奚 江

(中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000)

0 引言

廢舊輪胎是一種“黑色污染”，是世界各國在道路建設(shè)中研究的重點，也是大量處理廢舊輪胎的最佳選擇[1-3]。由于橡膠粉中含有合成橡膠、天然橡膠和添加劑等成分良好的瀝青改性劑，能夠改善瀝青的高低溫性能、抗老化性能、抗疲勞性能[4,5]。將其應(yīng)用于道路工程中替代部分SBS改性劑，不但可以延長路面使用壽命，而且在降低原料成本，解決廢舊輪胎長期堆放所產(chǎn)生的環(huán)境污染等方面都具有重要的現(xiàn)實意義。

韓森等[6]對幾種不同瀝青和集料的粘附性能進行了評價，結(jié)果表明SBS改性瀝青與石灰?guī)r集料間的粘附性能最好，而基質(zhì)瀝青(克拉瑪依)與角閃片麻巖之間的粘附性能最差。劉祥[7]對不同基質(zhì)瀝青種類、SBS摻量、相容劑和穩(wěn)定劑摻量以及溫拌劑摻量下的溫拌SBS改性瀝青進行了接觸角試驗和AFM試驗，通過粘附功和AFM試驗結(jié)果對溫拌SBS改性瀝青粘附性的影響因素進行了分析，結(jié)果表明溫拌劑的種類和摻量對瀝青粘附性具有很大影響因素。

橡膠作為廢舊輪胎廢棄物，將其制成橡膠粉作為改性劑加入基質(zhì)瀝青中，能顯著提升瀝青混合料路用性能，已應(yīng)用于道路工程[8-11]。本文選用90號基質(zhì)瀝青和對應(yīng)的橡膠瀝青，通過測試其基本性能和微觀構(gòu)造，探索瀝青與集料的粘附性機理。

1 橡膠瀝青基本性能

本文所采用的橡膠瀝青按照J(rèn)TG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程所規(guī)定的試驗方法對90號和橡膠瀝青進行性能檢測，結(jié)果如表1，表2所示。

表1 90號技術(shù)指標(biāo)

表2 橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)

由表1，表2可知：與基質(zhì)瀝青相比，橡膠瀝青的針入度降低、軟化點升高，延度降低。這是由于橡膠瀝青中的橡膠吸收瀝青組分發(fā)生溶脹和部分溶解，改變了瀝青原有的膠體結(jié)構(gòu)[12]，針入度降低，高溫性能提升；橡膠中含有的硫與瀝青中的有機官能團發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[13]，具有良好的低溫韌性和塑性。與基質(zhì)瀝青相比，橡膠瀝青的基本性能得到提升。

2 橡膠瀝青的微觀構(gòu)造

原子力顯微鏡(AFM)是一種可獲得材料表面微觀形貌圖像的高分辨率儀器。原子力顯微鏡與光學(xué)、電學(xué)顯微鏡最大的不同在于它不是依靠成像觀測樣品，而是采用一個十分靈敏針尖對試驗樣品進行掃描[14]。針尖長若干微米，由于樣品表面不同位置情況不同，針尖與樣品產(chǎn)生的斥力也隨之不斷出現(xiàn)變化，當(dāng)針尖在樣品上方或者下方作光柵掃描運動時，探測器通過實時檢測懸臂狀態(tài)，將其對應(yīng)的表面形貌記錄下來，從而得到材料表面的構(gòu)造情況[15]。

本文采用熱鑄法制備測試樣品。將加熱至液態(tài)的瀝青，用玻璃棒蘸取少量滴在潔凈的載玻片中央，隨后置于150 ℃烘箱加熱約10 min，使瀝青自由流動形成直徑1 cm左右的圓膜，室溫冷卻后進行測試；采用布魯克Dimension Icon原子力顯微鏡，輕敲模式成像。對AFM測試得到的高程圖，采用NanoScope Analysis軟件進行處理與分析，所得的90號基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青的表面形貌如圖1，圖2所示。

