（材料学专业论文）废胎胶粉改性沥青机理研究.pdf

摘要 废胎胶粉改性沥青不仅提高沥青性能，还可废弃物再利用，进一步开展废胎 胶粉改性沥青机理研究十分重要。 本文依托西部交通科技项目废胎胶粉橡胶沥青应用技术研究，主要针对废 胎胶粉橡胶沥青混合料湿法生产工艺，采用荧光显微镜、红外光谱( i r ) 、差示扫 描量热( d s c ) 等现代分析测试方法，首先分析了沥青与胶粉的组成及结构，然后 通过分析沥青常规和s h a p 性能的试验结果，探讨沥青改性工艺、胶粉粒径、种类、 掺量以及基质沥青类型等因素对改性沥青性能的影响，提出了废胎胶粉改性沥青 的共混改性机理，并进一步探讨了废胎胶粉在沥青混合料中的作用机理。 经过分析研究，得到如下主要结论：( 1 ) 影响废胎胶粉改性沥青性能的因素， 一类为改性工艺因素( 搅拌温度、搅拌时间) ，另一类为材料因素( 胶粉种类、粒径、 掺量以及基质沥青类型) 。改性沥青常规、s h r p 性能试验结果表明，搅拌温度及胶 粉掺量与改性沥青三大指标关系图上存在拐点，均存在合理的范围；改性沥青性 能有较强的时间依赖性，搅拌时间过长则性能下降；胶粉粒径大的改性沥青温度 稳定性、高温及弹性性能优异，低温性能与胶粉粒径小的改性沥青相当；斜交胎 胶粉的改性沥青性能明显好于子午胎胶粉；基质沥青轻组分含量高的改性沥青， 其温度稳定性差、低温性能好；( 2 ) 荧光显微镜图像表明，胶粉既有吸附作用又 有填充作用。搅拌时间为6 0 m i n 时，粒径小的斜交胎胶粉或轻组分含量高的沥青， 其改性沥青中胶粉分布越均匀、越易吸收轻组分而溶胀；差示扫描量热( d s c ) 表 明粒径大的斜交胎胶粉或轻组分含量低的沥青，其改性沥青的吸热量小，温度稳 定性高；红外光谱( i r ) 表明废胎胶粉与沥青的相互作用既有物理改性又有化学 改性，胶粉和沥青组成、结构的不同均会导致改性沥青结构的变化，进而引起性 能的差异；( 3 ) 通过宏观及微观试验结果分析，本研究试验条件下合适的搅拌温 度为1 8 0 c 左右，搅拌时间为6 0 m i n 左右；胶粉推荐选用粒径较大的斜交胎胶粉， 掺量为2 0 左右；基质沥青可根据不同的气候和交通条件特点，有针对性的选择； ( 4 ) 废胎胶粉改性沥青的改性机理可以解释为，胶粉吸收沥青轻组分发生溶胀， 表面形成界面层和界面过渡层，胶团填充于胶粉的网络结构，形成三维空间网络 结构，从而产生对沥青性能的改善；( 5 ) 无论是干法工艺，还是湿法工艺，废胎 胶粉在沥青混合料中的作用分为物理作用和化学作用两方面，在这种双重作用下， 使得废胎胶粉沥青混合料获得良好的路用性能。 关键词：沥青；废胎胶粉；废胎胶粉改性沥青；性能影响因素；废胎胶粉沥 青混合料；改性机理 a bs t r a c t c r u m br u b b e rm o d i f i e d a s p h a l tc a nn o to n l yi m p r o v ea s p h a l tp a v e m e n t p e r f o r m a n c e ，b u ta l s oc a na c h i e v et h ew a s t er e u s e ，f u r t h e rs t u d yo nt h ec r u m br u b b e r m o d i f i e da s p h a l ti s v e r yi m p o r t a n t t h i sp a p e ri sb a s e do nw e s t e r nt r a n s p o r t a t i o ns c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o j e c t 1 1 l ea p p l i e dr e s e a r c ho fc r u m br u b b e rm o d i f i e da s p h a l t ”a i m e da ta s p h a l tr u b b e r m i x t u r ew e tp r o d u c t i o np r o c e s s ，u s i n gf l u o r e s c e n c em i c r o s c o p e ，i n f r a r e ds p e c t r u m ， d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t e rm o d e ma n a l y t i c a lt e s tm e t h o d s ，t h i sp a p e rw e n to na p r e l i m i n a r ya n a l y s i si nt h ec o m p o s i t i o no rs t r u c t u r eo fa s p h a l ta n dr u b b e r , a n dt h e nb y a n a l y z i n gt h et e s t r e s u l t so fa