橡膠粉在熱瀝青中的溶脹降解特性分析*

栗培龍 丁湛 陳沖

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

橡膠粉在熱瀝青中的溶脹降解特性分析*

栗培龍1丁湛2陳沖1

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064； 2.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 陜西 西安 710054)

制備廢膠粉改性瀝青是實(shí)現(xiàn)廢橡膠資源化利用及減輕環(huán)境污染的有效途徑.為了研究膠粉在瀝青中的物化行為以及對(duì)瀝青的改性作用，分別在不同膠粉摻量、不同溫度和處理時(shí)間條件下制備膠粉改性瀝青，采用洗脫法分離膠粉后，使用光學(xué)顯微鏡測(cè)定膠粉粒徑的變化，提出體積膨脹率表征膠粉在瀝青中的體積變化；并對(duì)用篩析方法分離膠粉后的瀝青樣品，進(jìn)行了紅外光譜(IR)和差示掃描量熱(DSC)分析.結(jié)果表明：制備膠粉改性瀝青過(guò)程中，溶脹和降解是影響膠粉體積的兩個(gè)重要因素，隨著膠粉摻量增加、制備溫度升高和處理時(shí)間延長(zhǎng)，體積膨脹率均呈先增大后減小趨勢(shì)；溶脹后的橡膠分子發(fā)生斷鏈降解釋放出小分子物質(zhì)溶于瀝青組分發(fā)揮改性作用，特征官能團(tuán)吸收峰大幅增強(qiáng)；195 ℃，1.5 h和175 ℃，3.0 h制備的瀝青樣品DSC譜線(xiàn)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的吸熱峰，即處理溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能發(fā)生膠粉過(guò)度降解、膠粉團(tuán)聚或?yàn)r青老化行為，使膠粉改性瀝青的物化狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致性能劣化.從膠粉溶脹與降解的角度，建議膠粉摻量在20%左右，處理溫度不高于195 ℃，處理時(shí)間不超過(guò)1.5 h.

膠粉改性瀝青；溶脹；降解；體積膨脹率；紅外光譜分析;差熱分析

近年來(lái)，我國(guó)汽車(chē)保有量逐年迅速增長(zhǎng)，廢舊輪胎的產(chǎn)生量也大幅增加，廢舊橡膠的回收利用是解決資源短缺和環(huán)境污染的有效途徑.當(dāng)前，利用廢膠粉進(jìn)行瀝青改性技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，即將廢膠粉直接加入瀝青或?yàn)r青混合料中改善其路用性能[1- 2].許多學(xué)者開(kāi)展了橡膠瀝青的性能及工程應(yīng)用研究，在橡膠瀝青制備溫度、處理時(shí)間等工藝條件以及膠粉粒徑、膠粉摻量、瀝青性質(zhì)等橡膠瀝青性能影響因素等方面已取得了大量的研究成果[3- 6].廢膠粉是硫化橡膠，屬于惰性高分子材料，在制作改性瀝青過(guò)程中，需要借助強(qiáng)力攪拌或機(jī)械剪切作用才能分散于高溫的瀝青中.目前的制備工藝條件主要是參考工程經(jīng)驗(yàn)確定的，仍缺乏膠粉與瀝青相互作用的理論依據(jù).膠粉在瀝青中的溶脹及降解行為在很大程度上影響膠粉改性瀝青的改性效果和路用性能.為了獲得高性能的膠粉改性瀝青，國(guó)內(nèi)外研究者逐漸開(kāi)始了膠粉與瀝青的物化行為以及微細(xì)觀作用機(jī)理方面的研究.Abdelrahman 等[7]指出，橡膠瀝青中存在膠粉溶脹與降解行為;Shen等[8]討論了橡膠活化劑對(duì)橡膠瀝青性能的影響；Frantzis[3]使用冷臺(tái)顯微鏡描述了膠粉在熱瀝青中的溶脹，并通過(guò)膠粉顆粒中瀝青濃度的變化討論膠粉改性瀝青的流變行為[9].在高溫狀態(tài)下膠粉吸收瀝青中輕質(zhì)組分而溶脹，膠粉顆粒相互接觸，通過(guò)凝膠膜連接，形成半固態(tài)的連續(xù)結(jié)構(gòu)，約束自由瀝青的運(yùn)動(dòng)[10].崔亞楠等[11]利用紅外光譜、熱重、掃描電鏡等方法，分析了廢膠粉微觀結(jié)構(gòu)對(duì)改性瀝青性能的影響，研究了兩者之間相互作用的機(jī)理.然而，膠粉在瀝青中的溶脹及降解特性仍缺乏深入的分析和評(píng)價(jià)，膠粉在瀝青中的物化特性及改性行為仍有待進(jìn)一步研究.

