不同掺量胶粉改性沥青微观机理研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言如今，随着我国国民经济的迅速发展，汽车保有量逐渐猛增，同时，废旧轮胎的数量也会逐年增加。如果废旧轮胎处理不当，不仅会造成黑色污染问题，还会造成有限资源的浪费。为此，人们越来越重视废旧轮胎的回收再利用问题。已有大量研究使用废旧轮胎对沥青进行改性，其具体做法是将废旧轮胎胶粉掺入沥青中，通过处理，以达到提高沥青结合料的相关技术指标并改善沥青混合料的路用性能1-3。另外，部分研究分析了沥青的改性机理，云庆庆等4通过红外光谱、扫描电镜和差示扫描研究了废旧轮胎胶粉改性沥青，研究表明，改性沥青的制备过程既有化学变化又有物理变化。许洪彬5通过热重、红外光谱、荧光显微镜以及差示扫描量热分析研究了废旧轮胎胶粉与基质沥青复合改性沥青的微观组成和热力学性质，研究表明，在复合改性过程中，废旧轮胎胶粉在沥青中形成了网状结构，其中既有物理变化又有化学变化。王征等6通过普通显微镜来观察废旧塑胶复合改性沥青，发现沥青温度性能的改善是由于改性剂与沥青在复合改性过程中形成了立体网状结构所造成的。综上所述，目前关于废旧轮胎胶粉改性沥青微观结构分析的研究相对较多，其中废旧轮胎胶粉的一般掺量为20%，几乎未涉及胶粉掺量在20%以上的情况。因此，本文通过红外光谱、扫描电镜和荧光显微镜来分析胶粉掺量为 20%、30%和 40%的三种胶粉改性沥青的微观机理。1 试验方案1.1 试验材料试验试样选用胶粉掺量为 20%、30%和 40%的三种不同掺量胶粉改性沥青（胶粉改性沥青简称RA）。其中，胶粉掺量为20%的RA主要由沥青、胶粉、软化油O1、纳米碳酸钙 C1、SBS、交联剂 T1所组成，如表 1所示；胶粉掺量为30%的RA主要由沥青、胶粉、降黏剂 A1、软化油 O1、补强剂、SBS、交联剂 T1所组成，如表2所示；胶粉掺量为40%的RA主要由沥青、胶粉、降黏剂A1、软化油O1、补强剂、SBS、交联剂T1所组成，如表3所示。沥青采用70号沥青，胶粉采用路用废胎胶粉。表1 20%胶粉改性沥青组成情况材料掺量沥青（%）80胶粉（%）20软化油（%）0.5SBS（%）1纳米碳酸钙（%）3交联剂（%）0.25表2 30%胶粉改性沥青组成情况材料掺量沥青（%）70胶粉（%）30软化油（%）0.25降黏剂（%）1.25SBS（%）0-1补强剂（%）5交联剂（%）0.25表3 40%胶粉改性沥青组成情况材料掺量沥青（%）60胶粉（%）40软化油（%）0.5降黏剂（%）3.125SBS（%）0补强剂（%）8交联剂（%）0.251.2 试验方案本次试验采用红外光谱、扫描电镜、荧光显微镜对胶粉掺量为20%、30%和40%的三种不同RA的微观收稿日期：2023-03-16作者简介：薛玉萍（1981），女，河北沧州人，助理工程师，研究方向为道路工程。不同掺量胶粉改性沥青微观机理研究薛玉萍（沧州交通发展（集团）有限责任公司，河北 沧州 061000）摘要：为研究废旧轮胎胶粉掺量对基质沥青的微观机理，利用红外光谱、扫描电镜和荧光显微镜对胶粉掺量为20%、30%和40%的三种胶粉改性沥青进行微观分析，研究废旧轮胎胶粉掺量对基质沥青的微观机理。通过红外光谱分析表明，在三种胶粉改性沥青中，胶粉与基质沥青间的交互作用以物理溶胀反应为主，但存在一定的化学反应，随着胶粉掺量的增加，化学反应有所增强。扫描电镜表征结果表明，三种胶粉改性沥青（RA）中胶粉颗粒粒径范围基本一致，都是以1040 m为主，但后两种还存在许多超细胶粉（亚微米级）颗粒以及溶解胶粉，且其分布非常均匀。通过荧光图谱发现，三种胶粉改性沥青的性能优异，其主要因素是胶粉颗粒的均匀分布，而SBS改性剂可提升整体性能，但提升幅度有限。