孟景馨

湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 432200

0 引言

隨著我國的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國汽車擁有量越來越多，但隨之而來的承受的環(huán)保壓力，據(jù)統(tǒng)計，一般來說，每一輛車的壽命只有11年～12年，而輪胎壽命確僅有2年～3年，每一個輪胎需要30kg～40kg橡膠，平均下來，一輛車每年產(chǎn)生10kg廢舊輪胎。我國在2004年廢舊輪胎的產(chǎn)生量已經(jīng)超過了1.12億條，預(yù)計到2011年將會超過2億條，可見廢舊輪胎已經(jīng)成為最大的固體廢物來源。

自改革開放至今，是我國公路建設(shè)歷史上發(fā)展最快的時期。隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，作為廢舊輪胎的數(shù)量也隨之增加，已成為目前人們社會關(guān)注的重大環(huán)保課題。而經(jīng)過國內(nèi)外的研究，在瀝青中添加橡膠粉，制成分散均勻的改性瀝青能夠顯著的提高瀝青的各項性能。 這就為廢舊輪胎的處置提供一個新方案，因此，用膠粉改性瀝青既能提高瀝青及瀝青混合料的路用性能，又能對使廢舊輪胎資源再利用，解決環(huán)保難題，是件雙贏的事情。本文借鑒國內(nèi)外的研究成果，對膠粉改性瀝青及瀝青混合料的性能進(jìn)行探討和研究。

1 主要研究內(nèi)容和技術(shù)路線

在他人的研究基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試驗，使用廢舊輪胎膠粉對瀝青進(jìn)行改性，并對橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行分析。具體研究內(nèi)容如下：

1）探索廢舊橡膠輪胎膠粉改性瀝青機理，并探索橡膠瀝青的基本本質(zhì)；

2）利用室內(nèi)試驗研究改性過程中制備溫度、改性時間、膠粉目數(shù)及膠粉摻量等不同因素影響下橡膠瀝青性質(zhì)的變化；

3）對橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定進(jìn)行研究，并分析不同的膠粉目數(shù)和膠粉摻量對橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。

根據(jù)以上的研究內(nèi)容，所采取的技術(shù)路線如圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

2 膠粉與瀝青改性機理與制備工藝

2.1 膠粉

膠粉是有廢舊輪胎經(jīng)過機械破碎而成，其成分主要為天然膠（NR）和丁苯橡膠等，其橡膠含量為55%左右。橡膠分可根據(jù)其生產(chǎn)工藝、及粒度大小和原料的來源進(jìn)行分類。按膠粉的生產(chǎn)工藝可分為，常溫碎粉，低溫粉碎和常溫化學(xué)法等，而最近正在探索和研究的方法有臭氧粉碎法、高壓爆破法、高溫超速粉碎法，助劑侵混破碎法、高壓射擊破碎法等。

膠粉的組成主要有天然橡膠（NR）和丁苯橡膠（SBR）等，其橡膠的含量有55%左右。天然橡膠的化學(xué)構(gòu)成被看作異戊二烯的多聚體（C5H8），也有人認(rèn)為，天然橡膠是由異戊二烯基聚合而成。關(guān)于天然橡膠的結(jié)構(gòu)主要有兩種說法，一是環(huán)狀結(jié)構(gòu)；另一種是線狀結(jié)構(gòu)。有人也認(rèn)為天然橡膠是由4個或5個異戊烯基的環(huán)所組成，但是對于天然橡膠的膠體結(jié)構(gòu)國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的看法，最近比較流行且一致的說法是目前天然橡膠具有鏈狀結(jié)構(gòu)。

丁苯橡膠是有丁二烯和苯乙烯的共聚物，其玻璃化溫度為60℃，與SBS同族，其差異僅為丁二烯的含量不同。有人利用維茨法測定的丁苯橡膠的不飽和度，并不超過理論的89%，這說明這表明聚合物結(jié)構(gòu)中含有支鏈，并且分子鏈還帶有橫鍵。