文中結(jié)合膠粉改性瀝青的制備條件，分別進(jìn)行了不同摻量、溫度以及處理時(shí)間的膠粉溶脹試驗(yàn)，提出了體積膨脹率指標(biāo)，分析了膠粉在瀝青中的體積變化特性，并采用差示掃描量熱法和紅外光譜分析，討論膠粉在瀝青中的溶降解行為以及對(duì)瀝青的改性作用.

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

基質(zhì)瀝青采用埃索-90#瀝青，基本性質(zhì)列于表1中.膠粉采用陜西長(zhǎng)大華礎(chǔ)工程材料科技股份有限公司生產(chǎn)的60目(即平均粒徑250 μm)斜交胎膠粉，外觀呈黑色，物理化學(xué)參數(shù)如表2所示.

表1 瀝青的基本性質(zhì)Table 1 Properties of asphalt binders

表2 膠粉的物理化學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and chemical parameters of crumb rubber

1.2 膠粉改性瀝青的制備及溶脹評(píng)價(jià)參數(shù)

為了分析膠粉摻量、制備溫度以及處理時(shí)間對(duì)膠粉在瀝青中的溶脹及降解行為的影響，采用加熱攪拌的方法，分別在不同條件下制備膠粉摻量的膠粉改性瀝青.制備條件如下：①膠粉摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%、35%，處理溫度為175 ℃，處理時(shí)間為1.5 h；②膠粉摻量為20%，處理溫度分別為140、150、160、175、195 ℃，處理時(shí)間為1.5 h；③膠粉摻量為20%，處理溫度為175 ℃，處理時(shí)間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h.

制備完成后，采用回流洗脫的方法將膠粉從改性瀝青體系中分離(如圖1所示).根據(jù)“相似相溶”原理，選擇能完全溶解瀝青的有機(jī)溶劑甲苯[12- 13]為洗脫實(shí)驗(yàn)的洗脫劑，洗脫至無(wú)色后，將濾紙連同膠粉置于表面皿，放入60 ℃的通風(fēng)烘箱中60 min，揮發(fā)掉殘留的洗脫劑.然后，將每組洗脫干燥后的膠粉平鋪于載玻片上，采用上海光譜儀器有限公司生產(chǎn)的XSP-8CA型光學(xué)顯微鏡，每次隨機(jī)挑選25個(gè)試樣進(jìn)行膠粉粒徑的測(cè)量，取平均值作為膠粉粒徑測(cè)量結(jié)果，每組隨機(jī)測(cè)量進(jìn)行4次得4個(gè)平均值，每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件取5組進(jìn)行洗脫實(shí)驗(yàn)及顯微測(cè)量，即每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件得20組粒徑測(cè)量數(shù)據(jù).洗脫后典型的膠粉顆粒顯微照片如圖2所示.同時(shí)，為考察甲苯在進(jìn)行洗脫過(guò)程中對(duì)膠粉的影響，分別對(duì)原始膠粉顆粒進(jìn)行了相同條件下的空白洗脫實(shí)驗(yàn).