s p h a l t sc o n v e n t i o n a la n ds h r pp e r f o r m a n c et e s t s i n f l u e n c eo fm o d i f i c a t i o np r o c e s s ，p a r t i c l es i z e ，p o w d e rt y p e ，r u b b e rc o n t e n ta sw e l la s t h et y p eo fb a s ea s p h a l to nt h ep e r f o r m a n c eo fm o d i f i e da s p h a l tw e r ei n v e s t i g a t e d ， b a s e do nt h i st h em o d i f i e dm e c h a n i s mo fc r u m br u b b e rm o d i f i e da s p h a l tw a ss u m m e d u p ，t h i sp a p e rw e n to nf u r t h e ra n a l y s i so ft h em e c h a n i s mw h i c hc r u m br u b b e rp a l y e di n a s p h a l tm i x t u r e t h r o u g ha n a l y s i s ，t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c e t h ep e r f o r m a n c eo fc r u m br u b b e rm o d i f i e da s p h a l ta r es u m m e du pt ot w ot y p e s ：o n ef o rf a c t o r so f t h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ( m i x i n gt e m p e r a t u r e ，m i x i n gt i m e ) ，a n dt h eo t h e rf o rf a c t o r so ft h e m a t e r i a l s ( p o w d e rt y p e ，p a r t i c l es i z ea n dt h et y p e so fb a s ea s p h a l t ) t h et e s tr e s u l t so fc r u m br u b b e r m o d i f i e da s p h a l tc o n v e n t i o n a la n ds h r pp e r f o r m a n c ei n d e xs h o wt h a t ，t h e r ei sai n f l e c t i o np o i n to n r e l a t i o n s h i pm a pb e t w e e nm i x i n gt e m p e r a t u r e ，c r u m br u b b e rc o n t e n ta n dt h r e ec o n v e n t i o n a li n d e x e s o fm o d i f i e da s p h a l t ，m i x i n gt e m p e r a t u r ea n dc r u m br u b b e rc o n t e n th a v ear e a s o n a b l es c o p e ；t h e p e r f o r m a n c eo f m o d i f i e da s p h a l ti so ft i m e - d e p e n d e n c e ，i fm i x i n gt i m ei st o ol o n g , t h ep e r f o r m a n c e i sd e g r a d a t e ；a s p h a l tm o d i f i e db yc r u m br u b b e ro fl a r g es i z eh a sb e t e e rt e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y , h i g h t e m p e r a t u r ea n de l a s t i cp e r f o r m a n c e ，w h i c hh a sn e a r l ye q u a le f f e c ti nl o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ； t h ep e r f o r m a n c eo fm o d i f i e da s p h a l to fo b l