2.2 膠粉瀝青改性機理

目前認(rèn)為輪胎膠粉改性瀝青的主要有以下幾種機理：膠粉改善瀝青流變性，膠粉在瀝青中的溶脹及相容性機理，膠粉的增強作用機理。重慶交通大學(xué)認(rèn)為以上理論在膠粉與瀝青相互作用都有可能存在，只是發(fā)生的時間和程度有所不同。并提出膠粉與瀝青的改性機理為瀝青和膠粉共混初期的溶脹和混溶到一定階段的新膠體結(jié)構(gòu)的形成。膠粉作為改性劑加入到瀝青中，在瀝青輕質(zhì)組分的作用下，膠粉體積會變大，即發(fā)生了溶脹，膠粉發(fā)生溶脹后界面性質(zhì)發(fā)生了變化，使得膠粉與瀝青發(fā)生界面作用，致使二者不會發(fā)生分離。也使得瀝青質(zhì)形成了另外一種形式的膠體結(jié)構(gòu)，組分比例發(fā)生了變化，從而使得瀝青的性能得到了改善。并使得膠粉改性瀝青既非全新的材料，也不是瀝青結(jié)構(gòu)的重復(fù)，而是一種具有原瀝青和膠粉特點的新結(jié)構(gòu)。

而鑒于橡膠改性瀝青的良好性能，對橡膠瀝青的微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行分析，進(jìn)而闡述橡膠改姓瀝青機理，而目前的研究認(rèn)為橡膠瀝青主要具有4種微觀結(jié)構(gòu)：

1）膠體的結(jié)構(gòu)改性

瀝青中加入的膠粉能吸附瀝青中的某些組分，瀝青中與改性劑結(jié)構(gòu)相似的輕組分（主要是油蠟） 經(jīng)過滲透、擴散進(jìn)入橡膠網(wǎng)絡(luò)，橡膠結(jié)構(gòu)發(fā)生溶脹現(xiàn)象， 這便能顯著的降低游離蠟含量，瀝青組分的變化使得含蠟量很高的瀝青的膠體結(jié)構(gòu)從溶膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿?凝膠型結(jié)構(gòu)，瀝青的感溫性顯著下降， 其他各項指標(biāo)也得到明顯的改善，表現(xiàn)為瀝青的針入度增大，軟化點升高 ，瀝青升溫過程中的相變吸熱峰下降明顯，粘溫Arrhenius 方程中粘流活化能減小。

2）相容性改性

由于橡膠和瀝青內(nèi)部的分子組成不同，其化學(xué)結(jié)構(gòu)上存在著很大的差異，屬于熱力學(xué)上的相容性不好的體系。Maccarrone 認(rèn)為橡膠在瀝青中的理想狀態(tài)是細(xì)分布但并非完全溶解，橡膠在瀝青中均勻的分散，成絲狀體系能與瀝青質(zhì)膠團(tuán)分布于瀝青油分中，便會構(gòu)成了一個穩(wěn)定的且不發(fā)生相分離的相容體系，此時油蠟組分因與橡膠的溶度參數(shù)相近便會緩慢地擴散進(jìn)入橡膠鏈段的空隙中 ，即使的橡膠鏈段松動、脫離以至溶解。國內(nèi)外很多專家學(xué)者都曾對不同來源的瀝青與各種橡膠進(jìn)行過相容性研究，認(rèn)為各種類的瀝青因其組分含量不同而與橡膠膠粉的相容性不同，相容性好的體系其瀝青性能指標(biāo)優(yōu)于相容性差的體系。

3）橡膠的增強作用改性

橡膠膠粉在瀝青中的體積小數(shù)量多，其在低溫時可產(chǎn)生很大的高度的應(yīng)力集中，誘發(fā)大量的銀紋及剪切帶，而且可以在誘發(fā)過程中耗散大量的能量，故橡膠瀝青擁有很好的抗沖擊性能及可塑性，而橡膠粒子較大時能防止單個銀紋的生長和斷裂，膠粉顆粒不致于很快發(fā)展為破壞性裂紋，這個特性能大大改善瀝青的低溫柔韌性。

