图1，图2所示。

由图1基质沥青的二维AFM图可以看出，沥青表面均匀的分布着形状类似于“蜜蜂”的结构，这些结构在三维图型中表现为“尖峰”，最大峰高约为20 nm。而图2所示的橡胶沥青表面形貌二维图中并未出现与基质沥青相似的“蜂状结构”，其表面不规则的分布着直径可达2 μm～3 μm的圆形斑点，这些斑点在三维图中呈现出的是圆形凹陷，最大凹陷深度达56.4 nm。

AFM图所呈现的两种形貌产生的原因可能是在试样成型期间，由于橡胶沥青粘度大，热熔温度高，加热后很难流淌成平面，而在室温激冷的情况下，橡胶颗粒率先聚集，在其周围产生热应力，形成微裂缝，此时沥青相并非凝固，在表面张力及毛细管效应的作用下，形成一个个“圆洞”。增加了橡胶沥青表面的粗糙度，提高了沥青的粘附性。

为了进一步探究基质沥青与橡胶沥青微观形貌特征，本文采用均方根粗糙度(Rq，nm)来定量描述沥青表面粗糙度，试样粗糙度Rq越大，样品表面起伏越大[16]。采用NanoScope软件计算所得的两种沥青的均方根粗糙度如表3所示。

表3 橡胶沥青与基质沥青表面粗糙度

从表3可以看出，橡胶沥青的表面均方根粗糙度大于基质沥青，表明橡胶沥青的表面粗糙度大于基质沥青，与集料的接触面积增加，粘附性提升。

3 橡胶沥青与集料粘附性机理分析

已有研究表明，基质沥青中的“蜂状结构”主要是由于沥青中的极性组分沥青质和部分胶质溶解于轻质组分后形成的[17]；橡胶沥青中并未出现“蜂状结构”，而是呈现出较大的锥形凹陷。分析其原因可能是由于胶粉的加入改变了沥青中原有的胶体结构，增大了沥青胶体体系中的极性成分占比，使得沥青中的极性组分吸附累加，组分呈现出明显的聚集，进而导致沥青的表面粗糙度提高。而沥青微观表面粗糙度增大有利于其与集料之间粘附性的提升。

沥青中含有的蜡组分影响沥青的质量及性能，在沥青中石蜡会在微小的针状物中结晶[18]。基质沥青中主要为石蜡，不利于沥青与集料的粘附；而橡胶沥青中并未出现“蜂状结构”，说明橡胶的加入改变了基质沥青原有的晶体结构，沥青中石蜡含量降低，增大了沥青与集料的粘附性。

4 结论

1)与基质沥青相比，橡胶能够吸收沥青油分溶胀，高温性能提升；橡胶中的硫与沥青形成三维网络结构，低温性能与塑性提升，橡胶沥青的基本性能得到改善。

2)由两种沥青表面微观形貌可知：在室温激冷的作用下，基质沥青形成“蜂状结构”，橡胶沥青形成“圆洞”。这是由于在激冷作用下，橡胶沥青分子先聚集，形成微裂缝，增加表面粗糙度，提高粘附性；并通过均方根粗糙度Rq定量地证明了试样表面粗糙度增大，沥青与集料的粘附性能提升。

3)胶粉加入改变了沥青中原有的组分结构，极性组分聚集，橡胶沥青的粘附性提高；基质沥青中含有的蜡组分不利于沥青与集料的粘结。