摘 要

这些年来，我国公路交通行业的发展越发的迅速，对道路材料的材料的性能要求也越来越高。与此同时，随着私家车的普及和交通运输行业的发展，大量的废弃轮胎的处理问题也日益突出。而橡胶与沥青同样都是高分子有机材料，具有一定的天然亲和性。因此利用废胶粉对沥青进行改性是一个很好的发展方向。由于废胶粉表面呈惰性，因此我们通过微波辐射的方法改善废胶粉表面的活性，以此来提高废胶粉与沥青的表面粘合力。

在本实验中，我们首先采用红外光谱分析、扫描电子显微成像（SEM）等材料测试技术对经过活化的胶粉和为经过活化的胶粉的材料性能进行表征，通过对比二者的差别，从而具体揭示胶粉活化的本质。其次我们对制备好的改性沥青进行延度、软化点、针入度实验，通过对比活化与未活化改性沥青的三大指标性能，验证微波活化对胶粉表面活性的增强作用。最后，对改性沥青混合料的水稳定性和疲劳性能进行测试，主要采用冻融劈裂实验和四点弯曲疲劳寿命实验。

研究结果表明，经过微波辐射后的胶粉其平衡溶胀率、表面接触角、表面羟基含量、含氧基团含量都有增加，微波辐射可以有效打断胶粉中的S-S和S-C键，破坏胶粉原有的网状结构，因此可以大大增加胶粉的表面活性。同时制备的改性沥青的结构也更加均匀和致密，由三大指标的数据对比也可以看出活化后的废胶粉改性沥青有更优良的性能。改性沥青混合料的水稳定性和疲劳性能在经过活化后也有了明显的改善。

关键词：微波活化；废胶粉；改性沥青；混合料；疲劳性能；水稳定性

Abstract

In last decades, the road transport industry of China developed quickly and the requirement on the performance of materials road materials became also higher and higher. Meanwhile, with the popularity of private cars and the development of the transport sector to address the problems of a large number of waste tires are also increasing prominently. The rubber and asphalt are organic polymer, and it has a material has a natural affinity. Therefore, the use of crumb rubber modified bitumen is a good development. Because of WRP inert surface, we can improve the activity of crumb rubber surface by the method of microwave radiation, in order to improve the surface adhesion of crumb rubber and asphalt.

At first, we used the infrared spectra analysis, scanning electron microscope (SEM) and other materials testing technology to characterize the material properties of powder that through activation and has not been activated, then comparing the difference between the two, thus revealing the specific nature of powder activated. Secondly, we prepare the modified asphalt to test performance of ductility, softening point, penetration, by comparing the activation of un-activated modified bitumen three performance indicators, verification enhancement of microwave activation to the powder surface activity. Finally, the water stability and fatigue properties of the modified asphalt mixture were tested, mainly by using the freeze-thaw splitting test and four-point bending fatigue life test.

The results showed that the equilibrium swelling ratio, surface contact angle, surface hydroxyl content, the content of oxygen-containing groups of the powder has increased which through microwave radiation, and the microwave radiation can effectively interrupt the powder in the S-S and S-C keys, and damage powder original network structure, it can greatly increase the surface activity of the powder. At the same time, the structure of the modified asphalt produced more uniform and compact, by comparing the data of the three indicators, it can be found that activated crumb rubber modified asphalt had better performances. The water stability and fatigue performance of modified asphalt mixture after activation has also been significantly improved.

Key Words：Microwave activation; crumb rubber; modified bitumen; mix; fatigue properties; water stability

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外发展现状 2

1.3 研究意义 3

1.4 技术路线 3

第2章 实验原材料性能及仪器设备 5

2.1实验材料 5

2.2实验仪器设备 7

第3章 改性沥青的制备及性能测试 8

3.1 微波活化废胶粉的制备 8

3.2 改性沥青的制备及性能测试 8

3.3微波活化废胶粉及其改性沥青的活化机理表征 9

第4章 混合料的制备及性能测试 13

4.1混合料试件的制备 13

4.1.1 混合料级配的确定 13

4.1.2 马歇尔试样的制备 13

4.1.3 小梁试样的制备 14

4.2 沥青混合料的性能研究 15

4.2.1 浸水马歇尔实验 15

4.2.2 冻融劈裂实验 16

4.2.3 四点弯曲疲劳寿命实验 17

第5章 结论与展望 19

5.1 结论 19

5.2 展望 19

第1章 绪论

1.1 研究背景

公路交通运输作为运输系统的重要组成部分，与国家经济发展和人民生活状况有着密切的联系。目前国内公路主要采用两种路面形式：水泥混凝土路面和沥青混凝土路面^[1]。沥青路面由于具有平整度高、低噪抗滑、抗低温开裂、行车舒适等优点，因此被广泛应用于高等级公路的建设中^[2]。目前我国90%以上高等级公路均采用沥青路面^[3-4]。

