论文研究背景及目的意义

杜仲胶与相变材料复合改性沥青在西部公路建设中的应用研究

报告简本

一、概述

国内外改性沥青的研究，通过近三十年的努力取得了大量的研究成果，出现了一批改性效果良好的沥青改性剂，为公路建设做出了巨大贡献。但是随着公路交通荷载的不断增大，对路面的质量要求也越来越高，随之对沥青和改性沥青品质也提出了更高要求，而且不同地域、气候包括沥青品种也会对沥青改性剂的效果产生影响。此外目前沥青改性剂大多为石油副产品，不可再生，会给公路建设带来一定的影响。因此，课题开展了一种新型改性沥青的研究工作，以期解决当前改性沥青中存在的不足，提高沥青混凝土性能，延长路面耐久性和使用寿命。

该沥青改性剂为一种天然植物橡胶——杜仲胶。它取自在我国普遍生长的杜仲树的枝叶，为一种可再生的天然改性剂。由于杜仲是我国特有的森林资源，其他国家相关方面的研究比较少，也未有重大突破，直至上世纪八十年代末期严瑞芳提出了“橡胶—塑料统—材料谱”观点，才为杜仲胶的工业用途打开缺口。到目前为止，杜仲胶主要用于橡胶代替品、轮胎、电缆包线、记忆性材料以及化学药品容器等方面，关于沥青改性完全没有涉及（2009年底查新报告）。

由于杜仲胶是一种与天然橡胶非常类似的天然高分子物质，经过特殊的硫化处理，可以形成不同用途的三大类材料：热塑性材料、热弹性材料和橡胶型材料，这三种材料均有用作改性剂的先例。因此，它可根据不同的使用条件而采取不同的硫化处理工艺，并与基质沥青在适当的外在条件催化下进行化学反应。通过烯键交联、功能基团交联和酸化反应改善聚合物与沥青的相容性，使沥青与聚合物粒子通过反应形成稳定层，达到改变沥青性能的效果。

基于上述原理，项目进行了大量的理论分析与试验，对杜仲胶、硫化杜仲胶、接枝杜仲胶自身，以及它们与沥青共混物的组成、结构形态以及物理力学性质进行了充分研究，详细分析了杜仲胶应用到沥青改性的可行性和应用形态，具体成果如下：（1）从沥青改性的角度，分析和测试了与之相关的杜仲胶性能表征指标，并研究了不同硫化程度杜仲胶的力学性能。

（2）根据杜仲胶性能特征，提出了杜仲胶、硫化杜仲胶和接枝杜仲胶三种不同杜仲胶形态的沥青改性剂方案。

（3）杜仲胶未交联时呈现出塑料特性，改性沥青效果不明显，为此不宜单独采用杜仲胶来改性沥青。本研究利用杜仲胶特有的橡－塑二重性，将接枝杜仲胶取代部分SBS，共混协同改性沥青，得出了比原SBS改性沥青性能更好的改性沥青。

（4）杜仲胶硫化后呈高弹性体，本研究对杜仲胶硫化生成的硫化杜仲胶改性沥青配方和性能进行了大量研究，试验证明硫化杜仲胶改性沥青低温性能突出，可用于某些特殊地域和特殊场合。

（5）对依托工程采用的地产基质沥青进行改性，提高了路用性能，满足了使用要求。

这些成果证明了杜仲胶是一种性能优异的沥青改性剂，随着逐步应用于实际工程，将大大缓解国内沥青改性剂的供需矛盾，为上述问题的解决提供了方案。

项目通过攻克杜仲胶接枝马来酸酐的工艺及接枝率的计算方法，以及硫化杜仲胶适合沥青改性的硫化交联度等关键技术，取得了如下创新点：

（1）建立了杜仲胶化学接枝的理论与方法，制备了带有与沥青氨基反应的官能团的接枝杜仲胶，研究提出了杜仲胶接枝率的表征和测定方法。

（2）分析了硫化杜仲胶的交联度和硫化形态，发现了杜仲胶能与沥青共混形成的稳定网架结构，结合性能试验，得出硫化杜仲胶的优化制备配比，使杜仲胶硫化后呈高弹性体，改善了沥青的低温性能。

（3）研究了杜仲胶、接枝杜仲胶分别与SBS共混协同改性沥青的相关性能，验证了接枝杜仲胶可取代部分SBS来进一步改善SBS沥青的性能。

二、杜仲胶与沥青共混改性机理与形态研究

通过分析杜仲胶的物理化学特性以及特有的橡塑二重性，可以得出如下观点：

1、杜仲胶在常温下易结晶而显示塑料特性，与PE、EVA比较接近，应能提高沥青的高温性能；

2、杜仲胶通过硫化可以得到弹性很好的橡胶材料，与NR、SBR比较接近，应能改善沥青的低温性能；

3、杜仲胶与SBS相容性好，与沥青相容性也比较好，因此可以尝试选择用杜仲胶与SBS共同改性沥青，或者采用与某些小官能团接枝的方式在SBS与沥青增加相容界面。

因此得到如下改性沥青方案，并做了表征沥青高低温改性效果的软化点和延度试验，来验证上述观点。

1杜仲胶生胶单独改性沥青

杜仲胶单独改性沥青，的软化点略有上升，但是延度下降十分厉害。由于杜仲胶的熔点58.8℃，对于本来软化点只有47.8℃的沥青来说，还是有一些贡献。但是由于结晶的存在，延度会大幅下降。因为在测试条件下，杜仲胶是结晶态，这样的拉伸就像是在拉动塑料一样，会很快断裂，造成延度下降很厉害。

杜仲胶单独改性沥青延度、软化点随杜仲胶含量变化图

2杜仲胶与SBS协同改性沥青

杜仲胶与SBS协同改性沥青时，对软化点的升高有帮助的，因为杜仲胶的加入相当于增加了SBS中苯乙烯的含量，但是加得太多会使延度下降。主要还是由于结晶和杜仲胶的分布。

杜仲胶SBS协同改性沥青延度、软化点随杜仲胶含量变化图

3硫化杜仲胶单独改性沥青

硫化杜仲胶单独改性沥青延度和软化点随硫化胶含量变化图从图上可以看出随着硫磺用量的增加，软化点和延度都有相应的变化。硫化杜仲胶对软化点的提高几乎没有什么帮助，而对延度的提高却有很大帮助。从未加硫磺开始，10度延度随硫磺含量的增加而增加。当硫磺含量达到0.4的时候，10延度达到90以上，比基质沥青提高了161.7%，这是相当可观的。但是当硫磺的含量继续增加到0.6时，延度却降了下来。这表明0.6这个含量的硫磺应该超过了“过硫化点”。硫化太厉害使得交联点数目太多，交联点之间距离过短限制到分子链段的运动，相当于提高了分子链的刚性，造成延度的下降。

杜仲胶本身的熔点较低，而硫化又破坏了杜仲胶的结晶结构，熔点降低甚至消失，所以加入的杜仲胶对软化点没什么帮助。杜仲胶单一硫化改性沥青的机理是利用硫化破坏结晶，增加化学交联点，使体系的延度升高。这里的延度体现的是橡胶的性质。一般认为当橡胶相在沥青中的分布为连续相的时候会使体系的延度大幅上升。当硫磺含量到达0.25份的时候，沥青体系的延度有突跃性的升高。

硫磺/杜仲胶：1/50 硫磺/杜仲胶：1/20