i q u ec r u m br u b b e ri s s i g n i f i c a n t l yb e t t e rt h a nm e r i d i a n c r u m br u b b e r ；a s p h a l tm o d i f i e db yb a s ea s p h a l to fh i g hc o n t e n tl i g h t c o m p o n e n t s ，h a sb a d t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t ya n dg o o dl o wt e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ；( 2 ) f l u o r e s c e n c em i c r o s c o p e i m a g e ss h o wt h a tc r u m br u b b e rh a sr o l eo fa d s o r p t i o na n df i l l i n g w h e nm i x i n gt i m ei s6 0m i n , o b l i q u ec r u m br u b b e ro fs m a l ls i z eo ra s p h a l tw i t hh i g hc o m p o n e n t , c r u m br u b b e rd i s t r i b u t em o r e e v e n l ya n dm o r ee a s i l ya b s o r bt h el i g h tf r a c t i o na n ds w e l l i n g d i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t e r ( d s c ) s h o wt h a to b l i q u ec r u m br u b b e ro fs m a l ls i z eo ra s p h a l tw i t hl i g h tc o m p o n e n t ，i t sm o d i f i e da s p h a l t s a b s o r p t i o no fh e a ti sl o w e r , t e m p e r a t u r es e n s i t i v i t yi sh i g h e r i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( i r ) s h o wt h a t t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nc r u m br u b b e ra n da s p h a l th a v ec h e m i c a la n dp h y s i c a lm o d i f i c a t i o n t h e d i f f e r e n c e si nc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r eb e t w e e nc r u m br u b b e ra n da s p h a l t , w h i c hc a l ll e a dt o p e r f o r m a n c ed i f f e r e n c e si nm o d i f i e da s p h a l t ( 3 ) t h r o u g hm a c r o a n dm i c r o a n a l y s i s ，i nt h i s s t u d ye x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h ea p p r o p r i a t em i x i n gt e m p e r a t u r ei s a b o u t18 0 ( 2 ， m i x i n gt i m ei sa b o u t6 0 m i n o b l i q u ec r u m br u b b e ro fl a r g ep a r t i c l es i z ei sr e c o m m e n d e d ， t h ec o n t e n to fc r u m br u b b e ri sa b o u t2 0 b a s ea s p h a l ti sr e c o m m e n d e dt os e l e c t t a r g e t l ya c c o r d i n gt od i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fc l i m a t ea n dt r a f f i cc o n d i t