2.3 橡膠瀝青的制備工藝

橡膠瀝青制備工藝分為干法（Dry process）和濕法（Wet process）兩類，干法是將膠粉直接摻入瀝青混合料拌和鍋中進(jìn)入拌和，膠粉摻加量一般為瀝青混合料的2%～3%左右，此工藝是是將廢舊橡膠顆粒充當(dāng)集料使用。濕法是將膠粉先在160℃～200℃的熱瀝青中充分混融，通過機械能和熱能及化學(xué)的方法，使膠粉降解溶脹，膠粉的添加量一般為瀝青量的15%～20%。濕法工藝又包括物理混合法（溶脹法）及化學(xué)改性法，而化學(xué)改性工藝一般很難控制，故現(xiàn)在采用的多是溶脹法。

干法和濕法的主要區(qū)別如下：

1）干法采用的橡膠顆粒尺寸一般為1.0mm～6.3mm，而濕法采用的橡膠粉的粒度比較細(xì)，通常在0.1mm以下，因而干法所使用的膠粉在加工工藝上要求比較低，工藝簡單，成本相對較低；

2）干法中的膠粉顆粒一般占瀝青混合料的2%～3%左右，消耗的膠粉量比較多。干法在使用過程中主要是作為集料的部分，對瀝青的改性作用不是很大，而在濕法工藝中，橡膠粉主要是作為對瀝青的改性劑使用，以起到改善瀝青性能 的作用；

3）在瀝青拌合過程中，干法直接加入拌合鍋內(nèi)。不需要特殊的裝備，而濕法工藝則對裝備及施工流程控制比較嚴(yán)格，需要專門的施工管理。

雖然從耗能、工藝管理方面看，干法工藝比較易于推行，但由于干法不能改性瀝青，有此法得到的橡膠瀝青混合料路用性能沒有太大的改善，而且膠粉在投入拌合鍋內(nèi)由于重量較輕而聚集到上部，很難充分均勻的與瀝青混合料拌合，故目前國內(nèi)外多采用濕法工藝生產(chǎn)橡膠瀝青。

3 原材料與試驗方法研究

3.1 原材料

3.1.1 基質(zhì)瀝青

本組試驗選用的基質(zhì)瀝青是中石化（Sinopec Group）-90重交瀝青，以下簡稱SG-90。

3.1.2 膠粉

本文采用的廢舊橡膠粉是國內(nèi)生產(chǎn)的廢舊輪胎膠粉。膠粉符合表3的物理指標(biāo)和化學(xué)指標(biāo)要求：

橡膠膠粉化學(xué)指標(biāo)

表2 橡膠膠粉物理指標(biāo)

3.2 試樣制備與測試

膠粉改性瀝青是膠粉均勻的分散在瀝青中而形成一種懸浮液，從而使瀝青的膠體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，賦予瀝青新的性質(zhì)，這也是廢舊橡膠膠粉改性瀝青的主要機理。利用膠粉改性瀝青雖然工藝比較簡單，但是在制備過程要嚴(yán)格遵循設(shè)計環(huán)節(jié)，才能保證橡膠瀝青的性能。膠粉改性瀝青的環(huán)節(jié)如圖2所示。

圖2 橡膠瀝青生產(chǎn)流程

進(jìn)過研究，在膠粉改性瀝青之前，需要對膠粉和瀝青做一些準(zhǔn)備工作，主要包括：

1）膠粉在添加之前需要除去水分，但膠粉在烘干時一定要把握溫度，溫度太低，膠粉的水分去除不徹底，而膠粉溫度太高時，可能會破壞膠體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

2）由于橡膠瀝青不容易保存，所以一旦橡膠瀝青制備完成，需要立即對其各項指標(biāo)進(jìn)行測試，以免橡膠瀝青性質(zhì)改變；

3）膠粉在加入熱的瀝青中時，要邊攪拌邊加入，而且加入速度要放緩，以免瀝青濺出；

4）瀝青在高速剪切攪拌時，速度要有慢到快，使轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定，同時需要時刻控制攪拌溫度，以防溫度太高造成膠粉結(jié)構(gòu)改變和瀝青的老化。

3.3 橡膠瀝青的指標(biāo)

橡膠瀝青改性后的，瀝青的性質(zhì)即發(fā)生了變化，由于與其他改性瀝青的改性機理存在差異，一些評價普通瀝青與評價改性瀝青的指標(biāo)可能不太適用，本研究經(jīng)過分析國內(nèi)外的研究成果，選取軟化點、針入度、延度、彈性恢復(fù)指標(biāo)。

