劉振興，夏 永

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引 言

利用橡膠粉改性瀝青可以提升瀝青路面的路用性能，具有較好的抗低溫裂縫、高溫抗車轍和抗老化等優(yōu)勢，并且在防治和延緩瀝青路面反射裂縫方面也有突出效果；橡膠顆粒具有一定的彈性，因此橡膠瀝青路面行車更加舒適且可以降低行車噪音，實現(xiàn)了“黑色污染物”合理利用，變廢為寶的重大舉措。膠粉改性瀝青是以膠粉作為改性劑并加入其他化學(xué)助劑，通過物理和化學(xué)反應(yīng)所得的改性瀝青，膠粉改性瀝青相對于橡膠改性瀝青具有更好的性能指標(biāo)可調(diào)節(jié)性、更簡單的改性工藝、更優(yōu)的施工和易性和更高的經(jīng)濟優(yōu)勢[1～3]。

目前，膠粉改性瀝青的機理研究主要是基于界面理論和混熔理論[4～5]。Duvall[6]認為膠粉的溶脹時間和顆粒粒徑的平方成呈正相關(guān)，即膠粉的粒徑越小，其溶脹時間越短，改性效果也更優(yōu)。Cavalieri等[7]認為聚合物和瀝青相溶越好取得的改性效果越好，若膠粉與瀝青的相容性較差時，膠粉改性瀝青存儲穩(wěn)定性不好，甚至產(chǎn)生分層。我國從上世紀(jì)80年代開始研究膠粉改性瀝青，王旭東[8]研究結(jié)果表明，提高膠粉摻量一定程度上可以改善瀝青延度，但也會引起瀝青脆點降低。張小英[9]等人研究發(fā)現(xiàn)，膠粉在瀝青中降解的程度隨著剪切溫度的升高而提高。同時，在高溫作用下改性瀝青的小分子物質(zhì)和高分子物質(zhì)將會增多，則會引起體系的交聯(lián)密度降低，因此軟化點、60℃黏度和135℃黏度都有所下降。國內(nèi)外對膠粉改性瀝青的研究越來越多，但是我國地域遼闊，氣候差異顯著，因此本文總結(jié)分析了我國膠粉改性瀝青的性能指標(biāo)，并通過熒光顯微鏡和紅外光譜儀從微觀上分析了膠粉改性瀝青的形成機理，本研究對膠粉改性瀝青的推廣應(yīng)用有一定的參考價值。

1 膠粉瀝青的技術(shù)指標(biāo)

目前各國之間關(guān)于膠粉改性瀝青的規(guī)范不一，我國同國外的氣候差異很大，因此，我國研究人員參考國外膠粉改性瀝青規(guī)范，較為有代表性的是交通部公路科學(xué)研究院所編寫的《橡膠瀝青及混合料設(shè)計施工技術(shù)指南》，其中上海和北京等城市又根據(jù)自己城市的氣候等特點編寫了各省市的橡膠改性瀝青規(guī)范。

本文總結(jié)分析了國內(nèi)外膠粉改性瀝青的研究現(xiàn)狀，推薦將黏度、高溫性能、低溫性能及彈性性能作為膠粉改性瀝青的評價指標(biāo)，還可以選用針入度、軟化點、黏度和彈性恢復(fù)等基本指標(biāo)對推薦指標(biāo)進行評價。另外，相關(guān)研究表明針入度和軟化點等指標(biāo)并不能將瀝青的性能與其應(yīng)用的環(huán)境良好地結(jié)合起來，因此，建議在運用針入度和軟化點等基本指標(biāo)的同時，可采用SHRP實驗對膠粉改性瀝青的性能加以分析，以更全面的評價膠粉改性瀝青。

2 膠粉改性瀝青的機理

2.1 實驗材料的選擇

本文選用的基質(zhì)瀝青為SK70#基質(zhì)瀝青，其基本指標(biāo)如表1。

表1 東明70#基質(zhì)瀝青的指標(biāo)Table 1 The index of Dongming 70#matrix asphalt

本文選用的膠粉，其橡膠烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%，丙酮抽提物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.8%，炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28%，灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.2%。膠粉改性瀝青工藝為采用物理改性。改性工藝為采用國產(chǎn)FM300型乳化機。操作方法按照JTJ052-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行試樣制備，用以進行分析其物質(zhì)變化和膠粉在基質(zhì)瀝青中的分散效果。

