廢橡膠粉-SBS復(fù)合改性瀝青的機(jī)理和性能研究.pdf

1、廢橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青(CR/SBSCMA)技術(shù)可結(jié)合廢橡膠粉(CR)和SBS兩種改性劑的優(yōu)點(diǎn),降低改性瀝青生產(chǎn)成本,利用廢舊橡膠資源,改善瀝青性能。目前對(duì)CR/SBSCMA的研究主要集中在現(xiàn)場(chǎng)制備瀝青混合料、道路工程和路用性能等方面,但是為了大規(guī)模推廣應(yīng)用復(fù)合改性瀝青,工廠化制備性能穩(wěn)定的復(fù)合改性瀝青是首要的問(wèn)題。這要求對(duì)復(fù)合改性瀝青中瀝青與改性劑直接的作用機(jī)理和儲(chǔ)存穩(wěn)定性等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究,而目前相關(guān)的研究還很缺乏,限制了CR

2、/SBSCMA技術(shù)的應(yīng)用與推廣。針對(duì)這種情況,本文對(duì)CR/SBSCMA制備過(guò)程中瀝青與改性劑直接的作用機(jī)理和儲(chǔ)存穩(wěn)定性等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了研究,主要包括CR/SBSCMA的流變行為、熱氧老化性能、儲(chǔ)存穩(wěn)定性以及廢橡膠在瀝青組分中的溶脹過(guò)程等。主要工作和研究成果包括以下幾個(gè)方面:
　　 改變改性劑和相容劑的摻量,采用優(yōu)化工藝制備廢橡膠粉改性瀝青(CRMA)、SBS改性瀝青(SBSMA)和CR/SBSCMA。在CR和SBS摻量均較低的情

3、況下,CR/SBSCMA常規(guī)性能明顯優(yōu)于相應(yīng)的低改性劑摻量的CRMA和SBSMA,改性效果好。從材料流變學(xué)的角度分析CR/SBSCMA的流變行為,更適于預(yù)測(cè)瀝青的路用性能,模擬瀝青路面真正的力學(xué)響應(yīng)。在改性瀝青的制備和施工過(guò)程中,改性瀝青呈液態(tài),以高溫粘度作為其流變性能參數(shù)。當(dāng)改性瀝青處于路面使用過(guò)程時(shí),改性瀝青呈固態(tài),以復(fù)數(shù)剪切勁度模量G*、相位角δ、貯能模量G'和抗車轍因子G*/sinδ等作為流變性能參數(shù)。
　　 改性瀝青粘

4、度測(cè)試研究表明,剪切速率和轉(zhuǎn)子型號(hào)對(duì)CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA表觀粘度有較大的影響。當(dāng)測(cè)試溫度T=110℃時(shí),CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA的表觀粘度均呈現(xiàn)剪切變稀特性;當(dāng)T≥135℃時(shí),SBSMA轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD流體,粘度值恒定,而CRMA和CR/SBSCMA仍然表現(xiàn)非牛頓流體特性。在本研究測(cè)試溫度下,SBSMA為宏觀均相體系,轉(zhuǎn)子型號(hào)對(duì)SBSMA粘度值無(wú)影響;而對(duì)于CRMA和CR/SBSCMA,由于CR顆粒的影響,

5、體積相對(duì)較小的S27號(hào)轉(zhuǎn)子所測(cè)粘度值均大于S21號(hào)轉(zhuǎn)子。本研究就改性劑CR、SBS的性質(zhì)與基質(zhì)瀝青性質(zhì)之間的差異分析了測(cè)試條件對(duì)粘度值造成影響的原因,并據(jù)此對(duì)粘度計(jì)算式提出修正?，F(xiàn)有的粘度測(cè)試條件難以準(zhǔn)確測(cè)量含有CR改性劑的非均相改性瀝青體系的粘度,選擇體積較大的S21號(hào)轉(zhuǎn)子和較大剪切速率可減小CR顆粒對(duì)粘度值的影響。確定粘度測(cè)試條件,根據(jù)粘溫曲線確定的拌和與壓實(shí)溫度范圍表明CRMA和CR/SBSCMA的粘度仍需進(jìn)一步降低。
　　

6、 改性瀝青的動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明,CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA的G*、G'和G*/sinδ均隨溫度的升高而減小,并與溫度在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)中成線性關(guān)系。在針入度相近的情況下,CR/SBSCMA的G'、δ和G*/sinδ優(yōu)于CRMA和SBSMA。對(duì)比針入度分級(jí)體系和PG分級(jí)體系的改性瀝青高溫性能指標(biāo),與針入度分級(jí)指標(biāo)中的球法軟化點(diǎn)TR&B相比,反映瀝青材料溫度敏感性的當(dāng)量軟化點(diǎn)T800指標(biāo)與高溫等級(jí)溫度THS變化趨勢(shì)更相似,可