i o n s ；( 4 ) m o d i f i e dm e c h a n i s mo fc r u m br u b b e rm o d i f i e da s p h a l tc a nb ee x p l a i n e da s ，c r u m b r u b b e ra b s o r bl i g h tc o m p o n e n to fa s p h a l t ，a n dt h e nt h e i rs w e l l i n gh a p p e n s ，w h i c hf o r m b o u n d a r yl a y e ra n db o u n d a r yt r a n s i t i o nl a y e r m i c e l l ef i l li nt h en e t w o r ks t r u c t u r eo f c r u m br u b b e r ，w h i c hf o r m st h r e e - d i m e n s i o n a ln e t w o r ks t r u c t u r e ，r e s u l t i n gi nt h e i m p r o v e m e n to fa s p h a l t sp e r f o r m a n c e ；( 5 ) w h e t h e ri ti sd r yp r o c e s so rw e tp r o c e s s ，t h e r o l eo fc r u m br u b b e rp l a y e di na s p h a l tm i x t u r ei sd i v i d e di n t op h y s i c a la n dc h e m i c a l a c t i o n ，i nt h i sd u a lr o l e ，m a k e sc r u m br u b b e ra s p h a l tm i x t u r et oo b t a i nag o o dp a v e m e n t p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：a s p h a l t ；c r u m br u b b e r ； f a c t o r s ；c r u m br u b b e ra s p h a l tm i x t m e ； c r u m br u b b e rm o d i f i e da s p h a l t ；i n f l u e n c i n g m o d i f i e dm e c h a n i s m 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 外孑天 j日期- 9 年) 月邛日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 e t 菇j = 鬟等_ f 八 ：；!姜二!。：!兰i：! 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 又 名年 签d=【 师 阻 教 ： 导 期 指 日 扎 ，萨 ， 目 b l b 啊0 ： 月 名獬 姗哆 论 ： 位 期 学 日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论弟一早珀1 = 匕 沥青路面是我国公路与城市道路的主要路面结构。随着国民经济的发展，交 通密度和重型车辆口益增多。许多道路建成不久，发生了高温车辙变形、路表面 开裂、水损害等早期病害。因此，如何改善国产沥青的技术性能，延长沥青路面 的使用寿命，已经成为广大道路科技工作者所面临的重大课题。 近年来，国内采用外添材料改善国产沥青路用性能的方法已取得了一些经验， 有的已具有很高的实用性，其中研究较为广泛和使用较多的外掺材料是废胎胶粉 材料。 和普通基质沥青相比，用废胎胶粉改性沥青铺筑沥青路面具有以下几个特点 u 。：( 1 ) 提高沥青路面的热稳定性，使沥青路面在夏季不易产生软化、波浪和车 辙；( 2 ) 改善沥青路面的低温抗裂性能，使沥青路面在冬季不易产生裂纹；( 3 ) 增加沥青与矿料的粘附性，使沥青路面不易产生麻面、剥落等病害，具有较好的 水稳定性；( 4 ) 提高沥青路面的耐久性，使沥青路面的中修罩面和大修时间比规 定的使用年限延长0 5 - - 1 0 倍。 废胎胶粉改性沥青不但可以提高沥青的路用性能，还可以回收利用大量的废 1 日轮胎制品，为环保做出贡献，因此其前景被人看好。国内外众多研究者在其性 能、应用等方面开展了系统研究，取得了丰硕的研究成果。 但是由于废胎胶粉与沥青之间的相互作用十分复杂，目前废胎胶粉与沥青之 间的相互作用机理尚未研究清楚。公认的改性机理有乜 ：物理共混机理、网络填 充以及化学共混机理。 物理共混机理，是指废胎胶粉加入到沥青中后，废胎胶粉的分子受到沥青组 分中芳香烃、饱和烃的作用发生溶胀和溶解，而均匀分散在沥青中形成共混体系。 