由圖1基質(zhì)瀝青的二維AFM圖可以看出，瀝青表面均勻的分布著形狀類似于“蜜蜂”的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在三維圖型中表現(xiàn)為“尖峰”，最大峰高約為20 nm。而圖2所示的橡膠瀝青表面形貌二維圖中并未出現(xiàn)與基質(zhì)瀝青相似的“蜂狀結(jié)構(gòu)”，其表面不規(guī)則的分布著直徑可達2 μm～3 μm的圓形斑點，這些斑點在三維圖中呈現(xiàn)出的是圓形凹陷，最大凹陷深度達56.4 nm。

AFM圖所呈現(xiàn)的兩種形貌產(chǎn)生的原因可能是在試樣成型期間，由于橡膠瀝青粘度大，熱熔溫度高，加熱后很難流淌成平面，而在室溫激冷的情況下，橡膠顆粒率先聚集，在其周圍產(chǎn)生熱應(yīng)力，形成微裂縫，此時瀝青相并非凝固，在表面張力及毛細管效應(yīng)的作用下，形成一個個“圓洞”。增加了橡膠瀝青表面的粗糙度，提高了瀝青的粘附性。

為了進一步探究基質(zhì)瀝青與橡膠瀝青微觀形貌特征，本文采用均方根粗糙度(Rq，nm)來定量描述瀝青表面粗糙度，試樣粗糙度Rq越大，樣品表面起伏越大[16]。采用NanoScope軟件計算所得的兩種瀝青的均方根粗糙度如表3所示。

表3 橡膠瀝青與基質(zhì)瀝青表面粗糙度

從表3可以看出，橡膠瀝青的表面均方根粗糙度大于基質(zhì)瀝青，表明橡膠瀝青的表面粗糙度大于基質(zhì)瀝青，與集料的接觸面積增加，粘附性提升。

3 橡膠瀝青與集料粘附性機理分析

已有研究表明，基質(zhì)瀝青中的“蜂狀結(jié)構(gòu)”主要是由于瀝青中的極性組分瀝青質(zhì)和部分膠質(zhì)溶解于輕質(zhì)組分后形成的[17]；橡膠瀝青中并未出現(xiàn)“蜂狀結(jié)構(gòu)”，而是呈現(xiàn)出較大的錐形凹陷。分析其原因可能是由于膠粉的加入改變了瀝青中原有的膠體結(jié)構(gòu)，增大了瀝青膠體體系中的極性成分占比，使得瀝青中的極性組分吸附累加，組分呈現(xiàn)出明顯的聚集，進而導(dǎo)致瀝青的表面粗糙度提高。而瀝青微觀表面粗糙度增大有利于其與集料之間粘附性的提升。

瀝青中含有的蠟組分影響瀝青的質(zhì)量及性能，在瀝青中石蠟會在微小的針狀物中結(jié)晶[18]?；|(zhì)瀝青中主要為石蠟，不利于瀝青與集料的粘附；而橡膠瀝青中并未出現(xiàn)“蜂狀結(jié)構(gòu)”，說明橡膠的加入改變了基質(zhì)瀝青原有的晶體結(jié)構(gòu)，瀝青中石蠟含量降低，增大了瀝青與集料的粘附性。

4 結(jié)論

1)與基質(zhì)瀝青相比，橡膠能夠吸收瀝青油分溶脹，高溫性能提升；橡膠中的硫與瀝青形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，低溫性能與塑性提升，橡膠瀝青的基本性能得到改善。

2)由兩種瀝青表面微觀形貌可知：在室溫激冷的作用下，基質(zhì)瀝青形成“蜂狀結(jié)構(gòu)”，橡膠瀝青形成“圓洞”。這是由于在激冷作用下，橡膠瀝青分子先聚集，形成微裂縫，增加表面粗糙度，提高粘附性；并通過均方根粗糙度Rq定量地證明了試樣表面粗糙度增大，瀝青與集料的粘附性能提升。

3)膠粉加入改變了瀝青中原有的組分結(jié)構(gòu)，極性組分聚集，橡膠瀝青的粘附性提高；基質(zhì)瀝青中含有的蠟組分不利于瀝青與集料的粘結(jié)。