廢橡膠粉-SBS復合改性瀝青的機理和性能研究.pdf

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

2、/SBSCMA技術的應用與推廣。針對這種情況,本文對CR/SBSCMA制備過程中瀝青與改性劑直接的作用機理和儲存穩(wěn)定性等關鍵問題進行了研究,主要包括CR/SBSCMA的流變行為、熱氧老化性能、儲存穩(wěn)定性以及廢橡膠在瀝青組分中的溶脹過程等。主要工作和研究成果包括以下幾個方面:
　　 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)于相應的低改性劑摻量的CRMA和SBSMA,改性效果好。從材料流變學的角度分析CR/SBSCMA的流變行為,更適于預測瀝青的路用性能,模擬瀝青路面真正的力學響應。在改性瀝青的制備和施工過程中,改性瀝青呈液態(tài),以高溫粘度作為其流變性能參數(shù)。當改性瀝青處于路面使用過程時,改性瀝青呈固態(tài),以復數(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、度測試研究表明,剪切速率和轉子型號對CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA表觀粘度有較大的影響。當測試溫度T=110℃時,CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA的表觀粘度均呈現(xiàn)剪切變稀特性;當T≥135℃時,SBSMA轉變?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。在本研究測試溫度下,SBSMA為宏觀均相體系,轉子型號對SBSMA粘度值無影響;而對于CRMA和CR/SBSCMA,由于CR顆粒的影響,

5、體積相對較小的S27號轉子所測粘度值均大于S21號轉子。本研究就改性劑CR、SBS的性質與基質瀝青性質之間的差異分析了測試條件對粘度值造成影響的原因,并據(jù)此對粘度計算式提出修正?，F(xiàn)有的粘度測試條件難以準確測量含有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號轉子和較大剪切速率可減小CR顆粒對粘度值的影響。確定粘度測試條件,根據(jù)粘溫曲線確定的拌和與壓實溫度范圍表明CRMA和CR/SBSCMA的粘度仍需進一步降低。
　　

6、 改性瀝青的動態(tài)剪切流變試驗結果表明,CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA的G*、G'和G*/sinδ均隨溫度的升高而減小,并與溫度在半對數(shù)坐標中成線性關系。在針入度相近的情況下,CR/SBSCMA的G'、δ和G*/sinδ優(yōu)于CRMA和SBSMA。對比針入度分級體系和PG分級體系的改性瀝青高溫性能指標,與針入度分級指標中的球法軟化點TR&B相比,反映瀝青材料溫度敏感性的當量軟化點T800指標與高溫等級溫度THS變化趨勢更相似,可

7、較好的反映瀝青材料的高溫抗車轍性能。
　　 采用旋轉薄膜烘箱試驗模擬基質瀝青、CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA的熱氧老化過程,研究基質瀝青、改性劑CR和SBS對改性瀝青老化性能的影響。根據(jù)老化過程中常規(guī)性能和動態(tài)流變學指標改變的程度知,基質瀝青和三種改性瀝青的耐老化性能次序為:CRMA＞CR/SBSCMA＞SBSMA＞基質瀝青,改性劑的添加提高了瀝青的耐老化性能。結合基質瀝青、CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA老化

8、過程中的宏觀性能指標和微觀組成結構的變化分析了復合改性瀝青的熱氧老化機理。研究表明,與CRMA和SBSMA中改性劑的作用不同,在CR/SBSCMA的老化過程中,由于CR和SBS的同時存在,改性劑的降解產物和基質瀝青的次生組分的縮合反應加劇,導致CR/SBSCMA老化后芳香分和膠質含量減少、瀝青質和甲苯不溶物含量增加。降解產物、次生組分與縮合產物改變了復合改性瀝青的族組成分布和膠體結構,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。通過雙螺桿擠出機對CR和SBS進行熔融共混得到CR/SBS共混物(CRM),以增加兩種改性劑的相容性,實驗表明共混改性劑能夠顯著提高復合改性瀝青性能。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—基質瀝青連接的結構,復合改性瀝青的熱儲存穩(wěn)定性可以得到改善。當CRM摻量低至1.5％時,所得CRM/SBSCMA離析軟化點差值數(shù)據(jù)均符合標準,但CRM顆粒仍然發(fā)生下沉現(xiàn)象。研究表明CRM和SBS在基質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在長時間的儲存過程中出現(xiàn)離析現(xiàn)象。所以,

11、在CRM/SBSCMA儲運過程中仍需要借助攪拌保持CRM均勻穩(wěn)定的分布在基質瀝青中。
　　 橡膠在瀝青中的溶脹效果對CRMA和CR/SBSCMA的性能具有十分關鍵的影響。本研究對薄片狀廢輪胎橡膠在瀝青組分中的溶脹過程進行了定量研究,發(fā)現(xiàn)橡膠的溶脹有一個快速增長期,在較短的時間內橡膠的溶脹度快速變大,之后逐漸增大直至達到溶脹平衡。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油分(飽和分與芳香分)含量可提高橡膠溶脹度。

12、通過對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單向擴散的基礎上分析橡膠的溶脹過程,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散系數(shù)均隨溫度升高而增大;橡膠在輕質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,溶脹混合物組分分子的擴散系數(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,本研究中三個因素水平對擴散系數(shù)影響的大小順序依次為:溶脹