废旧轮胎胶粉组分对沥青流变性能的影响研究

朱国军

(武汉武工科建工程技术有限公司,武汉 430070)

2020年，中国橡胶轮胎外胎累计产量为8.18亿条，同比增长1.7%，同时，废旧轮胎产量达2 000万t，且每年废旧轮胎量以6%～8%速度持续增长[1-3]。废旧轮胎具有较为稳定的化学结构，难以降解。采用堆放填埋的处理方式会占用大量的土地资源，而直接焚烧处理则会产生有毒有害气体[4,5]。随着生态环境保护政策的大力推进，这些对自然环境带来危害的处理方式被逐渐淘汰[6]。现多采用翻新、制造胶粉和再生胶、炼油、进行热裂解等废旧轮胎处理方式[7,8]。其中，将废旧轮胎制成胶粉，用于对沥青改性制备橡胶改性沥青，可以提升沥青的流变性能，同时实现对废旧轮胎的资源化利用[9,10]。

橡胶轮胎具有复杂的化学组成和结构。不同类型的废旧轮胎含有多种不同类型及含量的橡胶，如天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、顺丁橡胶(BR)、丁基橡胶(ⅡR)等[11]。同时，不同类型的橡胶的性能也存在极大差异，从而使得不同类型的废旧轮胎具有不同的性能，进一步造成橡胶改性沥青流变性能的差异[12-14]。废旧轮胎的化学组成主要是橡胶碳氢化合物，碳氢化合物较高的橡胶粉对沥青进行改性，可以提高改性沥青的柔韧性；由于我国废旧轮胎胶粉在道路材料中的应用还未出具详细的规范，未对废旧轮胎胶粉进行明确的分类处理，从而导致不同类型的废旧轮胎胶粉对沥青的流变性能影响尚不明确[15]。

为进一步探究废旧轮胎胶粉组分对相应改性沥青流变性能的影响，该文采用三种不同类型的废旧轮胎以及两种不同针入度等级的基质沥青，制备相应的橡胶粉改性沥青作为对比实验，分析三种废旧轮胎胶粉的化学组成，采用DSR对橡胶粉改性沥青的流变学性能进行测试，分析废旧轮胎胶粉化学组成对沥青流变性能的影响。

1 实 验

1.1 原材料

该研究选用了三种橡胶轮胎，即自行车轮胎(玛吉斯台湾轮胎厂，型号26×1.95(54-559))、小轿车轮胎(米其林沈阳轮胎厂，型号195/55R15 85H)、卡车轮胎(米其林沈阳轮胎厂，型号8.25R16)。基质沥青选用SK-70和SK-90石油沥青，由韩国SK株式会社生产。

1.2 橡胶粉改性沥青的制备及实验方法

1.2.1 橡胶粉改性沥青的制备

采用常温破碎制备三种废旧轮胎的橡胶粉。具体步骤为：对废旧轮胎进行水洗，去除污渍；采用锉刀对废旧轮胎的胎面胶进行磨粉处理，初步得到三种废旧轮胎胶粉；采用磁石去除橡胶粉中的铁质杂质，水洗去除灰尘；采用烘箱将橡胶粉在100 ℃条件下干燥12 h，去除水分；采用标准筛筛分处理，将三种胶粉分成三种不同目数：40/60目、60/80目和80/100目，其对应粒径范围为：250～425 μm、180～250 μm和150～180 μm，得到9组橡胶粉样品。

得到废旧轮胎胶粉后，将胶粉加入基质沥青中搅拌均匀即可制备橡胶改性沥青。具体操作如下：将沥青加热到150 ℃预热，称取制备好的橡胶粉样品(18%)加入沥青中，加入的同时进行搅拌，使橡胶粉与沥青混合均匀。然后将温度升至170 ℃，采用机械搅拌仪进行搅拌，在100 r/min下搅拌1 h，即制得橡胶改性沥青。按照该工艺过程，相应的制备了18种橡胶改性沥青样品并编号，编号如表1所示。

表1 橡胶改性沥青样品编号

1.2.2 测试仪器及条件

采用Jeol JSM-IT300扫描电子显微镜(SEM)对橡胶粉表面形貌进行表征，放大倍数2 000倍。

采用MCR101型号动态剪切流变仪对两种基质沥青和18种橡胶沥青的动态流变性能进行测试，测试基质沥青样品时加载转子为平行板测量转子，其直径为25 mm，间隙为1 mm；由于橡胶粉颗粒较大，在测试橡胶改性沥青样品时平行板夹具间隙改为2 mm。温度点选取为30 ℃、40 ℃、50 ℃和60 ℃温，频率范围为0.1 rad/s到400 rad/s。测试时在不同温度点下采集样品的复合剪切模量和相位角数据。根据DSR数据可以对沥青流变主曲线进行绘制，用于反映宽频域范围内的流变性能，主曲线模型为MHS模型[16]，其方程式见式(1)

