橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的制備及機理

譚波, 粟友良, 謝恩連, 劉敬霜, 陳平

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院, 桂林 541004; 2. 桂林理工大學(xué)有色金屬礦產(chǎn)勘查與資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心, 桂林 541004; 3.廣西田新高速公路有限公司, 崇左 532800)

隨著中國經(jīng)濟科技的高速增長,公路建設(shè)發(fā)展迅猛[1],隨著交通量的快速增加、車輛負載的提高、單輪胎超載的使用以及車輛超載現(xiàn)象普遍存在,普通瀝青路面出現(xiàn)了各種病害,這些病害的形成和發(fā)展進一步削弱了路面的使用壽命,增加了行車風(fēng)險[2]。普通瀝青路面對溫度的高敏感性也導(dǎo)致了開裂和車轍等損傷的發(fā)生[3]。為了應(yīng)對這些問題,很多地區(qū)開始采用各類新型改性瀝青。目前瀝青改性劑種類繁多,有熱塑性彈性體瀝青改性劑、橡膠瀝青改性劑、樹脂類瀝青改性劑、礦物質(zhì)瀝青改性劑、復(fù)合型瀝青改性劑等,為解決瀝青路面相關(guān)問題提供了有效途徑[4-6]。

橡膠是一種常用的瀝青改性劑,其價格低廉且具有出色的高溫抗車轍性和低溫抗裂性等性能[7-8]。為了進一步提高橡膠改性瀝青的性能,研究人員已經(jīng)做出了大量的努力。目前,橡膠瀝青的復(fù)合改性技術(shù)備受關(guān)注[9-14]。例如,周志剛等[15]使用膠粉、SBS(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物)改性劑和高黏改性劑制備了高黏度復(fù)合改性瀝青,并發(fā)現(xiàn)其高溫儲存性能和感溫性能得到了改善。孟勇軍等[16]為了改善橡膠改性瀝青的流變性能,研究了石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青的可行性,發(fā)現(xiàn)其路用性能得到改善。周育民等[17]研究了多聚磷酸(PPA)/SBS及PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青性能,發(fā)現(xiàn)PPA的加入能夠改善瀝青的抗老化性能,PPA/橡膠粉復(fù)合改性瀝青抗老化性能較PPA/SBS復(fù)合改性瀝青更佳?？梢园l(fā)現(xiàn),橡膠復(fù)合改性瀝青有一定的研究成果,但是這些瀝青改性劑價格昂貴,且制備工藝復(fù)雜。

硅藻土是一種生物無機沉積巖和非金屬礦物質(zhì),其主要由二氧化硅(SiO2)組成,具有化學(xué)性能穩(wěn)定、孔隙率高、比表面積大、吸附能力強、熔點高等特點,經(jīng)過特殊工藝提煉后可以做成硅藻精土。在瀝青中添加硅藻土可以提高其高溫性能、長期抗老化性能、儲存穩(wěn)定性[18-22]。近年來,關(guān)于硅藻改性瀝青的研究也有了一定的進展。Maksymilian等[23]發(fā)現(xiàn)硅藻土加入瀝青混合料可以提升高溫穩(wěn)定性和材料的濕敏性。張君韜等[24]發(fā)現(xiàn)硅藻土可以改善高標號瀝青的黏彈性、抗車轍和抗老化性能。Liang等[25]研究了硅藻土和橡膠粉改性瀝青混合料的力學(xué)性能和黏彈性,發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒和硅藻土可以提高瀝青混合料的高溫、低溫和黏彈性能。

雖然目前對橡膠改性瀝青和硅藻精土改性瀝青已經(jīng)有了大量的研究,對橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的研究仍然有限。如果復(fù)合改性瀝青同時具有硅藻土和碎屑橡膠改性瀝青的優(yōu)點,則可以獲得更有利且環(huán)保的路面材料,并且可以實現(xiàn)廢橡膠和硅藻的“變廢為寶”。

