随着我国道路交通的快速发展,高等级路面无论从数量还是质量上都将提高到一个更高的层次,由于沥青路面在路面面积中占有较大比例,所以我国将对高等级沥青的需求越来越大,废轮胎胶粉作为一种物美价廉的沥青改性剂的应用在当今能源短缺及环境破坏的今天有着重要意义.废轮胎胶粉作为沥青改性剂的应用,一方面可以提高沥青的性能,最主要的是废轮胎胶粉的掺入对于改进沥青的高低温性能及耐久性能有着很大的作用;另一方面可以解决废旧橡胶给地球带来的严重的环境污染.国外的研究较为成熟,已经进入实用阶段,然而我国的研究才刚刚开始,特别是废轮胎胶粉对沥青低温抗裂性及抗老化性的影响以及胶粉与沥青相容性的研究还处在初级阶段.笔者使用脱硫剂,在一定条件下使废轮胎胶粉表面脱硫活化从而使其与沥青更好相容,最终达到改性沥青性能的目的.
1实验原料及方法
1.1实验原料与仪器
原料:AH-90沥青,盘锦北方沥青股份有限公司生产;脱硫剂(硫酚类化合物),东营宇鹏化工有限责任公司生产;废轮胎胶粉(天然橡胶),天津国民橡胶有限公司生产.
仪器:JB90-D型强力电动搅拌机;DF-4型智能数显沥青针入度仪;SY1.5C型恒温双数显沥青延度仪;DF-5型电脑全自动沥青软化点仪;XⅡ-3型光学显微镜.
1.2实验
1.2.1低温延度(5℃)
将基质沥青加热到180℃左右保持一定时间,去除沥青中的水分直到没有气泡产生为止,用搅拌机以转速500r/min左右的转速搅动沥青,在搅拌的过程中逐渐加入干燥的废轮胎胶粉,调节温度在150~180℃搅拌1h左右.将搅拌好的沥青倒入涂有脱模剂的模具中,经冷却和表面处理后在温度为5℃的水浴中进行延度试验.
1.2.2相容性
将经过不同方法处理过的废轮胎胶粉改性过的沥青,分别倒入烘热的并涂有脱模剂的 20×200试管中,用包有铝箔的软木塞塞紧,再用铁丝架垂直固定在温度为163℃的烘箱中保持48h取出,然后放入-18℃的冰箱中放置20h.取出后把试管均分为3段,测量上下两段试管中沥青的软化点即为所要求的数值.将各沥青试样熔化后涂在载波片上进行显微透光试验.
1.2.3抗老化性
按JTJ052-2000试验规程对薄膜加热试验方法有具体的规定,将50g沥青试样放入直径140mm、深9.5mm的不锈钢盛样皿中,沥青膜的厚度为3.2mm,在163℃通风烘箱的条件下以5.5r/mim的速率旋转,试验后测量试样经过5h的质量损失及针入度等各种指标的变化.
2试验结果及分析
2.1低温延度(5℃)
2.1.1废轮胎胶粉粒度的影响
图1为掺量为8%的废轮胎胶粉的粒度对低温(5℃)延度的影响.
从图1可以看出,胶粉的粒度对沥青的低温延度影响很大,250μm胶粉改性沥青的5℃延度比420μm大5.4左右,而250μm和178μm胶粉改性沥青的低温延度相差无几.
胶粉粒径越小,它的比表面积越大,其与沥青接触的面积越大,沥青中的油分进入胶粉使其膨胀,胶粉颗粒迅速降解,在高速搅拌及高温条件下,胶粉颗粒表面能很快降解成树脂,从而补充了沥青中树脂的不足,改善了沥青的低温性能,当粒度达到250μm以后,胶粉颗粒基本都能被溶胀降解,甚至还会出现少量树脂被热降解,这可能是178μm胶粉改性沥青的低温延度稍稍低于250μm的原因.
2.1.2废轮胎胶粉掺量的影响
根据图1的结果,选用250μm胶粉改性沥青测量其掺量对沥青低温(5℃)延度的影响(见图2).
从图2中可以看出,胶粉掺量对沥青低温延度有着很大的影响,在一定掺量范围内,胶粉掺量越大,低温延度越大.
胶粉的加入弥补了沥青中树脂含量的不足,平衡了沥青中的各组分,改善了沥青的低温性能.在低温条件下,基质沥青分子流动性下降,分子间距离缩短,分子间作用力增强,脆性增加.而基质沥青经过胶粉改性后,在低温下改性剂微粒可起到应力集中的作用,在外力拉伸作用下改性剂粒子周围引发大量银纹或剪切带,这些银纹或剪切带的发展将终止于另一颗粒,同时银纹和银纹相遇时会使银纹转向或支化,这些过程的协调作用,大大延缓了材料的破坏过程.
当材料进一步拉伸时,因低温下沥青的模量大于树脂的模量,在银纹转化为裂缝的过程中,由于界面处存在着改性剂粒子,它跨越裂缝两岸而阻碍了裂缝的进一步扩大发展,同时吸收和消耗了使混合物断裂所需要的能量,因此使沥青的低温下延度提高,抗裂性增强.
