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原文传递废橡胶粉/SBS复合改性沥青的机理和性能研究

论文题名：	废橡胶粉/SBS复合改性沥青的机理和性能研究
关键词：	废橡胶粉;复合改性沥青;路用性能;沥青路面;力学响应
摘要：	废橡胶粉/SBS复合改性沥青(CR/SBSCMA)技术可结合废橡胶粉(CR)和SBS两种改性剂的优点,降低改性沥青生产成本,利用废旧橡胶资源,改善沥青性能。目前对CR/SBSCMA的研究主要集中在现场制备沥青混合料、道路工程和路用性能等方面,但是为了大规模推广应用复合改性沥青,工厂化制备性能稳定的复合改性沥青是首要的问题。这要求对复合改性沥青中沥青与改性剂直接的作用机理和储存稳定性等关键问题进行研究,而目前相关的研究还很缺乏,限制了CR/SBSCMA技术的应用与推广。针对这种情况,本文对CR/SBSCMA制备过程中沥青与改性剂直接的作用机理和储存稳定性等关键问题进行了研究,主要包括CR/SBSCMA的流变行为、热氧老化性能、储存稳定性以及废橡胶在沥青组分中的溶胀过程等。主要工作和研究成果包括以下几个方面: 　　改变改性剂和相容剂的掺量,采用优化工艺制备废橡胶粉改性沥青(CRMA)、SBS改性沥青(SBSMA)和CR/SBSCMA。在CR和SBS掺量均较低的情况下,CR/SBSCMA常规性能明显优于相应的低改性剂掺量的CRMA和SBSMA,改性效果好。从材料流变学的角度分析CR/SBSCMA的流变行为,更适于预测沥青的路用性能,模拟沥青路面真正的力学响应。在改性沥青的制备和施工过程中,改性沥青呈液态,以高温粘度作为其流变性能参数。当改性沥青处于路面使用过程时,改性沥青呈固态,以复数剪切劲度模量G、相位角δ、贮能模量G'和抗车辙因子G/sinδ等作为流变性能参数。　　改性沥青粘度测试研究表明,剪切速率和转子型号对CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA表观粘度有较大的影响。当测试温度T=110℃时,CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA的表观粘度均呈现剪切变稀特性;当T≥135℃时,SBSMA转变为牛顿流体,粘度值恒定,而CRMA和CR/SBSCMA仍然表现非牛顿流体特性。在本研究测试温度下,SBSMA为宏观均相体系,转子型号对SBSMA粘度值无影响;而对于CRMA和CR/SBSCMA,由于CR颗粒的影响,体积相对较小的S27号转子所测粘度值均大于S21号转子。本研究就改性剂CR、SBS的性质与基质沥青性质之间的差异分析了测试条件对粘度值造成影响的原因,并据此对粘度计算式提出修正。现有的粘度测试条件难以准确测量含有CR改性剂的非均相改性沥青体系的粘度,选择体积较大的S21号转子和较大剪切速率可减小CR颗粒对粘度值的影响。确定粘度测试条件,根据粘温曲线确定的拌和与压实温度范围表明CRMA和CR/SBSCMA的粘度仍需进一步降低。　　改性沥青的动态剪切流变试验结果表明,CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA的G、G'和G/sinδ均随温度的升高而减小,并与温度在半对数坐标中成线性关系。在针入度相近的情况下,CR/SBSCMA的G'、δ和G*/sinδ优于CRMA和SBSMA。对比针入度分级体系和PG分级体系的改性沥青高温性能指标,与针入度分级指标中的球法软化点TR&B相比,反映沥青材料温度敏感性的当量软化点T800指标与高温等级温度THS变化趋势更相似,可较好的反映沥青材料的高温抗车辙性能。　　采用旋转薄膜烘箱试验模拟基质沥青、CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA的热氧老化过程,研究基质沥青、改性剂CR和SBS对改性沥青老化性能的影响。根据老化过程中常规性能和动态流变学指标改变的程度知,基质沥青和三种改性沥青的耐老化性能次序为:CRMA＞CR/SBSCMA＞SBSMA＞基质沥青,改性剂的添加提高了沥青的耐老化性能。结合基质沥青、CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA老化过程中的宏观性能指标和微观组成结构的变化分析了复合改性沥青的热氧老化机理。研究表明,与CRMA和SBSMA中改性剂的作用不同,在CR/SBSCMA的老化过程中,由于CR和SBS的同时存在,改性剂的降解产物和基质沥青的次生组分的缩合反应加剧,导致CR/SBSCMA老化后芳香分和胶质含量减少、沥青质和甲苯不溶物含量增加。降解产物、次生组分与缩合产物改变了复合改性沥青的族组成分布和胶体结构,造成宏观性能的变化。　　分析改性剂在CRMA、SBSMA和CR/SBSCMA中的离析行为,发现SBS状态稳定,而CR颗粒的下沉的是CRMA和CR/SBSCMA离析的主要原因。在CR/SBSCMA中,SBS的介入可以在一定程度上延缓CR颗粒的离析,但效果不显著。通过双螺杆挤出机对CR和SBS进行熔融共混得到CR/SBS共混物(CRM),以增加两种改性剂的相容性,实验表明共混改性剂能够显著提高复合改性沥青性能。在CRM/SBSCMA中,CRM中SBS部分在稳定剂的作用下与SBS主体形成CRM-SBS—基质沥青连接的结构,复合改性沥青的热储存稳定性可以得到改善。当CRM掺量低至1.5％时,所得CRM/SBSCMA离析软化点差值数据均符合标准,但CRM颗粒仍然发生下沉现象。研究表明CRM和SBS在基质沥青中可能形成了一定的相互作用,使得CRM/SBSCMA性能优于CR/SBSCMA,但这种相互作用较弱,在剪切过程中还可能遭到破坏,不足以阻挡CRM颗粒在沥青中的下沉,造成CRM在长时间的储存过程中出现离析现象。所以,在CRM/SBSCMA储运过程中仍需要借助搅拌保持CRM均匀稳定的分布在基质沥青中。　　橡胶在沥青中的溶胀效果对CRMA和CR/SBSCMA的性能具有十分关键的影响。本研究对薄片状废轮胎橡胶在沥青组分中的溶胀过程进行了定量研究,发现橡胶的溶胀有一个快速增长期,在较短的时间内橡胶的溶胀度快速变大,之后逐渐增大直至达到溶胀平衡。升高溶胀温度、提高橡胶中的天然橡胶含量和溶胀混合物中的轻质油分(饱和分与芳香分)含量可提高橡胶溶胀度。通过对溶胀前后的橡胶的分析可知,充分的溶胀能够显著改善橡胶和沥青之间的相容性。　　在聚合物溶胀理论和Crank单向扩散的基础上分析橡胶的溶胀过程,发现橡胶的溶胀速率常数和溶胀混合物组分分子的扩散系数均随温度升高而增大;橡胶在轻质油分含量较高的溶胀混合物中的溶胀速率常数更大,此时,溶胀混合物组分分子的扩散系数也更大,表明提高温度和轻油分含量可加速橡胶的溶胀。根据极差分析,本研究中三个因素水平对扩散系数影响的大小顺序依次为:溶胀混合物族组成＞溶胀温度＞橡胶类型。
作者：	向丽
专业：	化学工程与技术
导师：	阙国和;程健
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国石油大学(华东)
学位年度：	2011
正文语种：	中文