次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青性能研究

樊 德羅順帆嚴(yán) 蕾李麗麗

（1重慶市交通委員會工程質(zhì)量安全監(jiān)督局， 重慶 400060；2.溫江區(qū)新世紀(jì)中學(xué)高2015級二班， 成都 611130）3.重慶路面科技有限公司， 重慶 400030）

次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青性能研究

樊 德1羅順帆2嚴(yán) 蕾3李麗麗3

（1重慶市交通委員會工程質(zhì)量安全監(jiān)督局， 重慶 400060；2.溫江區(qū)新世紀(jì)中學(xué)高2015級二班， 成都 611130）3.重慶路面科技有限公司， 重慶 400030）

采用次氯酸鈉對橡膠粉表面進行活化改性，對比次氯酸鈉活化橡膠粉與普通橡膠粉改性瀝青的性能，研究次氯酸鈉活化橡膠摻量對橡膠瀝青性能的影響，分析次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青的改性機理，探討瀝青中次氯酸鈉活化橡膠粉的合理摻量。研究結(jié)果表明，次氯酸鈉活化橡膠粉表面活性增強，可較好改善橡膠瀝青路用性能，其在瀝青中的摻量宜控制在17%～25%，但在施工條件允許的情況下，次氯酸鈉橡膠粉改性瀝青的摻量可提高至33%。

橡膠瀝青；次氯酸鈉；活化機理；橡膠粉摻量

0 引言

橡膠瀝青技術(shù)始于20世紀(jì)40年代，經(jīng)過多年的研究與應(yīng)用，橡膠瀝青以其優(yōu)良的高溫抗車轍、低溫抗裂、良好的耐久性、降低路面噪音，以及有效回收利用廢舊輪胎資源等一系列環(huán)保意義，成為美國、日本、南非等國家和地區(qū)最常用的路用材料之一[-3]。然而，橡膠粉是廢舊橡膠經(jīng)粉碎機斷裂交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的大量分子碎片顆粒，其表面呈惰性[]，單純采用橡膠粉改性瀝青，雖可以改善瀝青的流變性能，但對瀝青路用性能改善效果有限。因此，為促進橡膠粉與瀝青組分的溶脹、交換等反應(yīng)，提高橡膠瀝青的路用性能，對膠粉進行預(yù)處理越來越受重視，很多橡膠工業(yè)中橡膠粉的表面改性、膠粉降解方法逐漸應(yīng)用到橡膠粉改性瀝青行業(yè)中，諸如橡膠粉表面接枝改性、橡膠粉脫硫降解、微波降解等[-5]。本文選用強氧化劑次氯酸鈉對橡膠粉進行預(yù)處理，通過分析次氯酸鈉對橡膠粉表面的活化機理，對比次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青相比普通橡膠粉改性瀝青的性能指標(biāo)，分析次氯酸鈉活化橡膠粉摻量對瀝青性能的影響規(guī)律和影響程度，探討次氯酸鈉活化橡膠粉改善橡膠瀝青的可能性，并提出次氯酸鈉活化橡膠粉在瀝青中的合理摻量。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用瀝青為中海70＃基質(zhì)瀝青，其主要性能指標(biāo)如表1所示。橡膠粉由廢舊輪胎經(jīng)粉碎制得，橡膠粉粒徑為40目。次氯酸鈉為市售，有效氯含量約為5.5%。由于次氯酸鈉具有強氧化性，為避免次氯酸鈉與空氣中金屬離子等雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致其氧化性降低，需要用去離子水按一定比例對其進行穩(wěn)定。

表1 中海70#基質(zhì)瀝青主要性能指標(biāo)

為了對比次氯酸鈉活化橡膠粉對瀝青的改性效果，采用相同工藝制備相同橡膠粉摻量的次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青和常規(guī)橡膠瀝青，其中橡膠粉摻量為瀝青質(zhì)量的17%。兩種橡膠瀝青各性能指標(biāo)對比情況如圖1所示。