关键词：胶粉改性沥青；红外光谱；扫描电镜；荧光显微镜中图分类号：U414文献标识码：B7总657期2023年第27期（9月 下）机理进行研究。通过红外光谱分析研究三种RA内部组团的分布情况及含量多少，进一步分析三种不同掺量RA中是否有新的化学组团产生及各典型组团含量的变化。通过SEM获取三种RA体系和胶粉的外观结构来研究胶粉在三种不同掺量RA中的分布形态。通过荧光显微镜来研究SBS在三种RA中的分布形式及粒径。2 试验结果分析2.1 红外光谱分析红外光谱仪测定加入废胎胶粉前后沥青的官能团和分子结构的变化。如果胶粉和基质沥青之间只发生了物理作用，没有发生化学作用，则RA的红外光谱图中吸收峰应为胶粉和基质沥青吸收峰的简单几何叠加，且吸收峰的位置应相同，强度会有所变化。如胶粉改性沥青与基质沥青之间发生了化学变化，则RA的红外光谱中应产生新的吸收峰，并且对应着新的化学键，以此来分析胶粉掺量为 20%、30%和 40%的三种不同RA的微观机理。胶粉掺量为20%、30%和40%的三种RA的红外光谱图如图1图4所示，基质沥青和胶粉的红外光谱图如图 1图 3 所示，来比较三种不同胶粉掺量 RA 的异同。由图 1图 4可知：从 1 3004 000 cm-1的吸收峰对比可以发现，胶粉掺量为 20%、30%和 40%的三种RA的吸收峰是胶粉和70 号沥青吸收峰的叠加；胶粉和三种 RA在3 412 cm-1处的吸收峰均归属于羟基（-OH）对应的吸收峰；胶粉、沥青和三种RA在2924cm-1和2 850 cm-1处的吸收峰均归属于饱和烃中的亚甲基（-CH2-）的伸缩振动峰；三种RA和胶粉在1 630 cm-1附近均存在吸收峰，其归属于碳碳双键（-C=C-）的伸缩振动峰，是橡胶烃的吸收峰；在1 455 cm-1和1 375 cm-1处的吸收峰归属于 C-CH3和-CH2-中 C-H面的弯曲振动；对比三种RA和胶粉在1 300 cm-1以下的指纹区发现，胶粉在指纹区的峰在RA中出现了一定的减弱现象，这可能与不同胶粉掺量RA的制备过程存在着胶粉自身的降解化学反应有关，随着胶粉掺量的增加，降解化学反应有所增强。图1 20%RA红外光谱图图2 30%RA红外光谱图图3 40%RA红外光谱图图4 不同掺量RA红外图谱对比总之，胶粉掺量为20%、30%和40%的三种RA的制备过程虽然存在一定的胶粉降解化学反应，但主要以物理混合为主。对于RA中的胶粉来说，无论是溶胀的胶粉还是溶解的胶粉，其化学键并没有差异，只是分子量的大小有所差异、相态不同，归根结底还是一类物质。2.2 扫描电镜分析1）胶粉胶粉扫描电镜图如图5所示。由图5（a）可知，胶粉的粒径大约在10400 m范围内，粒径分布比较宽，形貌特点存在差异性。胶粉的形貌主要分为两种类型：第一种如图5（b）所示，其表面光滑基本没有次级颗粒，此种胶粉由于其表面致密，不利于沥青小分子扩散进入胶粉内部，破碎成为小颗粒较难；第二种如图5（c）所示，其表面粗糙，有许多次级粒子附着在表面，且表面存在一些空隙，此种胶粉由于其表面空隙多，沥青轻质组分相对容易扩散至胶粉内部。2）胶粉改性沥青（RA）胶粉掺量为20%、30%和40%的三种RA的SEM图如图6图8所示。8交通世界TRANSPOWORLD图6 20%RA电镜图图7 30%RA电镜图图8 40%RA电镜图由图6图8可知：胶粉颗粒在三种RA中分布较为均匀，颗粒尺寸大小不一；大部分胶粉的粒径在1040 m范围之内，其中1020 m胶粉数量较多；另外，还存在许多10 m以下的胶粉颗粒；在三种RA中，胶粉大颗粒的主要形貌以棒状为主，这与高速剪切机对胶粉的破碎机理相一致；与原胶粉形貌相比，RA中胶粉颗粒表面较为光滑圆润，表面没有次级粒子，这是由于胶粉次级粒子黏聚力较低，会破碎进入沥青中；与胶粉掺量为20%的RA相比，胶粉掺量为30%和40%的RA的次级小颗粒胶粉数量明显增多，分布更加密集，这说明随着胶粉掺量的增加，亚微米级别的胶粉小颗粒含量会有所增加，部分橡胶分子会溶解到沥青中。