为了满足经济发展和国民生活的需要，近几年我国道路建设发展很快，截止2015年底，全国公路总里程达到457.73万公里，比上年末增加11.34万公里。公路密度47.68公里/百平方公里，提高1.18公里/百平方公里（如图1.1所示）。根据“十二五”规划，截止2015年底，我国的高速公路通车总里程达到7.6万公里，这一目标的提前完成也说明了公路交通对国民经济有着重要的影响^[5]。按照此趋势发展，我国未来将建成更多的沥青道路。伴随而来的是交通量的迅猛增加，大型车辆超载严重等使沥青路面面临严峻考验,因此对各类等级道路沥青路面路用性能要求越来越高,寻找性优价廉的改性沥青材料迫在眉睫^[6]。我国是轮胎生产大国，目前我国每年产生废旧轮胎5多万条，随着轿车进入家庭和汽车拥有量的增加，废旧轮胎的产生量还将大量增加，如何有效回收利用，防止对环境造成污染，这既是一个世界性难题，也是我国再生资源回收利用面临的一个新课题^[7]（如图1.2所示）。因此，目前找到将废旧轮胎的处理和提高沥青路面的路用性能这两者同时兼顾的方法无疑是一举两得的^[8]。

图1.1 2011-2015年全国公路总里程及公路密度

图1.2大量的废旧轮胎亟待处理

1.2 国内外发展现状

为了提高沥青路面的路用性能，国内外许多专家都做了大量的研究，主要围绕两个方面，一是通过掺加各种物质改变沥青混合料的组成，如钢纤维，棉纤维等；二是完善沥青混合料的施工措施。利用废胶粉制备改性沥青混合料就是前者当中一个典型的代表。

废胶粉是废胶经过破碎磨细后的产物，而废胶的主要来源是大量的废弃的旧轮胎^[9]。废胶粉保持了橡胶的弹性^[10]，而且和沥青同样都是有机材料，具备一定的天然亲和性。目前国内外对废胶粉的活化手段进行了大量的研究，其中微波辐射废胶粉的活化方式具有操作方便，效果明显等特点，因此备受广大研究学者的关注。尹继明, 肖鹏, 仝小芳等人对微波辐射废胶粉改性沥青的制备工艺和试验方法进行了研究^[11]；康爱红等人对废胶粉的微波活化机理也进行了相关研究^[12]。

废胶粉改性沥青由于其造价相对便宜以及对橡胶废弃物的循环利用符合可持续发展观因此受到了众多研究者的重视，在我国的公路工程中应用前景广阔。目前国内外对于微波活化废胶粉改性沥青混合料的研究方向主要集中在道路材料^[13]。主要研究内容是通过动态剪切流变试验、间接拉伸劲度模量试验与弯曲梁流变试验、疲劳试验、半圆弯曲试验和韧性指标试验来测试其抵抗裂缝能力和抵抗裂缝发展能力^[14]；通过小梁弯曲实验和弯曲蠕变实验对不同温度下混合料的弯曲破坏特征和黏弹特征^[15]；通过对特殊山区的恶劣环境进行模拟试验，提高路面的耐热耐寒性能，防滑性能，使其适用于西部山区的道路建设^[16]；对于路面施工工艺的研究，结合废胶粉改性沥青混合料的性能及现有的施工设备技术，提出对现场施工质量的控制方案^[17]；还有各种复合型的废胶粉改性沥青混合料性能的研究，如添加了火山灰，LDPE，PE或木质素等材料^[18]。

1.3 研究意义

由于废胶粉表面呈惰性，和沥青的表面性质有较大的差异，所以两者的相性较差。一般通过改善废胶粉表面的活性从而提高废胶粉和沥青之间的界面粘合力，进而改善废胶粉-沥青体系的性能^[19]。微波辐射是提高废胶粉表面活性的简单有效的方法之一，目前国内外研究学者对于微波辐射活化废胶粉的方法一般采用微波装置辐射一定时间的方法，同时仅仅对活化废胶粉改性沥青的基本性能进行了评估，并以此来探究微波活化对废胶粉改性沥青的影响^[20]。因此，理论上可能存在活化不均匀的问题，而且对于改性沥青的性能研究无法直观有效的反映到道路施工的建设中^[21]。本研究的主要目的是：采用多次活化的方法保证废胶粉的充分均匀的活化效果，同时通过对比实验对活化与未活化的废胶粉改性沥青及其混合料的多项性能进行性能研究与评估^[22]。所以用废胶粉改性沥青制备混凝土是一个不错的选择。一方面可以回收处理大量废弃的轮胎，防止对环境造成污染；另一方面，提高沥青路面的路用性能，促进我国公路交通事业的发展。

1.4 技术路线

本研究主要包括三个方面的研究：①利用活化与未活化的废胶粉制备改性沥青，并对其三大指标性能指标进行测试；②用改性沥青制备混合料，并就其疲劳性能和水稳定性能进行测试评估；③采用红外光谱分析、SEM等材料测试技术对废胶粉及改性沥青活化前后的材料性能进行表征，从而揭示材料活性成分的变化^[23-24]。

技术路线图如图1.3所示：