基于废橡胶粉接枝活化的改性沥青性能及改性机理研究

The application of rubber powder made from waste tire to asphalt not only achieve recycling of these black garbage, reduce environmental pollution, but also can effectively improve the pavement performance of asphalt, so it has important economic and social meanings. However, there are some key scientific problems that have not been solved, such as the store stability at high temperature and modification mechanism. This project plans to carry out graft modification of crumb tire rubber based on the principle of the dissolution in the similar material structure and on molecular structure design. Investigate the effect of graft modification on the asphalt performance, especially on the store stability, and put forward an effective solution to solve the phase separation of crumb tire rubber modified asphalt. The Micro-structure was tested by SEM and AFM, then quantitatively analyzed through Image－Pro software. Build the relationship between compatibility and macro-properties using average area and average radius of rubber particle in asphalt as structure parameters. Establish relations between micro-structure and rheoligical property based on rheology theory and model of concentrated suspensions, explain the change of asphalt performance before and after modification with crumb tire rubber in theory, reveal the modification mechanism and provide science basis for the development of crumb tire rubber modified asphalt.

将废轮胎制成胶粉对沥青进行改性不仅可以实现这些“黑色垃圾”的再利用，减少环境污染，而且能有效提升沥青的路用性能，以满足现代交通对沥青材料的性能需求，因此具备重要的经济和社会意义。然而，储存稳定性差、改性机理不明确这些关键科学问题的存在制约了橡胶粉改性沥青的发展。本项目拟基于相似相容原理，从分子设计的角度出发，开展废橡胶粉的接枝改性研究；探索接枝改性对橡胶粉改性沥青性能尤其是储存稳定性的影响，提出解决橡胶粉改性沥青相分离等关键问题的有效解决方案；利用Image－Pro显微镜图像分析软件结合SEM和AFM对改性沥青的微观结构进行测试和量化分析，以橡胶粉颗粒在改性沥青中的平均面积和平均粒径为结构参数，建立相容性与改性沥青性能的关系；基于浓悬浮液流变理论与模型，建立显微结构与流变性能之间的关系，从理论上解释橡胶粉改性前后沥青性能的变化，揭示改性机理，为橡胶粉改性沥青的发展提供科学依据。

将废轮胎制成胶粉对沥青进行改性不仅可以实现这些“黑色垃圾”的再利用，减少环境污染，而且能有效提升沥青的路用性能，以满足现代交通对沥青材料的性能需求，因此具备重要的经济和社会意义。然而，储存稳定性差、改性机理不明确这些关键科学问题的存在制约了橡胶粉改性沥青的发展。本项目从分子设计原理和相似相容原则出发，选用合适的改性剂对橡胶粉进行了化学接枝活化，得到的橡胶粉表面更加粗糙，橡胶粉分子链中引入了与基质沥青具有强相互作用的官能团。将活化后的橡胶粉用于沥青改性，通过正交实验结合极差和方差分析，确定最佳制备工艺为胶粉掺量20%，剪切温度180 ℃，剪切时间90 min。对改性沥青的物理性能进行了综合评价，与普通橡胶粉改性沥青相比，接枝活化橡胶粉改性沥青的针入度、5℃延度以及175℃粘度增加，软化点减小。动态剪切流变测试结果显示，接枝活化橡胶粉改性沥青的复数剪切模量（ G*）高于普通橡胶粉改性沥青，而相位角（δ）则低于普通橡胶粉改性沥青，因此，其车辙因子（G*/sinδ）也较高，在高温下具有更好的弹性和抗剪切能力。通过对改性沥青的低温流变性能测试分析发现，橡胶粉的接枝活化能明显提高改性沥青的蠕变速率，降低其劲度模量，从而提高了其低温性能。基于聚合物改性沥青离析测试方法，通过不同储存时间下的离析软化点差、车辙因子差以及离析因子（SI）系统研究了改性沥青的储存稳定性，结果表明，接枝活化后的橡胶粉与基质沥青的相容性明显提高，两者相互作用增强，离析程度明显减小。对改性沥青的化学结构和微观形态进行了分析，结果显示活化后的橡胶粉在沥青中分散更加均匀稳定，而且两者之间发生了化学反应，阐明了接枝活化橡胶粉对沥青的改性机理包括物理溶胀和化学作用。项目的研究成果推进橡胶粉改性沥青的研究具有重要的理论和实际意义，对其它高分子材料在沥青中的应用研究也具有一定的指导作用。本项目研究发表论文7篇，授权国家发明专利1项，培养硕士研究生7名。