在物理共混中没有发生化学作用，仅仅是物理作用，要求橡胶粉与沥青有较好的 相容性、溶解性和分散性，以达到较好的物理混合。 网络填充机理，是指在废胎胶粉加入到沥青中后，废胎胶粉分子受到沥青中 油分和芳香分的作用而被分开，发生溶胀过程和部分溶解过程，然后是扩散或溶 胀团粒的分散过程，废胎胶粉以微粒或丝状随机分布在沥青基体中。废胎胶粉分 子自由基相互结合和交联，形成松弛的网络结构存在于沥青基体中。这种互穿的 网络结构增加了聚合物分子的可移动性，使沥青呈现出良好的弹性和塑性。 化学共混机理，是指在沥青中不仅有烷属烃、烯属烃和芳香烃，还含有极性 2 第一章绪论 和非极性化合物，存在着羟基、脂基等有机官能团，可以和许多物质发生化学反 应，产生化学交联或化学加成，生成新的化学键。 这些学说所论及的废胎胶粉与沥青的相互作用，在其共混过程中都有可能存 在，只是程度不同。这与废胎胶粉的成分、沥青的品质、添加剂的种类以及改性 方式等因素有较密切的关系。 因此，开展废胎胶粉在沥青中作用机理分析研究，对于合理使用这种材料、 扬长避短有重要意义。 1 2 国外研究概况 废胎胶粉改性沥青属于聚合物改性沥青的范畴，在沥青中掺加天然或人工合 成聚合物对沥青进行改性，英国早在1 8 4 3 年就申请了专利1 。 现代意义上的橡胶沥青及橡胶沥青混合料首先出现在2 0 世纪美国。美国橡胶 回收公司( r u b b e rr e c l a i m i n gc o m p a n y ) 在2 0 世纪4 0 年代首先采用干拌法的生产工 艺生产r a m f l e xt m 橡胶粉沥青混合料，美国专家c h a r l e sm c d d o n a l d 则首先采用湿 拌法的生产工艺，2 0 世纪6 0 年代生产了o v e r f l e xt m 橡胶沥青混合料h 。 从上世纪六、七十年代以来，美国、瑞典、英国、法国、比利时、澳大利亚、 日本、南非、印度等国先后开展了橡胶沥青和橡胶粉沥青混凝土的应用研究和铺 路试验，并通过立法和技术推广，极大地促进了废旧轮胎在道路工程中的利用h 卜 6 】 口 在机理研究方面，m a c c a r r o n e 7 1 经研究认为橡胶粉在沥青中分散成丝状与沥 青质胶团均匀地分布于沥青油分中，形成一个稳定的、不会发生相分离的物理意 义上的相容体系，与橡胶的溶度参数相近的油蜡组分会缓慢地扩散进入橡胶链段 的空隙中，使橡胶链段松动、脱离以致溶解；m a g d y 碡1 指出，在较低的温度下，在 相互作用的早期阶段，橡胶粉微粒的体积可膨胀到原来的2 - - 3 倍，胶粒的膨胀引 起了橡胶粉一沥青体系粘度的增加；h e it z m a n 【9 3 研究认为，把橡胶粉融入到沥青 中的过程一般不是化学反应，仅是胶粉微粒在较高的温度下在沥青的油相中膨胀 形成类似胶体状的物理过程。正是由于胶粉微粒的膨胀导致了溶胀的胶粒与沥青 之间的自由空间减少，从而引起粘度的增加。胶粉膨胀的方式与时间和温度有关。 橡胶在沥青中膨胀后如果温度太高或时间太长，分散到沥青中的橡胶就会发生降 解，这可能引起粘度的降低；g r e e n 和t o l o m e n 1 们的研究也得出橡胶粉吸收了沥青 中的较轻组分，所以体系粘度增加的结论。他们还指出，溶胀可以在室温下以较 低的速率进行，吸收沥青中的轻组分不仅增加橡胶粉的有效体积，而且改变了沥 青液相的性质。 第一章绪论 3 1 3 国内研究概况 相比于国外，我国对于废旧轮胎橡胶粉的研究起步不算太晚n 。上世纪8 0 年 代，我国许多地方都曾进行过橡胶沥青的生产与应用研究n 2 卜川，不过，由于橡 胶粉来源、橡胶沥青生产设备、橡胶沥青混合料的生产和摊铺工艺等原因，那个 年代所做的一些试验路段均未达到预期效果，以致在很长一段时间内，公路行业 对橡胶沥青的使用一直持怀疑或否定态度。 国内关于橡胶沥青及其混合料性能科学和系统的研究是从本世纪初开始的。 2 0 0 1 年，交通部公路科学研究院将“废旧轮胎橡胶粉用于筑路技术列入研究课 题，并首次在钢桥桥面铺装中用干法工艺加入了3 0 ( 相对于沥青用量) 的橡胶粉。 2 0 0 2 年，交通部将胶粉改性沥青的研发列入西部交通科技项目，先后在广东、山 东、河北、四川、贵州等地铺设了几十条试验路段。2 0 0 3 年，经建设部批准，天 津市公路局开始将胶粉改性沥青试用于城市道路建设。2 0 0 1 年至2 0 0 3 年，交通部 公路科学研究院与同济大学、山东省交通科学研究所等单位合作，承担了西部交 通建设科技项目一废旧橡胶粉用于筑路的技术研究。3 家单位联合开展了橡胶粉沥 青混合料的室内试验研究，初步提出了橡胶粉改性沥青的技术标准、橡胶粉沥青 混合料的设计方法及技术标准等，使得橡胶沥青研究在我国从实验开始，一步步 向标准化、产业化迈进。 2 0 0 7 年，交通部西部科技推广项目一5 万平方米的橡胶沥青混凝土路面摊铺 工程，在湖北省沪蓉西高速公路( 沪渝国家高速公路湖北西段) 试验段获得成功， 这是橡胶沥青在我国高速公路上首次大面积应用。 