7、較好的反映瀝青材料的高溫抗車轍性能。
　　 采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)?zāi)M基質(zhì)瀝青、CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA的熱氧老化過(guò)程,研究基質(zhì)瀝青、改性劑CR和SBS對(duì)改性瀝青老化性能的影響。根據(jù)老化過(guò)程中常規(guī)性能和動(dòng)態(tài)流變學(xué)指標(biāo)改變的程度知,基質(zhì)瀝青和三種改性瀝青的耐老化性能次序?yàn)?CRMA＞CR/SBSCMA＞SBSMA＞基質(zhì)瀝青,改性劑的添加提高了瀝青的耐老化性能。結(jié)合基質(zhì)瀝青、CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA老化

8、過(guò)程中的宏觀性能指標(biāo)和微觀組成結(jié)構(gòu)的變化分析了復(fù)合改性瀝青的熱氧老化機(jī)理。研究表明,與CRMA和SBSMA中改性劑的作用不同,在CR/SBSCMA的老化過(guò)程中,由于CR和SBS的同時(shí)存在,改性劑的降解產(chǎn)物和基質(zhì)瀝青的次生組分的縮合反應(yīng)加劇,導(dǎo)致CR/SBSCMA老化后芳香分和膠質(zhì)含量減少、瀝青質(zhì)和甲苯不溶物含量增加。降解產(chǎn)物、次生組分與縮合產(chǎn)物改變了復(fù)合改性瀝青的族組成分布和膠體結(jié)構(gòu),造成宏觀性能的變化。
　　 分析改性劑在CR

9、MA、SBSMA和CR/SBSCMA中的離析行為,發(fā)現(xiàn)SBS狀態(tài)穩(wěn)定,而CR顆粒的下沉的是CRMA和CR/SBSCMA離析的主要原因。在CR/SBSCMA中,SBS的介入可以在一定程度上延緩CR顆粒的離析,但效果不顯著。通過(guò)雙螺桿擠出機(jī)對(duì)CR和SBS進(jìn)行熔融共混得到CR/SBS共混物(CRM),以增加兩種改性劑的相容性,實(shí)驗(yàn)表明共混改性劑能夠顯著提高復(fù)合改性瀝青性能。在CRM/SBSCMA中,CRM中SBS部分在穩(wěn)定劑的作用下與SBS主

10、體形成CRM-SBS—基質(zhì)瀝青連接的結(jié)構(gòu),復(fù)合改性瀝青的熱儲(chǔ)存穩(wěn)定性可以得到改善。當(dāng)CRM摻量低至1.5％時(shí),所得CRM/SBSCMA離析軟化點(diǎn)差值數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn),但CRM顆粒仍然發(fā)生下沉現(xiàn)象。研究表明CRM和SBS在基質(zhì)瀝青中可能形成了一定的相互作用,使得CRM/SBSCMA性能優(yōu)于CR/SBSCMA,但這種相互作用較弱,在剪切過(guò)程中還可能遭到破壞,不足以阻擋CRM顆粒在瀝青中的下沉,造成CRM在長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存過(guò)程中出現(xiàn)離析現(xiàn)象。所以,

11、在CRM/SBSCMA儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中仍需要借助攪拌保持CRM均勻穩(wěn)定的分布在基質(zhì)瀝青中。
　　 橡膠在瀝青中的溶脹效果對(duì)CRMA和CR/SBSCMA的性能具有十分關(guān)鍵的影響。本研究對(duì)薄片狀廢輪胎橡膠在瀝青組分中的溶脹過(guò)程進(jìn)行了定量研究,發(fā)現(xiàn)橡膠的溶脹有一個(gè)快速增長(zhǎng)期,在較短的時(shí)間內(nèi)橡膠的溶脹度快速變大,之后逐漸增大直至達(dá)到溶脹平衡。升高溶脹溫度、提高橡膠中的天然橡膠含量和溶脹混合物中的輕質(zhì)油分(飽和分與芳香分)含量可提高橡膠溶脹度。

12、通過(guò)對(duì)溶脹前后的橡膠的分析可知,充分的溶脹能夠顯著改善橡膠和瀝青之間的相容性。
　　 在聚合物溶脹理論和Crank單向擴(kuò)散的基礎(chǔ)上分析橡膠的溶脹過(guò)程,發(fā)現(xiàn)橡膠的溶脹速率常數(shù)和溶脹混合物組分分子的擴(kuò)散系數(shù)均隨溫度升高而增大;橡膠在輕質(zhì)油分含量較高的溶脹混合物中的溶脹速率常數(shù)更大,此時(shí),溶脹混合物組分分子的擴(kuò)散系數(shù)也更大,表明提高溫度和輕油分含量可加速橡膠的溶脹。根據(jù)極差分析,本研究中三個(gè)因素水平對(duì)擴(kuò)散系數(shù)影響的大小順序依次為:溶脹