圖1 膠粉洗脫試驗(yàn)Fig.1 Elution test of crumb rubber

圖2 膠粉顆粒顯微照片F(xiàn)ig.2 Micrographs of crumb rubber

根據(jù)洗脫前后測(cè)得的膠粉粒徑，提出膠粉體積膨脹率計(jì)算公式(VR)，分析不同溶脹條件對(duì)膠粉溶脹特性的影響：

(1)

式中，R為溶脹并洗脫后的膠粉平均直徑，mm，R0為空白洗脫后的膠粉平均直徑，mm.

1.3 紅外光譜分析

瀝青屬于高分子材料，通過(guò)紅外光譜(IR)試驗(yàn)測(cè)定瀝青樣品各主要官能團(tuán)吸收峰的變化，可以深入地認(rèn)識(shí)膠粉改性前后瀝青中的成分差異.將溶解于溶劑的瀝青樣品涂膜于KBr鹽片上，待溶劑揮發(fā)后，用美國(guó)Nicolet 560 傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)定，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32次，測(cè)試范圍為4 000～400 cm-1.

1.4 差示掃描量熱分析

材料從一種相態(tài)向轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相態(tài)(如固態(tài)到液態(tài))時(shí)，會(huì)伴隨著吸熱或放熱的現(xiàn)象.通過(guò)分析物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)熱量的傳遞規(guī)律，可了解材料對(duì)溫度變化的敏感性.差示掃描量熱法是一種熱分析法.通過(guò)差示掃描量熱儀記錄的DSC曲線(xiàn)，可以反映材料的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性.采用美國(guó)Perkin-Elmer 公司的DSC 7型差示掃描量熱儀進(jìn)行橡膠瀝青的差熱分析.溫度范圍為25～450 ℃，氣氛為氮?dú)猓郎厮俣葹?20 ℃/min.

1.5 黏度試驗(yàn)

根據(jù)膠粉在瀝青中的溶脹及降解特性，在不同條件下制備膠粉改進(jìn)瀝青(CRMA)，然后采用布洛克菲爾德(Brookfield)黏度計(jì)(27號(hào)轉(zhuǎn)子，50 r/min)，按照ASTM D 4402的試驗(yàn)方法測(cè)定CRMA的180 ℃黏度，分析膠粉在瀝青中的物化效應(yīng)對(duì)膠粉改性瀝青性能的影響，并討論制備條件的有效性.

2 膠粉的體積溶脹特性分析

2.1 膠粉摻量對(duì)溶脹特性的影響

膠粉摻量是影響膠粉改性瀝青的重要因素.膠粉摻量越大,橡膠瀝青黏度越高，高溫抗變形能力越強(qiáng)，但如果膠粉摻量太高，可能導(dǎo)致低溫和疲勞性能不足.郭琦等[6]的研究表明：膠粉摻量在18%～24%時(shí)，橡膠瀝青性能較好；膠粉摻量量為5%～20%時(shí)，膠粉改性瀝青具有較好的低溫抗裂性[4].分別采用占瀝青質(zhì)量5%、10%、15%、20%、25%、35%摻量的膠粉，在175 ℃下進(jìn)行1.5 h的瀝青體系溶脹實(shí)驗(yàn)，達(dá)到設(shè)計(jì)反應(yīng)時(shí)間后，將膠粉從改性瀝青體系中洗脫分離，然后測(cè)定膠粉粒徑，并扣除空白實(shí)驗(yàn)影響，得膠粉摻量對(duì)溶脹特性的影響如圖3所示.

