微波活化對(duì)橡膠瀝青粘度及分子量的影響

李曉平 馬偉中 喬 衡 顏魯春 李海蓮

（1甘肅省公路發(fā)展集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730070；2甘肅省公路路網(wǎng)監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；3蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

橡膠瀝青因其具有節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和良好路用性能的特點(diǎn)，已逐漸應(yīng)用于道路工程中。但是橡膠瀝青的粘度較高，施工和易性較差，為此研究人員對(duì)廢胎膠粉進(jìn)行微波活化處理，以增加膠粉與瀝青的相容性，改善橡膠瀝青的各項(xiàng)性能，并降低粘度，提高施工和易性[1,2,3,4]。肖鵬等人的研究表明，膠粉經(jīng)微波活化后所制備的橡膠瀝青熱穩(wěn)定性得到明顯提高，高低溫性能得到明顯改善，溫度敏感性也優(yōu)于普通橡膠瀝青[5,6]。Kim等人發(fā)現(xiàn)，橡膠瀝青中大分子含量與橡膠瀝青粘度及高溫性能具有較好的相關(guān)性[7,8,9,10]，但經(jīng)過活化之后，活化橡膠瀝青是否還具有同種性質(zhì)還不得而知。另外，瀝青與膠粉的交互反應(yīng)與膠粉顆粒在瀝青中的填充作用對(duì)橡膠瀝青的性能有著重要影響[11]。分析國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，以往的研究中并沒有完全量化膠粉微波活化后，改性瀝青的分子量分布與橡膠瀝青粘性的關(guān)系。因此，本文采用5種不同微波活化時(shí)間的廢胎膠粉所制備的橡膠瀝青進(jìn)行布氏粘度和凝膠滲透色譜試驗(yàn)，探究不同活化時(shí)間的膠粉所制備的橡膠瀝青粘度和分子量的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上分析了橡膠瀝青中的分子量分布對(duì)其粘度的影響規(guī)律。

1 原材料

1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青采用SK90#瀝青。經(jīng)檢測各項(xiàng)指標(biāo)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求，技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示。

表1 SK90#基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 廢胎膠粉

本文使用的40目廢胎膠粉由酒泉榮泰橡膠制品有限公司生產(chǎn)，其技術(shù)指標(biāo)符合《橡膠瀝青及混合料設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)范指南》的要求。表2為廢舊輪胎膠粉的技術(shù)指標(biāo)。

表2 橡膠粉的物理及化學(xué)技術(shù)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

2.1 膠粉的微波活化

首先將廢胎膠粉放入60℃的恒溫干燥箱中烘干至恒重，然后取100g膠粉于微波發(fā)生器中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，微波輻射功率設(shè)定為800w，完成后將膠粉冷卻至室溫即制得活化廢膠粉。為確定最佳微波活化時(shí)間，輻射時(shí)間分別為30s、60s、90s、120s、150s。

2.2 橡膠瀝青的制備

將基質(zhì)瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)，取500g倒入燒杯中，然后將裝有瀝青的燒杯放進(jìn)恒溫磁力加熱攪拌器升溫到反應(yīng)溫度190℃，緩慢加入預(yù)熱的100g廢胎膠粉，并開始攪拌，攪拌速率必須由慢到快逐漸增加至設(shè)定的攪拌速率1500r/min，膠粉與瀝青攪拌反應(yīng)60min后，即制得橡膠瀝青。

圖1 布式旋轉(zhuǎn)粘度儀

2.3 橡膠瀝青粘度測試

使用布洛克菲爾德旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)對(duì)基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青、過濾瀝青的粘度進(jìn)行測試，測試時(shí)扭矩保持在10%-98%之間，基質(zhì)瀝青與濾除膠粉的瀝青（過濾瀝青）的粘度測試溫度為135℃，采用21#轉(zhuǎn)子，瀝青質(zhì)量為8.5g，轉(zhuǎn)速為20轉(zhuǎn)/分；橡膠瀝青的粘度測試溫度為180℃，采用27#轉(zhuǎn)子，瀝青取樣質(zhì)量為12.5g，轉(zhuǎn)速設(shè)定為20轉(zhuǎn)/分，每組進(jìn)行三次平行試驗(yàn)。