北京、天津等地相继颁布了地方性废轮胎胶粉改性沥青路面技术规程及标准 n 8 卜唧3 ，但胶粉改性沥青在其它省份却没有相应的技术设计和施工标准，使得道 路工程设计单位无据可依。 在机理研究方面，叶智刚等瞳妇研究认为延长搅拌时间、提高搅拌温度和速度 能使废橡胶粉在沥青中的溶解量增加，可以改善改性沥青的流变性；吴培熙、陶 国良等乜2 3 提出胶粉和沥青的相容性一般，混溶后胶粉颗粒分散到基质沥青中，形 成海岛结构；黄彭等呦1 认为，当废橡胶粉掺入热沥青后，在热和机械力的作用下， 橡胶颗粒吸收沥青中的油分而溶胀，部分恢复生胶性能，能够均匀地悬浮分散到 沥青中：基质沥青因为油分被吸收而粘度增加。使混合料保持了基质沥青的主要 物理性能及橡胶的粘性和可塑性，从而两者共同作用改变了基质沥青材料的物理 特性、粘结性、感温性和耐久性，起到改性作用。 综上，国内外研究在橡胶粉对沥青物理性能的改善和路用性能的提高、改性 沥青的生产和应用方面取得了很大的进展。但对其改性机理的研究却进展缓慢， 4 第一章绪论 这一方面是由于沥青、胶粉的组成和结构复杂，另一方面则是影响改性沥青性能 的因素多所致。 1 4 研究思路与内容 ( 1 ) 研究思路 本文主要针对废胎胶粉橡胶沥青混合料湿法生产工艺，结合国内外研究经验， 利用荧光显微镜、红外光谱、差示扫描量热等现代分析测试方法，首先对沥青与 胶粉的组成及结构进行分析，然后通过分析沥青常规和s h a p 性能的试验结果，探 讨沥青改性工艺、胶粉粒径、种类、掺量以及基质沥青类型等因素对改性沥青性 能的影响，提出废胶粉改性沥青的共混改性机理，并进一步分析探讨废胎胶粉在 沥青混合料中的作用机理。研究思路如图1 1 所示。 沥青与胶粉组成及结构 常规性能指标及试验 s h r p 性能指标及试验卜十一试验结果与分析 改性沥青的微观试验 ( i r 、d s c 、荧光显微镜) 搅拌温度 搅拌时间 胶粉粒径、种类 及掺量 基质沥青类型 图1 1 研究思路 f i g 1 1i d e a so fr e s e a r c h 改性工艺因素 ( 2 ) 研究内容 根据图1 1 的研究思路，本文主要研究内容如下： 材料因素 废胎胶粉改性沥青性能影响因素研究 废胎胶粉改性沥青改性机理 废胎胶粉在沥青混合料中机理分析 第一章绪论 沥青与胶粉的组成及结构； 废胎胶粉改性沥青性能影响因素研究； 废胎胶粉改性沥青改性机理； 废胎胶粉在沥青混合料中的作用机理分析。 6 第二章废胎胶粉改性沥青制备 2 1 试验原材料 2 1 1 废胎胶粉 第二章废胎胶粉改性沥青制备 本研究为选择适合于沥青改性的路用废胎胶粉，主要考虑以下三个方面： ( 1 ) 胶粉的生产工艺 废胎胶粉按粉碎方式可分为常温粉碎的废胎胶粉、低温粉碎的废胎胶粉和常 温化学法粉碎的废胎胶粉。 常温粉碎法并没有对轮胎橡胶做粉碎前处理，主要靠特殊结构刀具的剪切和 研磨撕扯力，生产的胶粉颗粒形状不规则，表面凹凸，呈毛刺状或羽状；低温粉 碎法主要在液氮冷媒作用下将橡胶冷冻至“脆化温度 加以粉碎，生产的胶粉颗 粒形状规则，表面平滑，呈锐角状态；常温化学法粉碎法是在废旧橡胶粗碎后， 使用化学药品或水对粗胶粉进行预处理，然后再粉碎的方法。生产的胶粉颗粒没 有常温粉碎法的明显撕裂状，棱角比较圆滑，表面呈微小的凹凸起伏状。 研究乜3 表明，常温粉碎法生产的废胎胶粉因表面毛刺多、成羽状的比表面大， 活化能高，用于生产橡胶沥青具有更好的性能。因此，从废胎胶粉的生产工艺来 说，常温粉碎法生产的废胎胶粉更适合于在沥青及混合料中使用。 ( 2 ) 胶粉的种类 废胎胶粉来自于废轮胎，一般可分为两大类：一是斜交胎轮胎，二是子午胎 轮胎，因此，路用胶粉也主要有斜交胎胶粉，子午胎胶粉两种。 ( 3 ) 胶粉的粒径 沥青在高温下是一种粘度较高的液体，废胎胶粉在沥青中首先是分散，然后 才可能产生反应。一般来说，目数越大，粒径越小越容易分散；但粒径越小，其 价格也越高，在实际应用中，应从技术，经济两方面考虑。 综上，本研究选用常温粉碎法生产的斜交胎胶粉和子午胎胶粉，每种胶粉采 用三种粒径：2 0 目、4 0 目和8 0 目，如图2 1 所示。 第= 废胎胶粉改性青制 斟交胎目脏精斟交胎加目胶椅料尧胎目腔柑 子午胎8 0 目胶椅子午胎4 0 目驻辫子午胎2 0 目胶粉 图21 废胎腔粉 f i g2 lc r u m br u b b e r 斜交胎胶粉、子午胎胶粉分别由四川双流天利民橡胶有限公司、四川合江县 大自然精细胶粉厂生产，两种胶粉的技术指标如表2l 所示。 表2 1 腔粉技术指标 t a b2 1t e c h n i c a l i n d e x e so f c r u m b r o b b e r 指标项目斜交胎胶粉子午胎胶粉 相对密度( k g m ) 水分( )o4 5 物理技术指标 金属含量( )00 0 200 0 2 纤维含量( ) 灰分( ) 丙酮抽出物( ) 1 151 94 化学技术指标 炭黑含量( )2 84 橡胶烃含量( ) 4 76 21 2 沥青 本研究基质沥青采用中海7 0 # 和韩国s k t o # 沥青，其基本技术指标如表2 1 所 示。 