通過添加橡膠粉、硅藻精土對基質(zhì)瀝青進行改性,采用Design-Expert的曲線響應(yīng)法研究橡膠和硅藻精土兩種改性劑的最佳摻配方案。從針入度、延度、軟化點、旋轉(zhuǎn)黏度等指標研究不同摻量的改性劑對瀝青性能的影響,并與橡膠瀝青、橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青性能進行比較,評估橡膠-硅藻精土的改性效果。借助熱重分析、差示掃描熱量法、傅里葉變換紅外光譜試驗、掃描電鏡對橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的高溫性能、微觀結(jié)構(gòu)和改性機理進行研究,綜合評價橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的性能,為高溫地區(qū)路面技術(shù)的應(yīng)用提供試驗基礎(chǔ)。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗原材料

瀝青:選用廣西交科集團新材料科技公司生產(chǎn)的70#基質(zhì)瀝青,其基本技術(shù)性質(zhì)如表1所示。

表1 70#瀝青技術(shù)指標Table 1 Technical indexes of 70 # asphalt

橡膠粉:選用廣西交科集團新材料科技公司生產(chǎn)的橡膠粉,其物理和化學(xué)性質(zhì)如表2所示。

表2 橡膠粉技術(shù)指標Table 2 Technical indexes of rubber powder

硅藻精土: 試驗選用四川某品牌的硅藻土經(jīng)提純后得到硅藻精土,其基本技術(shù)性質(zhì)如表3所示。

表3 硅藻精土技術(shù)指標Table 3 Technical indexes of diatomite

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)試驗研究[26],本研究采用濕法來制備橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青,橡膠粉的摻量分別為16%、20%和24%,硅藻精土的摻量為4%、8%和12%,采用Design-Expert進行試驗方案設(shè)計。同時設(shè)置3種不同的瀝青:基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青和橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青作為性能對照組,具體試驗方案如表4所示。

表4 改性瀝青試驗方案Table 4 Test schemes of modified asphalt

根據(jù)試驗對橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的基本性能進行了研究,采用規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》JTGE 20—2011[27]分別對改性瀝青的三大指標(針入度、軟化點、延度)和180 ℃布氏黏度進行測試,最后使用Design-Expert的曲面響應(yīng)圖分析橡膠、硅藻精土對瀝青性能的交互影響,進一步確認最佳摻量。采用熱重分析、示差掃描熱量法、紅外光譜、掃描電鏡對優(yōu)化后的改性瀝青進行改性機理分析,試驗流程如圖1所示。

圖1 試驗測試計劃Fig.1 Test plan of experiment

1.3 復(fù)合改性瀝青的制備

目前中國橡膠復(fù)合改性瀝青主要采用濕法工藝,一般經(jīng)歷原材料加熱、投料混合、剪切分散及發(fā)育貯存4個階段。即以基質(zhì)瀝青為原材料,加熱攪拌后加入一定比例的改性劑,采用高速剪切機對改性劑進行剪切研磨,使其與基質(zhì)瀝青充分磨細、分散和溶脹,從而改性劑可以充分地、均勻地分散于瀝青之中,最后把復(fù)合改性瀝青加熱溶脹發(fā)育。

圖2所示為橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的制備工業(yè)流程,其具體制備工藝如下。

圖2 橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的制備工藝流程Fig.2 Preparation process of rubber diatomite composite modified asphalt

(1)基礎(chǔ)瀝青放入155 ℃烘箱進行加熱制備。迅速加熱至180 ℃,將瀝青與橡膠、硅藻精土按設(shè)定比例分別混合,以高速攪拌機1 000 r/min攪拌30 min。

(2)攪拌后,將瀝青迅速加熱至(180±5) ℃。5 000 r/min高速剪切30 min后。

(3)剪切后將瀝青置于恒溫180 ℃容器中使用攪拌機高速攪拌30 min。

(4)攪拌后的復(fù)合改性瀝青置于160 ℃烘箱中溶脹發(fā)育1 h。此后按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》JTGE 20—2011[27]進行試驗試樣的澆筑。

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 復(fù)合改性瀝青最優(yōu)摻量改性劑確定

2.1.1 改性劑摻量的確定

橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青試驗結(jié)果如表5所示(橡-膠分別代表橡膠和硅藻精土,后面數(shù)字是摻量百分比)。

表5 橡膠-硅藻精復(fù)合改性瀝青指標試驗結(jié)果Table 5 Test results of rubber diatomite compound modified asphalt index