2.2 膠粉改性瀝青反應(yīng)機理分析

選用上述制備的膠粉改性瀝青和SK70#基質(zhì)瀝青，分別對其進行紅外光譜掃描實驗，兩者的紅外光譜圖如圖1所示。

由圖1可知，相比于基質(zhì)瀝青，膠粉改性瀝青的紅外光譜在2363cm-1和1250cm-1處沒有出現(xiàn)波峰，2363cm-1對應(yīng)的化合健為 C≡C和 C≡N，1250cm-1處是由于C-O伸縮振動而引起的，數(shù)據(jù)表明，相對于基質(zhì)瀝青，膠粉改性瀝青之后有新的物質(zhì)產(chǎn)生。通過分析膠粉改性瀝青的紅外光譜走勢和峰值出現(xiàn)的位置可知，膠粉改性瀝青的光譜圖中吸收峰為2920cm-1是亞甲基-CH2-的振動效果，吸收峰為2850cm-1是-CH2的振動吸收峰，這兩處峰值說明了膠粉改性瀝青中有飽合烴的存在；峰值為1450cm-1和1600cm-1的部位是因為由C=C鍵振動引起，光譜圖中出現(xiàn)峰值為1370cm-1是因為出現(xiàn)了具有面內(nèi)彎曲的C-H，光譜圖中1308cm-1處的峰值，主要是因為羧酸的C-O引起，峰值為1030cm-1對應(yīng)的為亞砜基S=O；光譜圖中1000cm-1以下的指紋區(qū)，主要是因為不飽和C-H（=C-H）的存在，其中峰值為964cm-1的是丁二烯的特征峰，峰值為869cm-1代表的是面外彎曲的C-H基團，峰值為697cm-1是聚苯二烯的特征峰，由上述特征峰的分析可知，膠粉改性瀝青中有C-H變形振動和芳香環(huán)的存在；光譜圖中在1030cm-1和1600cm-1處有較小的吸收峰出現(xiàn)可知，膠粉改性瀝青中有少量羰基組成。綜上所述，相對于基質(zhì)瀝青，膠粉改性瀝青中均有新物質(zhì)產(chǎn)生。

圖1 基質(zhì)瀝青和膠粉改性瀝青的透光率Fig.1 The transmittance of matrix asphalt and rubber powder modified asphalt

3 膠粉改性瀝青微觀分析

3.1 膠粉改性瀝青模型建立

橡膠分子在吸收了基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分后，橡膠分子會和基質(zhì)瀝青逐漸相溶，橡膠粉則由原本的致密結(jié)構(gòu)慢慢轉(zhuǎn)化成相對疏松的絮狀結(jié)構(gòu)；隨著反應(yīng)的溫度與時間增加，橡膠在瀝青中將會有小部分的脫硫和降解，從而促使橡膠粉與瀝青的反應(yīng)逐漸加快，隨著反應(yīng)的進行，橡膠粉和瀝青逐漸形成一種新的物質(zhì)，但是，橡膠粉自身的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，因此，橡膠分子和瀝青分子不能完全反應(yīng)，最終橡膠瀝青會存在一個橡膠核心，膠粉改性瀝青模型由外到內(nèi)依次是瀝青、膠質(zhì)和橡膠顆粒核心。

3.2 膠粉改性瀝青的均勻性分析

采用熒光顯微鏡對比觀察基質(zhì)瀝青和膠粉改性瀝青的微觀形貌。在熒光下，由于聚合物溶脹而形成的新聚合物相發(fā)射出的光波長較長，而瀝青相則不發(fā)出任何光，因此在熒光顯微鏡下可以很容易的區(qū)分聚合物相和瀝青相。對膠粉改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)分析的試驗方案為：

第一步，將制備好的膠粉改性瀝青和基質(zhì)瀝青分別滴在干凈的載玻片，然后快速蓋上蓋玻片，從而制備好熒光顯微鏡試片；第二步，調(diào)整熒光顯微鏡的攝像頭，在清晰的瀝青視野瀝青里進行微觀圖像采集；第三步，對比分析采集的瀝青圖像。

圖2 基質(zhì)瀝青和膠粉改性瀝青的熒光顯微鏡圖像Fig.2 The fluorescence microscope images of matrix asphalt and rubber powder modified asphalt

由圖2（a）中可以看出，在熒光顯微鏡下基質(zhì)瀝青呈現(xiàn)出均勻的暗黃色。從圖2（b）中可以看出，橡膠粉吸收了瀝青中的輕質(zhì)組分而發(fā)生溶脹，且有少量的輕質(zhì)組分滲透到了橡膠粉的內(nèi)部，從而呈現(xiàn)形狀不均勻的絮狀結(jié)構(gòu)。其原因可能是橡膠粉溶脹之后體積變大，在橡膠粉顆粒之間形成了一層可以促進相互連接的凝膠膜。因此可以得出，橡膠粉對基質(zhì)瀝青既有吸附又有填充作用，證明了上述假設(shè)的膠粉改性瀝青模型是正確的。

4 結(jié)論

總結(jié)分析了國內(nèi)外膠粉改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)，并采用紅外光譜儀和熒光顯微鏡對膠粉改性瀝青的形成機理進行的探究，得到如下結(jié)論：

（1）國內(nèi)外研究結(jié)果建議將黏度、高溫性能、低溫性能及彈性性能作為膠粉改性瀝青的評價指標(biāo)，在選用針入度、軟化點、黏度和彈性恢復(fù)等基本指標(biāo)對推薦指標(biāo)進行評價的同時還可采用SHRP實驗對膠粉改性瀝青的性能加以分析，以更全面的評價膠粉改性瀝青。

（2）在膠粉改性瀝青的制備過程中，膠粉和瀝青會發(fā)生反應(yīng)且生成新的化合物，改性之后瀝青的微觀結(jié)構(gòu)變成由外及內(nèi)依次是瀝青、膠質(zhì)和橡膠顆粒核心。