1）軟化點指標(biāo)測定（環(huán)與球法）

瀝青是非晶體指標(biāo)，并無確定的熔點，軟化點是將瀝青試樣注于規(guī)定尺寸的銅環(huán)內(nèi)，其上放置一規(guī)定質(zhì)量（3.5土0.05）9的鋼球，以5℃/min的升溫速度加熱，瀝青軟化，鋼球從瀝青試樣中沉落至規(guī)定距離的底板時的溫度，以℃表示。道路瀝青的軟化點表示在一定的外力存在下，瀝青受熱從固態(tài)或粘稠不易流動的物態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢鲃幽芰Φ奈飸B(tài)的溫度。軟化點實質(zhì)上反映瀝青的粘度，與瀝青的標(biāo)號有關(guān)，是一種條件粘度，即在等粘度條件下以溫度表示的一種粘度。軟化點反映瀝青的溫度敏感度，一般為，軟化點高，則其等粘溫度也高，溫度穩(wěn)定性也好，或者說熱穩(wěn)定性好。

2）針入度

反映瀝青的流變學(xué)性能，實質(zhì)上表示的是測試溫度下瀝青的粘度針入度用以劃分瀝青的標(biāo)號。針入度越小，表示瀝青的稠度越大；反之，則稠度越小。針入度是在規(guī)定的溫度、附加荷重和荷重作用時間的條件下，標(biāo)準(zhǔn)針貫入瀝青中的深度，以0.1mm表示。通常如不特別注明，則溫度為25℃，附加荷重為（100±0.1）g，貫入針時間為5s。但有時也可以變化溫度、荷重或貫入時間。本次試驗溫度分別為25℃。

3）延度測試

延度是瀝青在一定溫度下，按一定速度拉伸至瀝青斷裂的長度，以cIn記。

通常試驗溫度為25℃、15℃或5℃。而我們本次試驗為測得低溫性能指標(biāo)，延度反映瀝青條件延性的指標(biāo)。瀝青的延性是當(dāng)其受到外力的拉伸作用時，所能承受的塑性變形的總能力。延度越大，瀝青的柔韌性越好。如在低溫下延度越大，則瀝青的抗裂性越好。瀝青延度與其粘度、組分有密切關(guān)系。一般來說，延度大的瀝青含蠟量低，粘結(jié)性和耐久性都好；反之，含蠟量大，延度小，粘結(jié)性和耐久性也差。因此，延度是表征瀝青性質(zhì)的重要指標(biāo)。

4）粘度

瀝青的粘度指標(biāo)可以評價瀝青的高溫性能，而目前粘度儀器的原理是將已知表面積的轉(zhuǎn)子浸入試樣管之瀝青中，以固定速度旋轉(zhuǎn)時，即對瀝青試樣產(chǎn)生一固定剪應(yīng)變率，此時試樣對此種轉(zhuǎn)動速率的阻抗力大小，經(jīng)由儀器內(nèi)部的扭力彈簧測得，經(jīng)由適當(dāng)換算成為造成轉(zhuǎn)動所需的剪應(yīng)力，剪應(yīng)力除以剪應(yīng)變率即為瀝青試樣的粘度。在固定溫度下，以不同轉(zhuǎn)速測得瀝青試樣的粘度，用簡單線性回歸，可求得瀝青試樣的粘度。

5） 彈性恢復(fù)

彈性恢復(fù)主要用來評價熱塑性橡膠類聚合物改性瀝青的彈性恢復(fù)性能。即測定用延度試驗儀拉長一定長度后的可恢復(fù)變形的百分率。彈性恢復(fù)指標(biāo)作為評價改性瀝青性能的新指標(biāo)己被廣泛使用，并己經(jīng)增補列入我國的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTJ051-2000）中。彈性恢復(fù)性能指標(biāo)用來反映改性瀝青彈性性質(zhì)增加的程度。彈性好的瀝青在外力作用下所產(chǎn)生的變形能夠逐漸恢復(fù)，所剩的永久變形較小，因此彈性恢復(fù)可以衡量路面受力后變形的恢復(fù)能力。瀝青的彈性恢復(fù)能力的提高可以減小荷載作用的殘余變形，減少路面的損壞。