综上所述，随着胶粉掺量的增加，RA中胶粉的粒径分布趋于细小化，并存在有部分更小的橡胶分子溶解进入沥青当中。因此，大胶粉掺量的 RA 确实属于“溶胀胶粉-溶解胶粉-沥青”三元共混体系，其中沥青作为连续相，溶胀胶粉和溶解胶粉作为分散相。2.3 荧光显微镜分析胶粉掺量为20%、30%和40%的三种RA的荧光显微镜图如图7所示，由于沥青没有荧光性，SBS颗粒在荧光照射下呈现白色，胶粉颗粒在荧光的照射下呈黑色，所以在荧光显微镜图中，白色颗粒即为SBS，而黑色颗粒即为胶粉颗粒。（a）20%（b）30%（c）40%图7 不同掺量RA荧光显微图由图7可知，在三种RA中，SBS颗粒粒径分布较为均匀，较大的颗粒可达11 m，而较小的颗粒则不足5 m，SBS改性剂的形貌以棒状长条状为主。从分布状态来看，SBS在RA体系中主要起加筋作用，加筋作用可提高 RA的整体性能，但随着胶粉掺量的增加，RA的整体性能提高幅度有限。另外，随着胶粉掺量的增加，三种RA中小粒径胶粉的分布更为密集，这与SEM图片观测的结果是一致的。综上所述，RA的性能优异，其最主要的因素是胶粉颗粒的均匀分布，而SBS改性剂的加入，可使胶粉改性沥青的整体性能有所提升，但提升幅度有限。3 结论本研究通过红外光谱分析、扫描电镜分析以及荧光显微镜分析的试验手段，探讨了胶粉掺量为 20%、30%和40%的三种胶粉改性沥青（RA）的微观相态分析。主要结论如下：1）胶粉掺量为30%和40%的两种胶粉改性沥青（RA）是一个“溶胀胶粉-溶解胶粉-沥青”的三元共混体系。2）红外光谱分析表明，在胶粉掺量为20%、30%和40%的三种胶粉改性沥青（RA）中，胶粉与基质沥青间的交互作用以物理溶胀反应为主，但存在一定的化学反应，随着胶粉掺量的增加，化学反应有所增强。3）胶粉掺量为20%、30%和40%的三种胶粉改性沥青（RA）中胶粉颗粒粒径范围基本一致，都是以1040 m为主，但后两种RA还存在许多超细胶粉（亚微米级）颗粒以及溶解胶粉，且其分布非常均匀。4）从荧光图谱中可以看出，胶粉掺量为 20%、30%和 40%的三种胶粉改性沥青（RA）的性能优异，其主要因素是胶粉颗粒的均匀分布，而SBS改性剂能使整体性能有所提升，但提升幅度有限。参考文献：1 Shubham B,Anil K M,Purnima B.Evaluation of modi-fied bituminous concrete mix developed using rubberand plastic waste Materials J.International Journal ofSustainable Built Environment,2017,6（2）:442-448.2 张红春.橡胶/塑料复合改性沥青及混合料的流变性能J.筑路机械与施工机械化，2017，34（3）：58-62.3 王清，李攀.废轮胎胶粉PE复合改性沥青混合料路用性能试验研究J.公路交通科技（应用技术版），2018，14（7）：155-157.4 云庆庆，曹康，陆江银，等.废橡塑复合改性沥青的研究J.石油炼制与化工，2017，48（12）：83-87.5 许洪彬.废胶粉及再生低密度聚乙烯复合改性沥青性能研究D.长沙：湖南大学，2015.6 王征，左娜，杨军，等.废旧塑料橡胶复合改性沥青性能研究J.石油沥青，2014，28（3）：5-8.（a）（b）（c）图5 胶粉扫描电镜图9