2.4 凝膠滲透色譜試驗(yàn)（GPC）

進(jìn)行凝膠滲透色譜試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定色譜柱的溫度為35℃，流動(dòng)相為四氫呋喃（THF），流速為1.0mL/min，試樣溶液濃度為2.0mg/ml。當(dāng)瀝青完全溶于THF后，用0.45um篩對(duì)溶液進(jìn)行過濾，以消除改性瀝青中膠粉顆粒的影響。GPC進(jìn)樣量為50uL，每組測試時(shí)長約為30min。

圖2 凝膠色譜儀

3 結(jié)果與討論

3.1 微波活化對(duì)橡膠瀝青粘度的影響

圖3 不同活化時(shí)間橡膠瀝青的粘度（180℃）

由圖3可知，與未活化的膠粉改性瀝青相比，膠粉經(jīng)過微波輻射后，其改性瀝青的粘度均出現(xiàn)了下降。且隨活化時(shí)間的增加，粘度呈先減小后增加的趨勢，其粘度降幅分別為55.1%、59.7%、71.8%、53%、22.4%。當(dāng)微波活化時(shí)間為90s時(shí)，膠粉改性瀝青粘度達(dá)到最小，而當(dāng)活化時(shí)間大于90s時(shí)，膠粉改性瀝青的粘度相比于90s有了大幅度的上升。可見當(dāng)微波功率恒定為800W時(shí)，在一定范圍內(nèi)增加活化時(shí)間（0-90s），可顯著降低橡膠瀝青的粘度。

3.2 微波活化橡膠瀝青的分子量分布

圖4為不同活化時(shí)間橡膠瀝青的GPC圖譜, 將測試得到的信號(hào)曲線分為三部分：大粒徑分子（LMS）（1-5等分）、中粒徑分子（MMS）（6-9等分）和小粒徑分子（10-13等分），未活化的橡膠瀝青GPC曲線位于活化膠粉改性瀝青的左側(cè)，可得橡膠瀝青的大分子含量最高，經(jīng)過微波活化的膠粉改性瀝青LMS含量都有所減少。由圖5可知，基質(zhì)瀝青經(jīng)過膠粉改性之后，其LMS含量都有所增加，主要原因在于膠粉顆粒與基質(zhì)瀝青反應(yīng)之后，膠粉吸收了瀝青中的輕質(zhì)油分，故橡膠瀝青相對(duì)于基質(zhì)瀝青的LMS含量大幅增加。膠粉經(jīng)過微波活化之后，改性瀝青的LMS含量相對(duì)于普通橡膠瀝青均有所下降，當(dāng)微波時(shí)間為90s時(shí)降低幅度最大，微波活化膠粉改性瀝青的LMS含量隨活化時(shí)間的增加變化不大，保持在18%-20%。

圖4 不同活化時(shí)間橡膠瀝青的GPC圖譜

圖5 不同活化時(shí)間橡膠瀝青的LMS含量

圖6 分子量分布與粘度的相關(guān)性曲線圖

由圖6可知，經(jīng)過微波活化之后，橡膠瀝青的粘度與LMS含量之間具有較好的相關(guān)性（R2=0.74），而與MMS含量和SMS含量之間的相關(guān)性較差，因此經(jīng)過微波活化后的橡膠瀝青同普通橡膠瀝青一樣，仍然可以用LMS含量對(duì)活化膠粉改性瀝青的粘度進(jìn)行表征。

4 結(jié) 語

1）膠粉的微波活化對(duì)橡膠瀝青有明顯的降粘效果，在微波活化時(shí)間為90s時(shí)，活化膠粉改性瀝青的降粘效果最佳。

2）經(jīng)過微波活化之后，橡膠瀝青的LMS含量相對(duì)于橡膠瀝青均有所下降，微波活化90s時(shí)降低幅度最大。

3）活化膠粉改性瀝青的粘度與LMS含量呈線性正相關(guān)，可用LMS含量對(duì)活化膠粉改性瀝青的粘度進(jìn)行表征。

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