1.2 活化橡膠粉改性瀝青制備

1.2.1 次氯酸鈉活化橡膠粉

將一定量橡膠粉加入到帶有攪拌器和溫度控制裝置的容器內(nèi)，加入一定量的去離子水，是橡膠粉可均勻分散在去離子水中，并升溫至40℃；加入次氯酸鈉與去離子水的混合溶液對橡膠粉進行活化，其中，次氯酸鈉活化橡膠粉溶液應(yīng)保持40℃恒定溫度3～4h，次氯酸鈉摻量為橡膠粉質(zhì)量的40%；過濾次氯酸鈉活化橡膠粉溶液，并用清水洗滌，將濾餅在紅外燈下烘干至質(zhì)量恒定，即得到次氯酸鈉活化橡膠粉[]。與普通橡膠粉相比，經(jīng)次氯酸鈉活化橡膠粉的表面由破壞的空間網(wǎng)絡(luò)端組成，棱角更為分明，呈不規(guī)則的毛刺狀。

1.2.2 活化橡膠粉改性瀝青制備

將一定量基質(zhì)瀝青加熱至熔融流動狀態(tài)，緩慢勻速加入摻量好的次氯酸鈉活化橡膠粉并攪拌均勻；將活化橡膠粉瀝青混合料溫度上升至180～190℃，攪拌60～90min，使得活化橡膠粉均勻分散瀝青中，即可制得次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青。

2 次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青性能

2.1 次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青與傳統(tǒng)橡膠瀝青性能比較

圖1 橡膠粉摻量相同時，兩種橡膠瀝青性能指標(biāo)對比圖

對比圖1中兩種橡膠瀝青的性能指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，與未活化橡膠粉改性瀝青相比，次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青的軟化點提高了3.2℃，彈性恢復(fù)性能提高了4.3%，延度提高幅度較小，僅有0.2cm，粘度有所降低，降低了0.4Pa.s。可見，在橡膠粉摻量相同的情況下，次氯酸鈉活化橡膠粉在提高橡膠瀝青的軟化點和彈性恢復(fù)性能的同時，還降低了橡膠瀝青的粘度，為橡膠粉摻量的增加提供了可行性。

廢舊橡膠粉多屬于二烯烴類橡膠，含有大量不飽和雙鍵，這些雙鍵以及臨近的亞甲基均比較活潑，在一定條件下可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。次氯酸鈉作為一種強氧化劑，與橡膠粉在恒定溫度混合一定時間，會將橡膠粉表面的雙鍵、亞甲基等活性基團氧化為羥基，羰基(醛及羧基)，增強橡膠粉表面的極性和反應(yīng)性，從而提高橡膠粉與極性高分子材料，如聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、聚氯乙烯等體系的相容性和結(jié)合能力。牟東蘭等人通過對比次氯酸鈉活化前后橡膠粉的XPS全譜圖發(fā)現(xiàn)[4]，次氯酸鈉活化橡膠粉XPS譜圖中出現(xiàn)原橡膠粉沒有的C=O峰，這是橡膠粉表面被次氯酸鈉氧化的證據(jù)；次氯酸鈉活化前后橡膠粉的掃描電鏡圖（SEM，如圖2～圖3所示）也說明次氯酸鈉使橡膠粉表面發(fā)生活化反應(yīng)，橡膠粉表面結(jié)合能力增強；測量次氯酸鈉活化前后橡膠粉的接觸角發(fā)現(xiàn)，未活化橡膠粉的接觸角為84.4°，次氯酸鈉活化橡膠粉的接觸角為70.8°，降低了13.6°，直觀反應(yīng)了次氯酸鈉的強氧化作用使得橡膠粉表面發(fā)生活化反應(yīng)，橡膠粉表面的含氧基團增加，表面張力增大，極性增強8。

圖2 未活化橡膠粉SEM圖

圖3 活化橡膠粉SEM圖

2.2 不同摻量的次氯酸鈉對活化橡膠粉改性瀝青性能的影響

為研究次氯酸鈉活化橡膠粉摻量對橡膠瀝青性能的影響規(guī)律，分別制備次氯酸鈉活化橡膠粉摻量為基質(zhì)瀝青質(zhì)量17.0%、25.0%、33.0%、37%以及41.0%的改性瀝青，并參照我國改性瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和美國FHWA磨細(xì)廢膠粉改性瀝青標(biāo)準(zhǔn)評價不同摻量次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青的各項性能指標(biāo)。不同摻量次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青的性能指標(biāo)見圖4～圖8。