為研究橡膠和硅藻精土對復(fù)合改性瀝青的相互作用,尋求最佳組成配比以進行優(yōu)化改性,使用Design-Expert對膠粉和硅藻精土對復(fù)合改性瀝青性能的影響進行了分析。圖3所示為復(fù)合改性瀝青性能指標值與不同組成材料摻量之間的關(guān)系,可以通過方程來描述,即

圖3 橡膠-硅藻精土對瀝青性能的影響Fig.3 Effect of rubber-diatomite on asphalt performance

Y1=37.49-2.53X1-1.33X2-0.877 5X1X2-

(1)

Y2=69.32+5.12X1+1.58X2+1.02X1X2+

(2)

Y3=7.49+0.166 7X1-1.03X2+0.05X1X2-

(3)

Y4=2.54+0.211 7X1+0.245 0X2+

(4)

式中:X1和X2分別為橡膠和硅藻精土的摻量;Y1、Y2、Y3和Y4分別為針入度、軟化點、延度和黏度。針入度與橡膠、硅藻精土摻量呈現(xiàn)負相關(guān)的趨勢,硅藻精土較為顯著;軟化點與橡膠、硅藻精土的摻量呈現(xiàn)出正相關(guān)的趨勢,橡膠較為顯著;延度受橡膠、硅藻精土兩者協(xié)同影響;黏度與橡膠、硅藻精土的摻量呈現(xiàn)出正相關(guān)的趨勢,兩者影響基本一致,說明橡膠和硅藻精土摻量與瀝青性能并不是單一的線性關(guān)系,三者之間存在協(xié)同作用。

2.1.2 復(fù)合改性瀝青最優(yōu)摻量確定

基于提高膠粉摻量和降低硅藻精土摻量的角度考慮來確定復(fù)合改性瀝青性能最優(yōu)解,將式(1)～式(4)疊加在Design-Expert模型中。軟化點、針入度、延度取最大值,黏度取平均值,求解得出最優(yōu)方案和復(fù)合改性瀝青性能預(yù)測值,并進行試驗驗證,結(jié)果如表6所示。從表6可知,各項指標偏差不大,方程預(yù)測計算值與試驗值接近,可信度較高。最終確定膠粉摻量為22%, 硅藻精土的摻量為4%。

表6 橡膠-硅藻精復(fù)合改性瀝青試驗方案優(yōu)化及瀝青性能驗證Table 6 Optimization of rubber diatomite compound modified asphalt test plan and validation of asphalt performance

2.1.3 改性劑對復(fù)合改性瀝青基本性能的影響

(1)針入度:對于橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的針入度,橡膠和硅藻的摻量變化對其有著不同程度的影響。當(dāng)橡膠和硅藻的摻量增加時,改性瀝青的針入度均出現(xiàn)降低。這是因為橡膠可以與瀝青的輕質(zhì)油分相互吸附集合,然后在高溫剪切過程中膨脹并分布于瀝青基體中,從而阻礙分子的相對運動。硅藻精土是一種無機非金屬礦物質(zhì)材料,它與橡膠和瀝青的相互作用主要是基本吸附作用,并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。硅藻精土可以與橡膠和瀝青形成穩(wěn)定的內(nèi)部結(jié)構(gòu),并增大瀝青的黏結(jié)力。改性瀝青隨著硅藻精土摻量的增加,使得稠度增加,從而針入度降低。

(2)軟化點:就軟化點而言,兩種物質(zhì)都會使得瀝青的軟化點升高。在高溫下,橡膠粉與瀝青發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),從而增加了橡膠粉與瀝青的結(jié)合強度和穩(wěn)定性,導(dǎo)致軟化點升高。而硅藻精土的添加可以增強瀝青的界面作用力,提高瀝青的高溫性能,從而顯著提高橡膠-硅藻精土的軟化點。

(3)低溫延度:就低溫延度而言,橡膠和硅藻精土的加入都對復(fù)合改性瀝青的延度有不利影響。橡膠與瀝青的輕質(zhì)油分相互吸附集合,導(dǎo)致瀝青的塑性減少,從而降低了瀝青的延度。另一方面,隨著硅藻精土的增加,瀝青從均勻體系向混合體系轉(zhuǎn)變,因為硅藻精土屬于沉積巖和非金屬礦物質(zhì),在受拉伸作用時會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而降低了延度。