圖3 VR隨膠粉摻量的變化

Fig.3 VR changing with the increase in dosage of crumb rubber

由圖3可知，在溶脹溫度175 ℃、處理時(shí)間1.5 h的條件下，隨著膠粉摻量的增加，膠粉的平均粒徑增加幅度和體積膨脹率先逐漸增大再逐漸減小，在膠粉摻量為20%時(shí)體積膨脹率達(dá)到最大值6.49，即溶脹后膠粉的平均體積增加了6.49倍；而最小摻量5%對(duì)應(yīng)的膠粉膨脹率最小，膠粉的平均體積僅增加了1.06倍.分析認(rèn)為，膠粉的體積變化主要和瀝青中的輕組分有關(guān).在高溫液態(tài)的瀝青中，膠粉吸收了瀝青中的輕組分會(huì)發(fā)生溶脹，進(jìn)而體積增大；同時(shí)輕組分具有很強(qiáng)的溶解性，如果膠粉摻量較小，溶脹后膠粉表面的分子鏈將會(huì)發(fā)生降解，進(jìn)而溶解進(jìn)入瀝青組分中，膠粉體積減小.可見(jiàn)，在熱瀝青中，溶脹和溶解這兩個(gè)促使膠粉體積增大和減小的作用共存.當(dāng)膠粉摻量很小時(shí)，瀝青中的輕組分充足，膠粉溶脹完畢后，降解溶解作用顯著，體積膨脹率最小.若膠粉摻量適中(如20%)，膠粉溶脹充分，但隨著瀝青中的輕組分的消耗，溶降解作用不足，體積膨脹率最大.若膠粉摻量繼續(xù)增大，由于輕組分不足，膠粉溶脹作用不充分，體積膨脹率又逐漸減小.因此，從膠粉溶脹的角度來(lái)看，膠粉摻量以接近20%為宜.

2.2 溶脹時(shí)間對(duì)膠粉溶脹特性的影響

膠粉改性瀝青的制備一般需要進(jìn)行攪拌或剪切處理，其中處理時(shí)間是影響膠粉改性瀝青性能的重要工藝參數(shù).時(shí)間過(guò)短膠粉溶脹不充分，難以發(fā)揮改性效果，但如果時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不僅浪費(fèi)能源，而且可能使膠粉過(guò)分降解，導(dǎo)致橡膠瀝青性能劣化.李廷剛等[14]研究認(rèn)為，膠粉改性瀝青制備反應(yīng)時(shí)間最好為45 min左右,不宜超過(guò)4 h.為了分析反應(yīng)時(shí)間對(duì)膠粉粒徑變化的影響，選擇20%摻量的膠粉，在175 ℃下制備膠粉改性瀝青，攪拌時(shí)間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h，分離膠粉后測(cè)量粒徑變化，并扣除空白實(shí)驗(yàn)影響，得溶脹時(shí)間對(duì)膠粉溶脹特性的影響如圖4所示.

圖4 VR隨溶脹時(shí)間的變化Fig.4 VR changing with the increase in swelling time

由圖4可知，隨溶脹時(shí)間的延長(zhǎng)，膠粉的平均粒徑變化和體積膨脹率都呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)溶脹時(shí)間為1.5 h時(shí)，膠粉的體積膨脹率達(dá)到最大值7.50.膠粉在基質(zhì)瀝青中以物理溶脹為主，但同時(shí)存在化學(xué)反應(yīng)，且隨時(shí)間延長(zhǎng)，化學(xué)反應(yīng)越來(lái)越明顯[15].當(dāng)膠粉摻量和溶脹溫度一定時(shí)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，膠粉不斷地從瀝青中吸收輕組分，其體積膨脹率不斷加大；但如果處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，膠粉的化學(xué)降解作用逐漸加劇，膠粉顆粒表面的分子鏈逐漸降解為小分子而進(jìn)入瀝青組分中，導(dǎo)致膠粉體積膨脹率減小.因此，在膠粉改性瀝青制備過(guò)程中，要選擇合適的處理時(shí)間.

2.3 溫度對(duì)膠粉溶脹特性的影響

膠粉改性瀝青的制備屬于膠粉-瀝青混溶體系發(fā)生一系列物理化學(xué)作用的過(guò)程.反應(yīng)溫度對(duì)膠粉和瀝青之間物化作用有重要影響.李廷剛等[14]分析了反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)橡膠瀝青的性能指標(biāo)的影響,建議反應(yīng)溫度控制在180～190 ℃.石雪琴等[16]的研究表明，當(dāng)攪拌溫度超過(guò)200 ℃時(shí)，膠粉裂解過(guò)度而導(dǎo)致性能衰減.采用20%的膠粉摻量、1.5 h的攪拌時(shí)間，分別在140、150、160、175、195 ℃溫度條件下制備膠粉改性瀝青，采用洗脫試驗(yàn)分離膠粉后測(cè)量膠粉粒徑的變化，并扣除空白實(shí)驗(yàn)影響，得處理溫度對(duì)膠粉溶脹特性的影響如圖5所示.