2.1.3脱硫剂掺量对低温延度的影响
根据初步试验,确定脱硫剂范围在0.60%~1.80%,测量其掺量对250μm胶粉改性沥青低温(5℃)延度的影响,如图3所示.
由图3可见,脱硫剂掺量在0.6%~1.4%时,改性沥青低温(5℃)延度随掺量的增加而增加,掺量超过1.4%以后,随掺量的增加而减小.脱硫剂的合适掺量为1.2%.
脱硫剂的作用主要是把橡胶中的多硫化物转化为二硫化物,二硫化物进而再转化为一硫化物,而后再将一硫化物切断,还原其较好的塑性,由于-S-S-键相对于-C-C-键是弱键,故在脱硫剂增加的同时-S-S-键先断裂,当-S-S-键断裂完成时,脱硫剂就会对-C-C-键起作用,这就使得橡胶塑性下降.这是因为改性沥青随着脱硫剂的增加低温延度先增加后减少.
2.2相容性
废轮胎胶粉的粒度对沥青和胶粉的相容性的影响如表1所示,试样所对应的显微透光图片(400倍)如图4所示,其中h为空白沥青试样.
由表1可见,8%质量分数的420μm、250μm和178μm胶粉改性沥青的上下软化点差分别为1.7℃、0.1℃和0℃,从图片上看,420μm胶粉改性沥青内的胶粉颗粒较多且粒径较大,250μm胶粉改性沥青内的胶粉颗粒较少且粒径较小,而178μm胶粉改性沥青内的基本没有胶粉颗粒,这是因为胶粉粒度越大,比表面积越大,越容易被沥青中油分所溶胀,所以胶粉粒径越细越容易溶于沥青.
由表1可见掺量为8%的b试样250μm胶粉改性沥青软化点差为0.1℃,而掺量为16%的g试样软化点差为8℃,b和g的显微图片可以看出b试样胶粉改性沥青中胶粉颗粒少且细,而g试样胶粉改性沥青中胶粉颗粒粗且有很大一部分没有溶于沥青,这是因为沥青中油分数量有限只能溶胀一部分胶粉,另一部分胶粉由于没有能被充分溶胀而在重力作用下下沉,使下部软化点高于上部.
由e和g的比较可以看出,掺量为16%的250μm废胶粉改性沥青上下软化点差为8℃,而经过脱硫处理的相同含量和粒度的胶粉改性沥青上下软化点差却为1.7℃,由两试样对应的图片可知经过脱硫处理过的e试样橡胶颗粒较小且分散均匀,而没有经过活化处理的g试样颗粒粗且分散不均匀,经过活化处理过的胶粉明显比没有经过活化处理的胶粉更能与沥青相容.d、f试样的比较可以看出,脱硫剂掺量为0.8%的d号样软化点差为0.2℃,而掺量为1.6%的f号样软化点差为0,d号显微图片显示有少量细小的橡胶颗粒,而f图片基本没有橡胶颗粒,所以,脱硫剂的掺量也影响着胶粉与沥青的相容性,掺量越大胶粉与沥青的相容性越好.所以,决定轮胎胶粉与沥青的相容程度关键在于确定好胶粉的粒度、掺量和脱硫剂在胶粉中的比例.通过实验得出胶粉最佳粒度为250μm,脱硫剂最佳掺量为1.2%.
2.3抗老化性
2.3.1基质沥青抗老化性
基质沥青薄膜烘箱试验结果(见表2).
由表3可见,16%废轮胎胶粉(250μm)改性沥青经过薄膜烘箱试验后,5℃延度从22.9cm下降到8.2cm,针入度(15℃,25℃,100g,5s)有所下降,而软化点上升了大约1.5℃,质量损失为-0.07%.改性前后的比较可见,两种沥青的5℃都有了明显降低,但由于16%废胶粉的初始延度(5℃)较大,虽然它降低幅度较大,但最终试验后的延度还比基质沥青大很多,如果以延度比衡量,胶粉改性沥青也比基质沥青高很多.从软化点和针入度方面来看变化大致相同.质量损失方面基质沥青试验后质量损失是因为油分的挥发,且没有超过标准规定的0.6%,而胶粉改性沥青质量变化明显小于基质沥青.这些变化的原因为胶粉改性沥青中的胶粉吸收了沥青中的油分,使其不能挥发,保持了沥青中各组分的平衡,另一方面,胶粉的加入改善了沥青的韧性,所以胶粉改性沥青的抗老化性要好于基质沥青.
3结论
(1)废胶粉的加入对于沥青的低温抗裂性能有着明显的影响,胶粉粒度越大,掺量越高,则沥青低温延度越大,也即沥青低温抗裂性能越好.
(2)粒度越大、掺量越小的胶粉与沥青的相容性越好.经过脱硫活化过的胶粉能和沥青有着很好的相容性,但脱硫剂掺入较多会过多降解胶粉和沥青中的树脂成分,反而降低了沥青的低温抗裂性能,所以确定脱硫剂在胶粉中的含量尤为重要.根据本实验结果得出脱硫剂的适合掺量为1.2%.
(3)从低温(5℃)延度、质量损失等几个指标方面评价,废胶粉改性沥青的抗老化性比基质沥青好.