(1)

采用TG-MS对不同轮胎胶粉中的橡胶成分进行分析，橡胶轮胎主要含有天然橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶等。不同种类橡胶具有不同的分子结构，它们是由异戊二烯、苯乙烯、丙烯腈等分子按一定的结构聚合而成，其中，天然橡胶是异戊二烯的聚合物，丁苯橡胶是苯乙烯和异丁烯的聚合物，丁基橡胶是异丁烯和异戊二烯的聚合物。不同分子单体的离子流强度可以反映不同橡胶中高分子聚合物组成的差异，从而探究不同轮胎橡胶的橡胶成分。

2 结果与讨论

2.1 废旧轮胎胶粉化学成分分析

从图1中可以看出，卡车轮胎胶粉中的异戊二烯含量较多，说明含有较多的天然橡胶；小轿车轮胎胶粉中的苯乙烯含量较多，说明含有较多的丁苯橡胶；虽然自行车轮胎胶粉中的异戊二烯含量也较多，但其异丁烯含量更多，由于丁基橡胶的结构单元由1个异戊二烯分子和2个异丁烯分子构成，因此说明自行车轮胎胶粉含有较多的丁基橡胶。

2.2 废胶粉改性沥青高温流变性能分析

图2(a)、图2(c)和图2(e)为SK-70基质沥青及其橡胶改性沥青的主曲线，图2(b)、图2(d)和图2(f)为SK-90基质沥青及其橡胶改性沥青的主曲线。SK-70基质沥青比SK-90基质沥青在低频域内具有更高的复合剪切模量。这是由于SK-70基质沥青针入度更小，相比于SK-90基质沥青更硬，高温抗变形能力更好，根据时间-温度等效原理，SK-70基质沥青在低频域内具有更高的模量。

对比分析不同胶粉改性沥青的流变性能，在胶粉相同颗粒大小条件下，低频域条件下，小轿车轮胎胶粉改性沥青的模量最大，说明小轿车轮胎胶粉改性沥青具有最佳的高温性能，其次为卡车轮胎胶粉改性沥青、自行车轮胎胶粉改性沥青。自行车轮胎胶粉含有较多的丁基橡胶，由于丁基橡胶结合较差，因此自行车轮胎胶粉的硫化程度较高，同时丁基橡胶弹性较差，所以自行车轮胎胶粉改性沥青其高温流变性能相对小轿车和卡车轮胎胶粉改性沥青较差。

对比分析不同目数橡胶粉改性的同种橡胶粉改性沥青，可以发现，不同目数的橡胶粉改性的沥青的复合模量基本在同一数量级，而相位角差异不大。说明橡胶粉颗粒的尺寸对橡胶粉改性沥青的流变性能影响较小。

3 结 论

a.利用TG-MS对自行车轮胎、小轿车轮胎、卡车轮胎三种废旧轮胎轮胎胶粉的组成成分进行测试。实验结果表明自行车轮胎胶粉含有较多丁基橡胶，小轿车轮胎胶粉含有较多丁苯橡胶，卡车轮胎胶粉含有较多天然橡胶。

b.橡胶粉的加入提高了沥青的粘度，尤其是小轿车和卡车轮胎胶粉对沥青粘度的提高较为明显。

c.橡胶粉的加入可以有效提高沥青的高温流变性能，SK-70基质沥青及其橡胶改性沥青的高温流变性能表现为：小轿车轮胎胶粉改性沥青>卡车轮胎胶粉改性沥青>自行车轮胎胶粉改性沥青>SK-70基质沥青。SK-90基质沥青及其橡胶改性沥青的高温流变性能表现为：小轿车轮胎胶粉改性沥青>卡车轮胎胶粉改性沥青>自行车轮胎胶粉改性沥青>SK-90基质沥青。说明含有较多丁苯橡胶和天然橡胶的小轿车轮胎胶粉和卡车轮胎胶粉改性效果更好，这种改性效果与橡胶的结构和自身的性质以及与基质沥青的相互作用密切相关。

d.随着橡胶粉颗粒尺寸的变化，不同组分轮胎胶粉改性沥青的复数剪切模量及相位角没有明显的变化规律，但是它们的数值在同一个数量级之中进行小幅度波动，说明橡胶改性沥青的复数剪切模量和相位角受橡胶粉尺寸的影响较小。