圖5 膠粉體積膨脹率(VR)隨溫度的變化Fig.5 VR change with the increase in treating temperature

由圖5可知，溫度對(duì)膠粉在瀝青中的溶脹行為影響顯著.當(dāng)反應(yīng)溫度低于160 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，膠粉粒徑和體積膨脹率都緩慢增大；當(dāng)反應(yīng)溫度由160 ℃增大到175 ℃時(shí)，膠粉體積膨脹率由2.56急劇增加到7.25；當(dāng)溫度增加到195 ℃時(shí)，膠粉膨脹率又降為2.30.分析認(rèn)為，當(dāng)溫度較低時(shí)，瀝青的流動(dòng)性較差，對(duì)膠粉溶脹起關(guān)鍵作用的輕組分浸潤(rùn)能力較低，同時(shí)膠粉顆粒的活性也較差，吸收輕組分的能力有限，膠粉體積膨脹率較小；當(dāng)系統(tǒng)溫度達(dá)到175 ℃時(shí)，瀝青中輕組分的浸潤(rùn)性能和膠粉活性均顯著增強(qiáng)，因而膠粉體積膨脹率達(dá)到最大值；當(dāng)溫度升高至195 ℃以上時(shí)，膠粉將發(fā)生嚴(yán)重的降解，同時(shí)輕組分對(duì)其的溶解能力大幅增加，膠粉體積膨脹率有所降低.因此建議膠粉改性瀝青的制備溫度不宜超過(guò)195 ℃.

3 膠粉在瀝青中的微觀變化分析

3.1 膠粉改性瀝青的紅外光譜分析

選擇60目膠粉，摻量20%，分別在5組條件下(160 ℃，1.5 h；175 ℃，1.0 h、1.5 h、3.0 h；195 ℃，1.5 h)制備膠粉改性瀝青，然后用80目篩對(duì)膠粉改性瀝青樣品進(jìn)行篩析分離膠粉.將基質(zhì)瀝青以及分離膠粉的瀝青樣品進(jìn)行紅外光譜分析，并與基質(zhì)瀝青的紅外譜圖進(jìn)行對(duì)比，分析膠粉改性前后瀝青樣品的官能團(tuán)變化.幾種瀝青樣品的紅外光譜如圖6所示.

圖6 瀝青樣品的紅外光譜Fig.6 Infrared spectra of asphalt samples

3.2 膠粉改性的DSC分析

為了進(jìn)一步探析膠粉改性瀝青制備過(guò)程中的物化變化，將基質(zhì)瀝青以及分離膠粉的改性瀝青樣品進(jìn)行DSC測(cè)試，3種溫度和3種處理時(shí)間下對(duì)應(yīng)的改性瀝青樣品與基質(zhì)瀝青的DSC曲線(xiàn)對(duì)比分別如圖7所示.