(4)黏度:復(fù)合改性瀝青的黏度和橡膠粉的摻量是成正比的,膠粉和瀝青產(chǎn)生了反應(yīng),使得橡膠形成凝膠膜,可以增加膠粉的連接,增強黏度。瀝青中輕質(zhì)油分的減少,同樣也增加瀝青的黏度。對于硅藻精土,瀝青在于其物理混合的過程中,會被硅藻精土吸附,從而進入內(nèi)部空隙中,進而提升了瀝青的黏度。

2.2 常規(guī)性能對比分析

用最佳摻量的橡膠-硅藻精土與基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青、橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青進行性能對比,實驗結(jié)果如表7所示。從表7可以看出橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青在對比其他瀝青針入度低,橡膠-硅藻精土的硬度最大。而針入度指數(shù)相對于其他瀝青來說,橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的針入度指數(shù)最高,說明溫度敏感性最低,其軟化點高于基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青,略低于橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青。而其延度低于基質(zhì)瀝青、橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青,高于橡膠瀝青。而對于旋轉(zhuǎn)黏度來說,橡膠瀝青、橡膠-SBS瀝青、橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青相差不大,都便于現(xiàn)場施工。綜合來說硅藻精土的改性效果略低于SBS,優(yōu)于單一改性的橡膠瀝青。橡膠和硅藻精土用量對復(fù)合改性瀝青的性能具有顯著的影響。具體來說,橡膠的加入有助于提高瀝青高溫穩(wěn)定性,彈性恢復(fù),對延度有不利影響。硅藻精土的加入明顯提高了改性瀝青的軟化點與黏度,針入度與延度則有所降低,對改性瀝青的高溫性能有良好的改善作用。可見橡膠和硅藻精土復(fù)合改性,可以同時協(xié)同發(fā)揮兩種改性劑的性能優(yōu)勢。

表7 不同改性瀝青的基本性能對比Table 7 Comparison of basic properties of different modified asphalts

2.3 短期老化試驗分析

利用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗分析橡膠復(fù)合改性瀝青、橡膠瀝青和橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青在 163 ℃下加熱老化5 h后的性能變化情況,結(jié)果如表8所示。

表8 不同改性瀝青短期老化性能Table 8 Short term aging performance of different modified asphalts

從表8可以看出,橡膠瀝青、橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青、橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的針入度隨著時間的增加而線性減少,3種瀝青的下降速度各不相同。橡膠瀝青、橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青、橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的下降斜率分別為-2.06、-1.26、-0.074,斜率越低,針入度下降越快。這表明熱氧老化對橡膠瀝青滲透的影響最顯著,其次是橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青和橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青。

橡膠瀝青、橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青、橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的軟化點隨時間的增加而線性增加?？梢园l(fā)現(xiàn),橡膠瀝青的軟化點在3種改性瀝青中變化最大,這意味著老化對橡膠瀝青軟化點的影響最為顯著,可能是因為橡膠的膨脹在老化過程中仍然起作用,導(dǎo)致橡膠瀝青最嚴重的老化。

橡膠瀝青、橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青、橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的低溫延度隨時間的增加而線性降低。橡膠瀝青、橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青、橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的斜率分別為-0.46、-0.26、-0.24。斜率越低,延性下降越快。這表明熱氧老化對橡膠延性的影響最為顯著,其次是橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青、橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青。

根據(jù)三者的斜率及溫度差結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn),橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青在短期熱氧老化過程中性能變化幅度最小,獲得了更好的改性效果。

2.4 熱重試驗分析

采用熱重試驗方法,對4種瀝青(基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青、橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青、橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青)熱解過程中的熱失重進行測試,測試結(jié)果如圖4所示;并對瀝青質(zhì)量損失10%時的溫度以及600 ℃的質(zhì)量殘余值進行分析,其結(jié)果如表9所示。