4 試驗結(jié)果及分析

通過分析，橡膠瀝青在改性過程中，控制攪拌時間對瀝青改性效果非常重要，經(jīng)過實驗得出以下結(jié)論：

1）經(jīng)過實驗研究，橡膠瀝青的攪拌時間對瀝青的各項性能均有改善，并存在著合理的攪拌時間，橡膠瀝青的最佳攪拌時間應(yīng)充分考慮膠粉的類型和橡膠瀝青的改性目的；

2）攪拌時間對瀝青改性效果的影響主要是膠粉中溶脹反應(yīng)和脫硫降解的反應(yīng)占據(jù)的主導(dǎo)作用不同引起的，在一定的范圍內(nèi)，隨著攪拌時間的增加，膠粉中的溶脹作用起主要的作用，此時橡膠瀝青的性能隨攪拌時間的增加越來越好，當(dāng)超過一定范圍后，橡膠瀝青的性能隨攪拌時間的增加反而越來越差。

5 橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性分析

根據(jù)國內(nèi)外的研究，橡膠瀝青混合料的高溫性能、低溫性能均有不同程度的提高，但其水穩(wěn)定性能確不盡人意。瀝青的水穩(wěn)定性是指瀝青路面抵抗水損害的能力，而瀝青路面水損害則是指瀝青路面在水或者凍融循環(huán)的作用下，經(jīng)過車輛重復(fù)的荷載作用，進(jìn)入路面空隙的水在真空負(fù)壓力的反復(fù)抽吸循環(huán)作用下水分逐漸進(jìn)入瀝青與集料的界面，使得瀝青粘附性降低并使瀝青結(jié)合料逐漸喪失粘結(jié)能力，瀝青混合料出現(xiàn)掉粒，松散，繼而瀝青路面出現(xiàn)了松散、坑槽等水損害現(xiàn)象。

5.1 試驗方法研究

5.1.1 浸水馬歇爾試驗

此試驗方法是我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的方法，其試驗過程如下，試件分兩組：一組在60℃水浴中保養(yǎng)0.5小時后測其馬歇爾穩(wěn)定度S1；另一組在60℃，水浴中恒溫保養(yǎng)48小時后測其馬歇爾穩(wěn)定度S2，計算殘留穩(wěn)定度S0=x100。

5.1.2 凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗是模擬實際路面上受到的水的影響集中、強化的作用。其飽水過程包括真空飽水、凍融和高溫水浴等3個過程。將試件分兩組：一組在25℃水浴中浸泡2小時后測試劈裂強度R1；另一組先在25℃水中浸泡2小時，然后在0. 09MPa浸水抽真空15min，再在-18℃冰箱中置放16小時，而后放到60℃水浴中恒溫24小時，再放到25℃水中浸泡2小時后測試其劈裂強度R2；計算其殘留強度比：

R0=x100%

5.2 總結(jié)

通過對橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）各試驗方法對橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性評價有不同的結(jié)論，如不同膠粉數(shù)目對瀝青混合料的水穩(wěn)定性研究，可發(fā)現(xiàn)采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗得出的結(jié)論正好相悖，這可能與不同 試驗方法對瀝青性能的關(guān)注點不一樣；

2）通過膠粉摻量對橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性分析，可發(fā)現(xiàn)，25%的膠粉摻量是瀝青混合料水穩(wěn)定性的最佳摻量，這也與前文分析膠粉摻量對瀝青改性效果的結(jié)論一致；

3）瀝青混合料的水穩(wěn)定性關(guān)系到瀝青路面的抗水損害能力，而橡膠瀝青路面的水損害問題是制約橡膠瀝青發(fā)展的重要因素，故在橡膠瀝青混合料的設(shè)計中需要對瀝青路面的水損害問題引起足夠重視。

6 結(jié)論

經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)分析，改變膠粉的摻量、膠粉的目數(shù)、膠粉的攪拌溫度都對瀝青的各項性能有著影響。膠粉的摻量越多，瀝青的水穩(wěn)定越好，但確定膠粉的摻量時，還要考慮瀝青混合料的其他路用性能。最終達(dá)到膠粉改性瀝青提高瀝青及瀝青混合料的路用性能，又能對使廢舊輪胎資源再利用，解決環(huán)保難題，一舉兩得。

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