废胎胶粉改性沥青改性机理研究

　文章编号:1671-2579(2008)02-0172-05

废胎胶粉改性沥青改性机理研究

郭朝阳,何兆益,曹　阳

(重庆交通大学,重庆市　400074)

摘　要:借助荧光显微镜、红外光谱等微观结构试验的分析方法,研究废胎胶粉在沥青中的改性机理。高温条件下,胶粉在沥青中吸收轻组分,并溶胀、脱硫和降解,同时胶粉中的活性物质进入沥青胶体体系中,达到改善沥青温度敏感性、老化性能的效果;常温及低温条件下,废胶粉改性沥青中未溶解的胶粉颗粒起到增强沥青的弹性性能和提高其抗裂性能的作用。了解废胎胶粉改性沥青的改性机理,为合理应用废胶粉改性沥青提供理论支持和技术保障。

关键词:改性沥青;改性机理;微观结构

收稿日期:2007-08-01

作者简介:郭朝阳,男,硕士研究生.E -mail :zhaoyang226@

废胶粉改性沥青是以沥青作为橡胶粉的分散剂,将高剂量的硫化橡胶粉与沥青在高温条件下混溶制成的一种改性沥青。橡胶粉的掺入改善了沥青的高低温性能、弹性性能及抗老化性能,提高了沥青的路用性能指标。另一方面,橡胶粉大量用于公路工程中,可以有效解决大规模废旧轮胎带来的固体废弃物污染问题,且废胶粉改性沥青相对其他改性沥青成本低廉,可降低筑路成本,具有显著的环保效益和社会经济效益。弄清橡胶粉在沥青中的作用机理,可以为合理应用废胶粉改性沥青提供理论支持和技术保障。

橡胶粉与沥青之间的相互作用十分复杂,目前橡胶粉与沥青之间的相互作用机理尚未研究清楚,综合国内外的研究成果,主要有下述几种观点。

(1)物理共混说。橡胶粉加入到沥青中后,橡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。

(2)网络填充说。橡胶粉加入到沥青中后,橡胶粉分子受到沥青中油分和芳香分的作用而被分开,发生溶胀和部分溶解过程,然后是扩散和溶胀胶团粒的分散过程,使橡胶粉以微粒或丝状随机分布在沥青基体中。

(3)化学共混说。沥青中不仅有烷属烃、烯属烃和芳香烃,还含有极性和非极性化合物,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,生成新的化学键的结合,在废胶粉改性沥青中加入硫化剂使橡胶发生硫化反应,可以形成硫化的大分子网络结构。

(4)溶胀降解说。在较低的温度下橡胶粉在沥青中溶胀,在较高温度下,橡胶分子间的交联网络被打破,发生脱硫、降解反应。

这些学说所论及的橡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。这与橡胶粉的成分、沥青的品质、添加剂的种类以及加工方式等因素有较密切的关系。

本文将结合微观结构分析试验及废胶粉改性沥青性能试验的结果,分析探讨废胶粉改性沥青的改性机理。

1　沥青及胶粉的组成和结构

1.1　沥青的组成及结构

沥青是一种有机分子的复杂混合物,其化学成分和分子量是多变的。由于沥青是从原油提炼出来的,根据其来源不同其成分具有很大变化。然而尽管沥青很复杂,已经确定了的分析技术将其分为4个主要组分:沥青质、胶质、芳香分、饱和分。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。

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第28卷　第2期

2008年4月

当油分(饱和分+芳香分)和胶质足够多时,沥青质形成的胶团全部分散,胶团能在分散介质的粘度许可范围内自由运动,这种沥青称为溶胶型沥青。其特点是胶体结构中的沥青质较少,芳香分较多,因此,具有良好的粘结性,但温度敏感性较强。

当油分(饱和分+芳香分)与胶质很少时,由沥青质形成的胶团浓度相对增加,相互之间靠较近,胶团会形成不规则的骨架结构,胶团移动比较困难。这种沥青称为凝胶型沥青.其特点是弹性好,温度稳定性好。

介于这两者之间的沥青就称为溶凝胶型沥青。这种沥青比溶胶型沥青稳定,粘结性和感温性都较好。

1.2　废旧轮胎橡胶粉的组成及结构

胶粉按其粒径的大小可分为粗胶粉:0.425mm 以上(40目);细胶粉:0.425～0.180mm(40～80目);微细胶粉:0.180～0.075mm(80～200目)。改性道路沥青主要用精细胶粉。

精细胶粉主要是由废旧斜交胎破碎而制得,成分主要为天然胶(NR)和丁苯胶〔SBR)等。其橡胶烃含量在55%左右。

天然橡胶是植物的产品,在含胶的器官中生成的,即生成于乳管和含胶细胞中。具有类似于异戊二烯(C5H8)的实验式,并被看作是异戊二烯的某种多聚体(C5H8)n。也有人认为,天然橡胶是由异戊二烯基或者具有橡胶性质的异戊烯基聚合而成。

丁苯橡胶是丁二烯和苯乙烯的共聚物,其玻璃化温度为-60℃,与SBS同族,二者差异为丁二烯含量不同。用维茨法测定的丁苯橡胶的不饱和度,并不超过理论的89%,这表明聚合物结构中含有支链,同时分子链还带有横键。与天然橡胶一样,丁苯橡胶也不能完全溶于溶液中,就是由于分子链中有支链存在的缘故。

2　微观结构研究手段及结果分析

目前对沥青及改性沥青微观结构的分析,国内外普遍采用红外光谱图或核磁共振技术分析沥青及改性沥青中的分子结构及官能团的变化;用电子或荧光显微镜研究改性剂在沥青中的分布情况。本研究中采用了红外光谱、荧光显微镜来研究基质沥青、橡胶粉、改性沥青的微观结构,并由此探求改性机理。

2.1　荧光显微镜试验观测及分析

聚合物改性沥青中的聚合物有一个特点:当聚合物溶胀在软沥青质中形成聚合物相后,其聚合物相在受到短波光波激发时可以发射出波长较长的光。而沥青相则不激发出任何光,因此在荧光显微镜下可以清楚地分辨出聚合物相(黄色)和沥青相(黑色)。由于是使用反射光场,因此不会破坏聚合物相在沥青中的形态,从而可以真切地观测到聚合物相在沥青中真实的相态结构。

利用荧光显微技术可以分析改性沥青的相态结构。改性沥青的相态结构是指聚合物在沥青中的分布形式,主要包括聚合物颗粒形状、大小、分布均匀程度以及沥青相与聚合物相的连续情况。改性沥青的相态结构在很大程度上决定了改性沥青热储存稳定性及其他性能。

为增强对比性,本文选取两种不同粒径的橡胶粉细碎胶粉和精细胶粉,改性同一种基质沥青,掺量都为15%,生产工艺为基质沥青加热到170℃以上,用快速剪切机高速搅拌,速率为13000r/min,边搅拌边加橡胶粉,搅拌时间为45min。制备两种改性沥青的荧光显微镜片,采集图像,如图1、2所示

。

从图像可以直观地看出胶粉在沥青中的分布和发育状况,胶粉表面绝大部分已被沥青中的轻组分所溶胀,少量轻质组分深入了胶粉内部。橡胶粉在与沥青高温充分混合状态下吸收沥青轻质组分而熔胀,同时在颗粒表面形成沥青质含量很高的凝胶膜。废胶粉改性沥青中橡胶粉掺量通常为15%～25%,熔胀后橡胶粉体积达到胶结料的30%～40%,橡胶粉颗粒通过凝胶膜连接,形成一个粘度很大的半固态连续相的体系。

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