8 第二章废胎胶粉改性沥青制备 表2 1 基质沥青三大常规指标 t a b 2 1t h r e ec o n v e n t i o n a li n d e x e so f b a s ea s p h a l t 基质沥青 试验参数 中海7 0 # s k 7 0 # 针入度( 2 5 c ，l o o g ，5 s ) 6 7 5 6 4 0 软化点( ) 4 9 o4 9 8 5 c 延度( a m ，5 c m m i n ) 8 68 8 1 5 延度( c m ，5 c m m i n ) 1 0 0 1 0 0 2 2 主要试验设备 本研究采用的主要试验设备如表2 2 。 表2 2 主要试验设备 t a b 2 2t h em a i ne x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 设备名称型号产地 动态剪切流变仪( d s r ) b o h l i nd s ri英国m a l v e r n 公司 弯曲梁流变仪( b b r ) 9 7 2 8 一v 3 0美国c a n n o n 公司 b r o o k f i e l d 旋转粘度仪 d v - i i 美国 综合热分析仪q 系列d s c 2 0 0美国w a t e r s 公司 倒置荧光显微镜l e i c ad m l 4 0 0 0 b德国 f t i r 傅立叶红外光谱仪 n i c o l e t 5 7 0 0美国 高剪切分散乳化机 s g 4 0 0上海 2 3 废胎胶粉改性沥青的制备 废胎胶粉改性沥青的制备按如下步骤进行： ( 1 ) 容器中加入一定量的基质沥青，加热并不断搅拌，防止局部过热； ( 2 ) 当温度达到或接近所要求温度时( 5 1 节为研究搅拌温度对改性沥青性 能的影响，采用1 4 0 一- 2 0 0 c ) ，开动高剪切分散乳化机，转速由小到大，边剪切 边加入胶粉( 5 3 3 节为研究胶粉掺量对改性沥青性能的影响，采用1 0 - - - 2 5 ，相 对沥青质量) ，胶粉要一点一点的加入，并保证均匀加入； ( 3 ) 当胶粉加入完毕，将剪切机的转速调至7 0 0 0 r m i n ，搅拌规定的时间( 5 2 节为研究搅拌时间对改性沥青性能的影响，采用3 0 - - - 2 0 0 m i n ) ，并注意搅拌过程 温度的保持； ( 4 ) 达到搅拌剪切规定时间后，倒出沥青样品。 2 4 本章小结 本章主要对废胎胶粉改性沥青的原材料及制备工艺，研究中所涉及的的主要 第二章废胎胶粉改性沥青制各 9 试验设备进行了介绍。 ( 1 ) 常温粉碎法生产的废胎胶粉，表面毛刺多、活化能高；胶粉种类的选择 应具有代表性；胶粉粒径会影响改性沥青的性能，考虑以上三种因素，采用常温 粉碎法生产的斜交胎、子午胎胶粉，每种胶粉采用三种不同的粒径。 ( 2 ) 为研究胶粉改性沥青性能影响因素，改性沥青的制备考虑了搅拌温度、 时间，胶粉的掺量等因素的变化。 1 0 第三章沥青与胶粉的组成及结构 第三章沥青与胶粉的组成及结构 3 1 沥青的组成与胶体结构 3 1 1 沥青的元素组成 沥青不是单一的物质，而是由多种化合物组成的混合物，成分极其复杂。但 从化学元素分析，其主要由碳( c ) 、氢( h ) 两种化学元素组成，故又称为碳氢化 合物。此外，沥青中还含有少量的硫( s ) 、氮( n ) 、氧( 0 ) 以及一些金属元素， 如钠( n a ) 、镍( n i ) 、铁( f e ) 、镁( m g ) 和钙( c a ) 等，它们以无机盐或氧化物 的形式存在，约占5 。几种沥青的元素组成见表3 1 协1 。 表3 1 几种沥青的元素组成 t a b l e 2 1s e v e r a lk i n do f a s p h a l te l e m e n t a lc o m p o s i t i o n s 沥青名称c ( ，质量比)h ( ，质量比)c h ( 原子比)平均分子式 阿拉伯轻质原油沥青 8 4 0 01 0 3 00 6 8c 随5 h j 吐2 0 s n l 伊朗重质原油沥青 8 3 6 01 0 2 00 6 8c 7 1 8 h 1 0 5 s i 2 科威特沥青 8 3 9 01 0 3 0o 6 8c 6 吼9 h 1 0 3 s 1 2 大庆丙脱沥青 8 6 1 01 1 0 0o 6 8c 鼬5 h 1 0 4 2 0 l i s o 1 胜利氧化沥青 8 4 5 01 0 6 0o 6 8 c 7 1 8 h 1 0 7 3 0 l i s o 8 由表3 1 可知，沥青的成分随原油的来源不同而不同，同时，沥青在炼制过 程中组分也会发生变化。c h 的比例可以在很大程度上反映沥青的化学成分，c h 愈大，表明沥青的环状结构，尤其是芳香环结构愈多。在沥青中，碳和氢的含量 占9 8 - 9 9 ，其中，碳的含量为8 3 - - - - 8 7 ，氢为1 1 - - - 1 4 。 3 1 2 沥青的组分 人们在研究沥青化学组成的同时，利用沥青对不同溶剂的溶合性，将沥青分 离成几个化学成分和物理性质相似的部分，这些部分称为沥青的组分。沥青中各 组分的含量和性质对沥青的粘滞性、感温性、粘附性等化学性质有直接的关系。 