TOR連接劑及膠粉含量對(duì)橡膠瀝青性能的影響

穆建青

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

廢膠粉作為廢舊橡膠制品的主要產(chǎn)物，隨著國內(nèi)橡膠用量的增加，大量廢橡膠積壓難以有效利用，造成了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[1-3]。橡膠瀝青是將廢膠粉在高溫下與基質(zhì)瀝青溶脹并發(fā)生相應(yīng)的交聯(lián)反應(yīng)制得的改性瀝青[4]。相比于其他改性瀝青，膠粉摻量大、橡膠瀝青力學(xué)性能突出，橡膠瀝青混合料路面行車舒適性良好，且抗滑降噪效果明顯[5-6]。因此，研究不同改性劑對(duì)橡膠瀝青性能的影響對(duì)橡膠瀝青的應(yīng)用推廣有著重要的意義。

目前，改性橡膠瀝青常用的改性劑主要以單一膠粉為主，也有部分研究人員研究過連接劑對(duì)橡膠瀝青性能的影響[7]。但目前沒有見到全面系統(tǒng)的研究連接劑對(duì)橡膠瀝青性能的影響及宏觀性能變化與微觀化學(xué)鍵方面的關(guān)系[8]。本文將系統(tǒng)地從橡膠連接劑TOR對(duì)橡膠瀝青性能影響方面進(jìn)行研究，進(jìn)而分析微觀化學(xué)變化與宏觀性能之間的關(guān)聯(lián)性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

東海70號(hào)瀝青，性能指標(biāo)見表1。40目廢膠粉，青島沃達(dá)豐橡塑科技有限公司。維他連接劑（TOR），德國Degussa公司。

表1 東海70號(hào)瀝青性能指標(biāo)

1.2 橡膠瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青在110℃烘箱中恒溫加熱4 h，然后準(zhǔn)確稱量并加入到橡膠瀝青制備裝置中；加熱溫度控制在5℃/min～10℃/min，將瀝青加熱到180℃～190℃，并保持機(jī)械攪拌，攪拌速度控制在200～300 rpm，維持在180℃～190℃條件下5 min左右；按照一定比例加入一定量的廢舊膠粉和維他連接劑TOR，保持溫度180℃～190℃下攪拌120 min左右，轉(zhuǎn)速控制在500～600 rpm。廢舊膠粉和連接劑TOR的比例和加入量在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中有說明，本試驗(yàn)中膠粉和TOR改性劑均按照外摻法計(jì)算。

1.3 瀝青性能測(cè)試

改性橡膠瀝青的針入度、軟化點(diǎn)以及5℃延度、25℃彈性恢復(fù)和旋轉(zhuǎn)黏度均按J TJ 052/T0604206標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。

1.4 瀝青混合料性能測(cè)試

包括基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青的配合比設(shè)計(jì)、浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)、動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本研究考察了膠粉含量和TOR含量對(duì)橡膠瀝青性能的影響，其中考察膠粉含量是保持膠粉與TOR質(zhì)量比不變，考察TOR連接劑用量時(shí)膠粉含量保持不變，其中膠粉和TOR用量為所占瀝青質(zhì)量的百分比（外摻法），試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

從圖1可以看出，保持TOR與膠粉質(zhì)量比例不變的情況下，隨著膠粉的增加橡膠瀝青軟化點(diǎn)先增大然后又小幅降低，基本維持在較高值。而25℃針入度則隨著膠粉含量的增加先減小然后小幅上升，5℃延度和25℃彈性恢復(fù)則隨著膠粉含量的增加先增大后減小。180℃黏度隨著膠粉含量增加逐漸增大。除了180℃黏度以外，其余4個(gè)指標(biāo)均在膠粉含量（外摻）為20%～22.5%之間達(dá)到了極值，180℃黏度在膠粉含量（外摻）為20%～22.5%之間有個(gè)小平臺(tái)，然后又出現(xiàn)了陡升。從上述結(jié)果可以看出，隨著膠粉含量的增加，廢舊膠粉與瀝青之間的化學(xué)反應(yīng)逐步加深，當(dāng)膠粉含量超過22.5%時(shí)，過量的廢舊膠粉不能與瀝青充分反應(yīng)。因此，隨著膠粉含量的增加剛開始，膠粉和TOR連接劑可以在高溫下與瀝青中的不飽和鍵發(fā)生加成反應(yīng)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以有效地提升橡膠瀝青的軟化點(diǎn)、5℃延度，但是隨著交聯(lián)程度的增加，橡膠瀝青的流動(dòng)性顯著降低，導(dǎo)致25℃針入度下降明顯，同時(shí)180℃黏度也快速增加。

表2 不同膠粉含量的橡膠瀝青性能參數(shù)

表3 不同TOR含量的橡膠瀝青性能參數(shù)