由圖7(a)可以看出，在365 ℃以下，3種溫度下制備的膠粉改性瀝青及基質(zhì)瀝青的DSC曲線(xiàn)均較平滑，說(shuō)明此溫度區(qū)間內(nèi)改性瀝青各相組成與基質(zhì)瀝青較為相近，膠粉在瀝青中反應(yīng)所生成的物質(zhì)較好地填充到了瀝青的各相中.在365 ℃以上的溫度區(qū)間內(nèi)，與基質(zhì)瀝青相比，3種溫度下制備的膠粉改性瀝青的DSC曲線(xiàn)均有較大波動(dòng)，其中160 ℃和175 ℃制備的瀝青樣品譜線(xiàn)波動(dòng)幅度相當(dāng)，而195 ℃制備的瀝青樣品DSC譜線(xiàn)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的吸熱峰，說(shuō)明在195 ℃下膠粉在瀝青中的反應(yīng)產(chǎn)物與其在其他兩個(gè)溫度下的反應(yīng)產(chǎn)物有所不同，結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可推測(cè)，反應(yīng)溫度過(guò)高使得膠粉發(fā)生過(guò)度降解或與瀝青反應(yīng)生成極性化合物，使瀝青性能劣化.圖7(b)直觀展現(xiàn)了175 ℃下處理時(shí)間對(duì)膠粉溶降解行為的影響.在低溫下幾種瀝青樣品的DSC曲線(xiàn)均十分平滑；在高溫區(qū)域處理時(shí)間1.0 h和1.5 h的DSC譜線(xiàn)有小幅波動(dòng)，而處理時(shí)間3.0 h的瀝青樣品DSC譜線(xiàn)走勢(shì)急劇變化，出現(xiàn)了非常強(qiáng)烈的吸熱峰，可見(jiàn)即使在相同的處理溫度下，如果處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能由于老化或發(fā)生團(tuán)聚及降解行為，膠粉改性瀝青體系的物化狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變.

圖7 瀝青樣品的DSC曲線(xiàn)Fig.7 DSC curves of asphalt samples

4 膠粉改性瀝青黏度特性分析

黏度是評(píng)價(jià)膠粉改性瀝青性能的重要指標(biāo)，黏度變化在很大程度上反映了膠粉改性瀝青流變性能的差異.為了評(píng)估制備過(guò)程中老化對(duì)黏度的影響，進(jìn)行了空白試驗(yàn)(膠粉摻量D=0%)，在不同條件下制備的膠粉改性瀝青粘度變化如圖8所示.

由圖8可以看出，即使不摻加膠粉，隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青的黏度均不斷增大，即老化效應(yīng)顯著.隨著膠粉摻量的增加，膠粉改性瀝青的黏度都不斷增大，這是因?yàn)槟z粉改性瀝青的黏度來(lái)源于溶解橡膠分子的瀝青黏度、膠粉-瀝青界面粘滯效應(yīng)以及膠粉顆粒位阻效應(yīng).隨著膠粉摻量的增加，以上3種效應(yīng)均會(huì)顯著增加，因此黏度急劇增大.當(dāng)膠粉摻量較小時(shí)，隨著處理溫度的升高，不同處理時(shí)間的膠粉改性瀝青黏度逐漸增大；但當(dāng)膠粉摻量超過(guò)10%后，處理時(shí)間大于90 min的改性瀝青黏度均先增大后減小，存在一個(gè)峰值.可見(jiàn)，處理溫度和處理時(shí)間是影響膠粉降解特性的兩個(gè)關(guān)鍵因素，溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都可能引起橡膠分子鏈的降解而導(dǎo)致膠粉改性瀝青的黏度降低.適當(dāng)提高反應(yīng)溫度和延長(zhǎng)處理時(shí)間具有一定的等效性，在實(shí)際工程中需要根據(jù)材料特性確定制備條件.

圖8 不同處理?xiàng)l件下的黏度變化Fig.8 Viscosity variation under different conditions

綜上可知，在膠粉改性瀝青制備過(guò)程中，膠粉在瀝青中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，即在瀝青芳香分、飽和分等輕組分作用下，膠粉會(huì)發(fā)生溶脹，以表面疏松的顆粒或絲狀分布在瀝青基體中；在較高的溫度和較長(zhǎng)的處理時(shí)間下，膠粉會(huì)部分降解成小分子物質(zhì)溶解于瀝青中，使瀝青的高低溫性能得到改善；但如果溫度過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，膠粉則會(huì)發(fā)生過(guò)度降解或與瀝青組分發(fā)生反應(yīng)生成極性化合物，使瀝青性能劣化.可見(jiàn)，膠粉改性瀝青宏觀性能的變化是膠粉溶脹、降解等物化效應(yīng)的外在表現(xiàn).因此，在制備膠粉改性瀝青過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制工藝條件.