根据试验方法的不同，沥青可以分离成以下几种组分： ( 1 ) 二组分 沥青分为沥青质和可溶质( 软沥青质) 两种部分。 ( 2 ) 三组分 第三章沥青与胶粉的组成及结构 沥青分为沥青质、 ( 3 ) 四组分 沥青分为沥青质、 ( 4 ) 五组分 油分和树脂三种组分。 饱和分、芳香分和胶质。 按罗斯特勒提出的分离法，沥青可分为沥青质、氮基、第一酸性分、第二酸 性分和链烷分五种组分。 我国目前广泛采用四组分分析方法，该法己于1 9 7 8 年列入美国材料试验协会 ( a s t m ) 推荐方法。四组分试验流程如图3 1 所示 2 4 3 。 图3 1 沥青四组分试验流程图 f i g 3 1 t h ee x p e r i m e mf l o wc h a ro f a s p h a l t sf o u rc o m p o n e n t 沥青的四组分有以下所述的不同特征： ( 1 ) 沥青质 沥青质是深褐色至黑色的无定形物质，有的文献中又称之为沥青稀。沥青质 比重大于1 ，不溶于乙醚、石油醚、易溶于苯、氯仿、四氯化碳等溶剂。这是复杂 的芳香分物质，有很强的极性，分子量在1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 范围内，颗粒的粒径为5 3 0 h m ，c h 原子比例约为1 1 6 1 2 8 。 沥青质在沥青中的含量一般为5 - - 一2 5 ，其含量的多少对沥青的流变特性有很 大的影响。 沥青质对沥青中的油分虽有憎液性，而对胶质呈亲液性。因此，胶质包裹沥 青质而成胶团悬浮在油分之中，形成胶体溶液，这样，沥青质含量多少对胶体体 系的性质有很大的影响。 沥青质的存在对沥青的粘度、粘结力、温度稳定性都有很大的影响。所以， 优质沥青必须含有一定数量的沥青质。 ( 2 ) 胶质 胶质也称为树脂或极性芳烃，是半固体或液体状的黄色至褐色的粘稠状物质， 1 2 第三章沥青与胶粉的组成及结构 有很强的极性。这一突出的特性使胶质有很好的粘结力。胶质比重为1 0 - - 1 0 8 ， 分子量在6 0 0 - - 1 0 0 0 范围内，其在沥青中的含量为1 5 - - 3 0 。胶质溶于石油醚、 汽油、苯等有机溶剂。 胶质是沥青的扩散剂或胶溶剂，胶质与沥青质比例在一定程度上决定沥青是 溶胶或是凝胶的特性，胶质的h c 原子比为1 3 0 - 1 4 7 。 胶质赋予沥青以可塑性、流动性和粘结性，对沥青的延性、粘结力有很大的 影响。 ( 3 ) 芳香分 芳香分是由沥青中最低分子量的环烷芳香化合物组成的，它是胶溶沥青质的 分散介质芳香分在沥青中占4 0 - - 6 5 ，是深棕色的粘稠液体，h c 原子比为1 5 6 - 1 6 7 ，平均分子量为3 0 0 - - - , 6 0 0 范围内。 ( 4 ) 饱和分 饱和分是由直链烃和支链烃所组成的，是一种非极性稠状油类，h c 原子比在 2 左右，平均分子量为3 0 0 - - 一6 0 0 ，饱和分在沥青中占5 - - - - , 2 0 。饱和分对温度较 为敏感。 芳香分和饱和分都为油分，在沥青中起着润滑和柔软作用。油分含量愈多， 沥青的软化点愈低，针入度愈大，稠度降低。 油分经丁酮一苯脱蜡，在一2 0 ( 2 冷冻，会分离出固态的烷烃，即为蜡。 ( 5 ) 蜡分 蜡的化学组成以纯正构烷烃或其熔点接近纯正构烷烃的其他烃类为主。 蜡有石蜡和地蜡之分，地蜡是微晶蜡，沥青中的蜡主要是地蜡。在常温下， 蜡都是以固体的形式存在，蜡对沥青的性能有较大的影响。 对沥青流变性能的影响 在沥青中，蜡主要溶解在油分中，当它以溶解状态存在时，则会降低分散相 的粘度，这是蜡在液体状态时使粘度降低，仅1 0 - - - 1 3 厘泊；当蜡以结晶状态存在 时，沥青具有屈服应力的结构；如果以松散粒子存在，就类似于沥青中加入矿粉 而使沥青的粘度增加。沥青中蜡含量增加，会使沥青在常温下的粘度增大：而当接 近石蜡融化温度( 5 0 ) 时，蜡含量增加，反而使沥青的粘度降低。因此，蜡含量 高的沥青温度敏感性强。 对沥青的低温性能的影响 低温下高含蜡量沥青的结晶结构网增加了沥青的刚性，表现出较高的弹性和 粘性，随着蜡含量的增加，沥青的脆性也增大。 对沥青界面性能的影响 当沥青与石料接触时，蜡的存在会降低沥青对石料界面粘附。同时，蜡会集 第三章沥青与腔粉的组成丑结构 中在沥青的表面使沥青失去光泽，并影响沥青路面的摩阻性能。 对沥青胶体结构的影响 蜡的结晶网格会促使沥青向凝胶型胶体结构发展，使胶体系统不稳定而具有 明显的触变性。 31 3 沥青的胶体结构 根据现代胶体理论，由于沥青的苯溶液具有丁达尔现象，证明沥青溶液也是 一种胶体溶液。用超级显微镜对沥青溶液进行观察，认为沥青质是分散相，而油 分是分散介质，但沥青质和油分不亲和，而且沥青质与油分两种组分混合不能形 成稳定的体系，沥青质极易发生絮凝。 胶质对沥青质是亲和的，胶质对油分也是亲和的胶质包裹沥青质形成胶团， 分散在油分中，形成稳定的胶体。可以认为，在胶团结构中，从核心到油分是均 匀的，逐步递变的，并无明显的分界层。 根据沥青各个组分的数量及胶体芳香化的程度，决定了胶体的结构类型。 当油