圖4 不同瀝青的熱重曲線圖Fig.4 Thermogravimetric curves of different asphalts

表9 不同瀝青試驗參數(shù)Table 9 Different asphalt thermogravimetry test parameters

圖4所示為不同瀝青的熱重曲線圖,熱重試驗可以測試改性瀝青質(zhì)量與溫度的關(guān)系來評價四種改性瀝青的熱穩(wěn)定性,通常來說材料的熱穩(wěn)定性越好,其分解時候的溫度越高。由圖4可知,隨著溫度的不斷升高,瀝青的質(zhì)量逐漸減少,當(dāng)?shù)竭_一定溫度時,瀝青的質(zhì)量會趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)瀝青質(zhì)量損失為10%時,基質(zhì)瀝青的分解溫度為412 ℃,橡膠瀝青分解溫度為428 ℃,橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青的分解溫度為448 ℃,橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的分解溫度為433 ℃。這表明了橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的分解溫度高于基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青,而低于橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青。

由瀝青的600 ℃的分解殘余量對比分析可知,與對基質(zhì)瀝青相比,橡膠瀝青和橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青的殘余量分別提高了0.59%和2.23%,而橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青提高了8.97%。表明單摻橡膠的瀝青熱穩(wěn)定性一般,而橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的質(zhì)量殘余值顯著提高,這進一步說明復(fù)合改性瀝青具有良好的熱穩(wěn)定性能。

2.5 示差掃描熱量法試驗分析

采用示差掃描熱量法改瀝青進行熱流測試:試驗溫度在20～180 ℃之間,升溫速率控制在10 ℃/min。圖5經(jīng)測試分析得到的不同瀝青的示差掃描熱量法的熱流量數(shù)據(jù)曲線。

圖5 不同瀝青的示差掃描熱量法熱流量圖曲線圖Fig.5 Differential scanning calorimetry heat flow chart curves of different asphalt

由圖5可知在180 ℃高溫時基質(zhì)瀝青吸熱時的熱流量為8.079 mW/mg,橡膠瀝青的熱流量為7.041 mW/mg,橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青的熱流量為5.725 mW/mg,橡膠-硅藻精土瀝青的熱流量為5.245 mW/mg,可知橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青吸熱時的熱流量相較于其他3種瀝青的熱流量最小,因此可得一定摻量的硅藻精土能夠提高瀝青的高溫性能。且與基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青、橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青相比較,得到橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的熱流量最低,其高溫性能最好。

2.6 微觀機理分析

2.6.1 傅里葉變換紅外光譜試驗分析

采用紅外光譜分析,對基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青、橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青進行紅外光譜測試,測試結(jié)果如圖6所示。從基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青和橡膠-硅藻精土的紅外光譜圖可以看出,基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青略有不同的地方在790、784 cm-1附近有聚丁二烯的C—H變形振動。橡膠瀝青富有彈性,正是這些柔軟的烯長鏈賦予的,從而提升了橡膠瀝青的力學(xué)性能和彈性恢復(fù)。對比橡膠瀝青和橡膠-硅藻精土瀝青的紅外光譜圖可以發(fā)現(xiàn),唯一的不同是在1 049 cm-1及1 068 cm-1處出現(xiàn)了硅-氧伸縮振動的吸收峰以及彎曲的振動峰,且1 049 cm-1及1 068 cm-1為硅藻精土中Si—O伸縮振動的吸收峰,這也是硅藻精土主要成分SiO2的吸收峰,其他波峰處未發(fā)現(xiàn)有不同之處,也沒有新的吸收峰產(chǎn)生,因此對比基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青和橡膠-硅藻精土樣品的紅外光譜圖可以得出橡膠、硅藻精土與瀝青沒有明顯的化學(xué)反應(yīng),只是物理共混的過程。

圖6 傅里葉紅外光譜圖Fig.6 Fourier transform infrared spectrogram

2.6.2 掃描電鏡微觀分析

圖7(a)、圖7(b)為硅藻精土不同倍數(shù)掃描電鏡圖像,可以看出硅藻精土的完整樣貌。單個硅藻的表面輪廓清晰,規(guī)則平滑,在改性的過程中可以提高與瀝青的界面結(jié)合力,從而促進硅藻精土與瀝青混合形成穩(wěn)定的體系,并使得改性效果得到提高。并且硅藻精土表面存在著大量的細小圓孔,當(dāng)瀝青進去后更易于包裹和浸潤,增大了兩者結(jié)合的比表面積和吸附力。