圖1 膠粉含量對(duì)橡膠瀝青性能的影響

圖2 TOR對(duì)橡膠瀝青性能的影響

當(dāng)膠粉含量超過22.5%后，過量的膠粉不能完全參加反應(yīng)，導(dǎo)致交聯(lián)劑的交聯(lián)度相比于20%和22.5%的時(shí)候有所降低，這從25℃彈性恢復(fù)和5℃延度性能可以看出，交聯(lián)結(jié)構(gòu)的增加或者改性劑在瀝青中可以有效地充分溶脹形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)延度和彈性恢復(fù)有顯著提升，軟化點(diǎn)也因?yàn)楦男詾r青中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的存在有所提升，這也是SBS改性瀝青在延度和彈性恢復(fù)方面相比于基質(zhì)瀝青有效提升的主要原因所在。而TOR改性橡膠瀝青中隨著廢舊膠粉含量的增加出現(xiàn)了類似于SBS改性瀝青的現(xiàn)象，各項(xiàng)性能顯著提升，針入度有所降低，這反應(yīng)了膠粉含量低于22.5%時(shí)，隨著膠粉和TOR含量增加，交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在逐步加深，進(jìn)而使得各項(xiàng)性能有所提升。當(dāng)膠粉含量超過22.5%時(shí)，并沒有出現(xiàn)類似于SBS改性瀝青性能提升到一定值后達(dá)到平衡狀態(tài)，而是出現(xiàn)了下滑。這說明隨著膠粉含量的增加，導(dǎo)致膠粉與TOR和瀝青之間不能形成更緊密交聯(lián)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致橡膠瀝青交聯(lián)結(jié)構(gòu)連續(xù)性差，膠粉以半交聯(lián)狀態(tài)或者顆粒狀態(tài)分散在瀝青中，而瀝青也沒有充分地發(fā)生反應(yīng)。因此，當(dāng)膠粉含量過高時(shí)反應(yīng)瀝青高溫流動(dòng)性的針入度反而有所提升，而體現(xiàn)改性瀝青中交聯(lián)程度的軟化點(diǎn)、延度和彈性恢復(fù)反而有所降低。這也進(jìn)一步印證了膠粉的最佳參配比例為20%～22.5%之間。而180℃延度隨著膠粉含量超過22.5%時(shí)出現(xiàn)了進(jìn)一步躍升，說明多余的膠粉在高溫剪切下發(fā)生了溶脹，但是未能有效地形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以在眾多關(guān)聯(lián)指標(biāo)中，只有180℃黏度提升明顯，其余指標(biāo)均有所降低。而當(dāng)膠粉含量達(dá)到20%時(shí)各項(xiàng)性能均已非常接近最佳值，因此確定的最佳膠粉含量為20%。

從圖2可以看出，當(dāng)廢舊膠粉含量（20%）保持不變時(shí)，隨著TOR含量的增加，橡膠瀝青軟化點(diǎn)、5℃延度、25℃彈性恢復(fù)均出現(xiàn)了先增加后減小的趨勢(shì)，而25℃針入度隨著TOR含量的增加出現(xiàn)了快速降低然后達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的值，180℃黏度隨著TOR含量的增加先迅速增加然后在較高水平保持穩(wěn)定。TOR在改性橡膠瀝青中主要起到了加深膠粉與瀝青之間反應(yīng)的作用。因?yàn)椋琓OR中含有大量活潑的不飽和雙鍵，而一般橡膠制備過程中都要經(jīng)過硫化，膠粉中含有的硫可以與TOR和瀝青中不飽和雙鍵發(fā)生加成反應(yīng)，形成空間交聯(lián)結(jié)構(gòu)。而膠粉中硫含量有限，且膠粉由于其反應(yīng)活性相對(duì)較低，TOR反應(yīng)活性高，一般多集中于膠粉表面。加長反應(yīng)時(shí)間也在一定程度上促進(jìn)了膠粉的溶脹，有助于交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行，但是由于瀝青中的芳香份和瀝青質(zhì)對(duì)膠粉的溶脹達(dá)到一定程度進(jìn)一步增加的傳質(zhì)傳熱效率降低，所以即使膠粉含量繼續(xù)增加或者TOR含量繼續(xù)增加對(duì)橡膠瀝青內(nèi)部交聯(lián)反應(yīng)也不會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)。從圖2中可以看出，當(dāng)TOR添加量達(dá)到一定值后，各項(xiàng)指標(biāo)并沒有顯著提升。

而且相比于基質(zhì)瀝青，膠粉改性瀝青性能方面均有所提升，尤其在軟化點(diǎn)、彈性恢復(fù)和延度方面提升明顯，說明橡膠瀝青相比于基質(zhì)瀝青而言，性能有了明顯提升，尤其在高溫性能方面。

3 結(jié)論

a）膠隨著膠粉含量的增加，橡膠瀝青的各項(xiàng)性能先增加后降低，膠粉的最佳添加量為20%～22.5%（外摻法），綜合性能和性價(jià)比而言20%更合適。

b）TOR的加入極大地提升橡膠瀝青的性能，且隨著TOR含量的提升，橡膠瀝青性能有所提升，當(dāng)TOR達(dá)到0.8%時(shí)性能達(dá)到了最佳值。