5 結(jié)論

(1)體積膨脹率可以表征膠粉在瀝青中的體積變化特性，制備膠粉改性瀝青過(guò)程中，膠粉溶脹和降解作用共同存在，同時(shí)也是影響膠粉體積膨脹率的兩個(gè)重要因素，隨著膠粉摻量的增加、處理溫度的升高以及處理時(shí)間的延長(zhǎng)，VR均呈先增大后減小趨勢(shì).

(3)在195 ℃、1.5h和175 ℃、3.0 h條件下制備的瀝青樣品DSC譜線(xiàn)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的吸熱峰，即處理溫度過(guò)高或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能發(fā)生膠粉過(guò)度降解、膠粉團(tuán)聚或?yàn)r青老化行為，膠粉改性瀝青的物化狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致性能劣化.

(4)從膠粉溶脹與降解特性以及黏度衰變的角度綜合考慮，建議膠粉摻量在20%左右，處理溫度不宜高于195 ℃，處理時(shí)間不宜超過(guò)1.5 h.

[1] 孫玉海，蓋國(guó)勝，張培新.我國(guó)廢橡膠資源化利用的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) [J].橡膠工業(yè)，2003，50：760- 763. SUN Yu-hai,GAI Guo-sheng,ZHNAG Pei-xin.Present situation and development trend of waste rubber recycling in China [J].Journal of rubber industry,2003，50：760- 763.[2] FRANCISCO Javier López-Moro,MARIA Candelas Moro,FRANCISCO Hernández-Olivares,et al.Microscopic ana-lysis of the interaction between crumb rubber and bitumen in asphalt mixtures using the dry process [J].Construction and Building Materials,2013,48:691- 699.

[3] FRANTZIS P.Crumb rubber-bitumen interaction:cold-stage optical micros-copy [J].Journal of Materials in Civil Engineering,2003,15(5):419- 426.

[4] BAHA Vural K?K,YILMAZ Mehmet,ALAADDIN Geki L.Evaluation of the low temperature and elastic properties of crumb rubber and SBS modified bitumen and mixtures [J].Journal of Materials in Civil Engineering,2013,25(2):257- 265.

[5] 丁湛，栗培龍.膠粉改性瀝青黏度影響因素及預(yù)估模型研究 [J].公路，2012(7):213- 216 DING Zhan,LI Pei-long.Research on influence factors and prediction model of viscosity of crumb rubber modified asphalt [J].Highway,2012(7):213- 216.

[6] 郭琦,宋莉芳,梁曉忠,等.廢舊膠粉摻加量對(duì)基質(zhì)瀝青性能的影響 [J].公路，2014(4)：194- 197. GUO Qi,SONG Li-fang,LIANG Xiao-zhong,et al.Influence of waste powder amount to performance of different grade of asphalt [J].Highway,2014(4)：194- 197.

[7] ABDELRAHMAN M A，CARPENTER S H.Mechanism of interaction of asphalt cement with crumb rubber modifier [J].Transportation Research Record,1999,1661:106- 113.[8] SHEN J，AMIRKHANIAN S，LEE S J.The effects of rejuvenating agents on recycled aged CRM binders [J].International Journal of Pavement Engineering，2005，6(4):273- 279.

[9] FRANTZIS P.Crumb rubber-bitumen interactions:diffusion of bitumen into rubber [J].J Mater Civil Eng,2004,16:387- 389.

[10] ARTAMENDI I,KHALID H.Diffusion kinetics of bitumen into waste tyre rubber [J].AAPT Journal,2006,20(3):22- 33.

[11] 崔亞楠，邢永明，王嵐，等.廢膠粉改性瀝青改性機(jī)理 [J].建筑材料學(xué)報(bào),2014,14(5):634- 638. CUI Ya-nan,XING Yong-ming,WANG Lan,et al.Improvement mechanism of crumb rubber-modified asphalt [J].Journal of building materials,2014,14(5):634- 638.[12] 楊紅強(qiáng)，丁明山，胡斌，等.水輔助溶劑法提取油砂中的瀝青 [J].化工進(jìn)展，2014,33(9):2495- 2516. YANG Hong-qiang,DING Ming-shan,HU Bin,et al.Investigation on water-assisted solvent extraction of bitumen from oil sands [J].Chemical Industry and Engineering Progress,2014,33(9):2495- 2516.