圖7 硅藻精土及硅藻精土與瀝青界面結(jié)合界面SEM圖Fig.7 SEM images of the interface between diatomite and asphalt

圖7(c)、圖7(d)為硅藻精土與瀝青的結(jié)合界面樣貌。結(jié)合后的界面展示了瀝青浸潤硅藻精土內(nèi)部的原理,表面了硅藻精土對瀝青的改性是通過物理吸附來實現(xiàn)的。硅藻精土的內(nèi)部細小圓孔間隙有非常強的吸附力,而瀝青具有黏附性,在高溫下兩者相互緊貼,從而增強界面結(jié)合力,這表明硅藻更容易吸附瀝青中易流動的溶劑組分。在改性過程中,溶劑組分飽和分和芳香分更易被吸入到硅藻孔隙內(nèi)部以及周圍。

圖8所示為基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青、橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青的掃描電鏡圖。圖8(a)中基質(zhì)瀝青的掃描電鏡圖較為光滑,表面并無褶皺。加入橡膠粉后,表面開始變得粗糙,可以看出高溫剪切后的膠粉具有一定的棱角,剪切痕跡明顯,橡膠粉與瀝青發(fā)生了溶脹反應(yīng)。橡膠瀝青主要以吸油溶脹機理和網(wǎng)絡(luò)填充機理為主,經(jīng)過高溫剪切后,橡膠顆粒在瀝青里面發(fā)生了不同程度體積的溶脹。加入硅藻精土后其表面的凸起和褶皺更加的明顯,說明瀝青與橡膠、硅藻精土緊密圍繞在一起,瀝青將兩者進行包裹,形成了一定的凸起。

圖8 不同改性瀝青的掃描電鏡圖Fig.8 SEM of different modified asphalt

由單個硅藻精土與瀝青界面結(jié)合樣貌可以看出,硅藻精土對瀝青的改性并沒有產(chǎn)生化學(xué)作用,其主要是一個物理吸附的過程。高溫下的瀝青滲透進入硅藻精土的空隙內(nèi)部,并產(chǎn)生鍥入和固定作用,形成了強勁的機械鎖合力。橡膠和硅藻精土兩者的結(jié)合使得復(fù)合改性瀝青的性能大大增強。

圖9所示為橡膠-硅藻復(fù)合改性瀝青過程模型圖,其中橡膠、硅藻精土在高溫條件下通過物理吸附吸入易滲透和擴散的溶劑組分,并在溫度降低時在其內(nèi)部孔隙以及周圍凝聚硬化,產(chǎn)生鍥入和固定作用,從而提高改性瀝青的結(jié)合性和機械鎖力,同時減小高溫流動性,增加黏度,提高高溫性能。

圖9 橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青溶脹混合機理示意圖Fig.9 Schematic diagram of swelling and mixing mechanism of rubber diatomite composite modified asphalt

3 結(jié)論

(1)通過曲面響應(yīng)法分析針入度、軟化點、延度、黏度可知:橡膠粉、硅藻精土摻量與瀝青性能存在非線性函數(shù)關(guān)系。橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青中的橡膠合理摻量為22%,硅藻精土添加量為4.0%。

(2)橡膠粉和硅藻精土摻入后瀝青的針入度、延度均出現(xiàn)降低,而軟化點和黏度均得到了提高。這是因為橡膠粉和硅藻精土能夠與基質(zhì)瀝青發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),形成穩(wěn)定的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),從而改善了橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青整體的穩(wěn)定性。

(3)橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青相對于橡膠瀝青、橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青具有更優(yōu)異的抗老化性能和高溫穩(wěn)定性,橡膠-硅藻精土復(fù)合改性瀝青相對于橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青價格更低廉、工藝流程簡單,適合高溫地區(qū)推廣使用。

(4)根據(jù)熱重分析、示差掃描熱量法、紅外光譜試驗以及掃描電鏡結(jié)果分析,隨著橡膠、硅藻精土的摻入,硅藻精土在改性過程中發(fā)生的是物理混合并吸附瀝青的過程,與橡膠、瀝青結(jié)合形成穩(wěn)定的共混結(jié)構(gòu),證明了橡膠和硅藻精土協(xié)同改性效果良好。