[13] LEUNG H，PHILLIPS C R.Solvent extraction of mined athabasca oil sands [J].Industrial & Engineering Che-mistry Fundamentals，1985，24(3)：373- 379.

[14] 李廷剛,李金鐘,李偉.橡膠瀝青微觀機(jī)理研究及其公路工程應(yīng)用 [J].公路交通科技,2011,28(1):25- 30. LI Ting-gang,LI Jin-zhong,LI Wei.Micro-mechanism study and road engineering application of rubber asphalt [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2011,28(1):25- 30.

[15] 王笑風(fēng)，曹榮吉.橡膠瀝青的改性機(jī)理 [J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,31(2):6- 11. WANG Xiao-feng,CAO Rong-ji.Rubber asphalt modification mechanism [J].Journal of Chang’an University(Natural Science Edition),2011,31(2):6- 11.

[16] 石雪琴,劉勇,王都興.橡膠粉改性瀝青及其性能研究 [J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(17):5050- 05. SHI Xue-qin,LIU Yong,WANG Du-xin.Study of rubber modified asphalt and its properties [J].Science Technology and Engineering,2013,13(17):5050- 05.

Analysis of Swelling and Degradation Characteristics of Crumb Rubber in Hot Asphalt

LIPei-long1DINGZhan2CHENChong1

(1.Key Laboratory of Road Structure and Material Transportation Industry, Chang’an University, Xi’an 710064,Shaanxi,China;2 School of Environmental Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, Shaanxi, China)

To prepare the crumb rubber-modified asphalt (CRMA) is an effective way to recycle waste rubber and reduce environmental pollution. In order to investigate the physical and chemical behaviors of the crumb rubber in asphalt and its modification on asphalt, CRMAs were prepared respectively under the conditions of different powder dosages, temperatures and treatment time. Then, the particle size of the crumb rubber, which had been separated from asphalt by means of the elution method, was measured by using an optical microscope, and the volume expansion rate was proposed to characterize the volume change of the crumb rubber in asphalt. Besides, the IR and DSC tests were conducted on the asphalt samples in which the crumb rubber had been removed by means of the sieve method. The results indicate that (1) swelling and degradation are the two important factors influencing the volume of the crumb rubber in the process of preparing CRMAs, and the volume expansion rate first increases and then decreases with the increases of the crumb rubber dosage and the preparation temperature as well as the extension of the treatment time; (2) after the swelling, the molecular chains of the rubber rupture and release small molecule materials, and the materials dissolve into asphalt and play a role of asphalt modification, which causes the absorption peaks of typical functional groups to significantly increase; and (3) strong endothermic peaks appear in the DSC curves of the asphalt samples prepared under the conditions of 195 ℃, 1.5 h and 175 ℃, 3.0 h, which means that such processing conditions as too high temperature and too long time may lead to the excessive degradation or aggregation of the crumb rubber as well as the asphalt aging, thus changing the physical and chemical states of the CRMAs and degrading their performances. From the perspective of the swelling and degradation of the crumb ru-bber, it is suggested that the crumb rubber dosage and the processing time should respectively be 20% approximately and less than 1.5 h, and that the preparation temperature should not be higher than 195 ℃.

crumb rubber-modified asphalt; swelling; degradation; volume expansion rate; infrared spectra ana-lysis; differential scanning calorimetry

2015- 12- 07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51108037)；交通運(yùn)輸部基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014319812151)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014JQ7242);長(zhǎng)安大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(310821162010) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51108037),the Applied Basic Research Project of the Ministry of Transport of China(2014319812151),and the Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province of China(2014JQ7242)

栗培龍(1980-)，男，博士，副教授，主要從事路面材料與結(jié)構(gòu)研究.E-mail:lipeilong@chd.edu.cn

1000- 565X(2016)12- 0097- 07

U 414.1

10.3969/j.issn.1000-565X.2016.12.014