圖4 活化橡膠粉摻量對橡膠瀝青軟化點的影響橡膠瀝青5℃延度的影響

圖5 活化橡膠粉摻量對

圖6 活化橡膠粉摻量對橡膠瀝青彈性恢復(fù)性能的影響

圖7 活化橡膠粉摻量對橡膠瀝青 針入度的影響

圖8 活化橡膠粉摻量對橡膠瀝青粘度的影響

2.2.1 橡膠瀝青的高溫性能

從圖4可以看出，與基質(zhì)瀝青相比，次氯酸鈉活化橡膠粉可顯著提高瀝青的軟化點，當(dāng)活化橡膠粉摻量為17%時，橡膠瀝青的軟化點為61.8℃，滿足橡膠瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著次氯酸鈉活化橡膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的軟化點逐漸增加，說明次氯酸鈉活化橡膠粉可顯著改善橡膠瀝青的高溫性能。

2.2.2 橡膠瀝青的低溫性能

從圖5可以看出，與基質(zhì)瀝青相比，次氯酸鈉活化橡膠粉可明顯提高瀝青的5℃延度，當(dāng)活化橡膠粉摻量為17%時，橡膠瀝青的5℃延度為8.3cm，滿足橡膠瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著次氯酸鈉活化橡膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的5℃延度逐漸增加，說明次氯酸鈉活化橡膠粉可顯著改善橡膠瀝青的低溫性能。

2.2.3 橡膠瀝青的彈性恢復(fù)性能

從圖6可以看出，與基質(zhì)瀝青相比，次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青的彈性恢復(fù)性能明顯增加，當(dāng)活化橡膠粉摻量為17%時，橡膠瀝青的彈性恢復(fù)性能高達78%。隨著次氯酸鈉活化橡膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的彈性恢復(fù)性能逐漸增加，但增長幅度隨橡膠粉摻量的提高有所降低。說明次氯酸鈉活化橡膠粉可顯著提高橡膠瀝青的彈性恢復(fù)能力，降低瀝青路面經(jīng)車輛荷載作用后的殘余變形，減少路面破壞，提高路面的抗疲勞性能。

2.2.4 橡膠瀝青的粘度

從圖7～圖8可以看出，與基質(zhì)瀝青相比，次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青較為粘稠，當(dāng)活化橡膠粉摻量為17%時，橡膠瀝青的針入度為62（0.1mm），粘度為1.4Pa.s，均滿足橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)。隨著次氯酸鈉活化橡膠粉摻量的增加，橡膠瀝青的針入度逐漸減小，粘度逐漸增加，且活化橡膠粉摻量越高，橡膠瀝青明顯變硬，且高溫粘度增大。當(dāng)活化橡膠粉摻量為33%時，橡膠瀝青的粘度值高達6.0Pa.s，相比橡膠瀝青的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)粘度的最大值5.0Pa.s高出1.0Pa.s。

2.3 次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青機理分析

綜合國內(nèi)外橡膠瀝青改性機理研究成果，在高溫條件下橡膠粉與瀝青結(jié)合，橡膠粉吸收瀝青中的輕質(zhì)組分溶脹，橡膠粉體積增加，瀝青中瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量相對增加，橡膠瀝青體系粘度增大[[5][]]。對于次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青而言，經(jīng)次氯酸鈉氧化作用，橡膠粉表面雙鍵、亞甲基等活化基團被氧化為羥基、羰基（醛及羧基），橡膠粉表面的極性和反應(yīng)性增強。因此，相比普通橡膠粉，次氯酸鈉活化橡膠粉在熱力與機械作用下可與瀝青更好結(jié)合，溶脹程度加深，橡膠粉周圍凝膠膜增厚，橡膠粉與瀝青之間的粘結(jié)效力提高，且橡膠粉顆粒相互之間接觸機會增加，易于在改性瀝青體系中形成加勁網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，表面活性增強的橡膠粉可更好改善橡膠瀝青路用性能。同時，因活化橡膠粉溶脹程度加深，橡膠粉柔順度提高，橡膠瀝青的粘度有所降低。

分析次氯酸鈉活化橡膠粉摻量對橡膠瀝青性能的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，橡膠粉摻量較小時，次氯酸鈉活化橡膠粉可顯著提高橡膠瀝青的軟化點、延度和彈性恢復(fù)性能；但隨著橡膠粉摻量的提高，橡膠瀝青軟化點、延度以及彈性恢復(fù)性能的改善效果逐漸減小，且橡膠粉摻量達到一定值后，橡膠瀝青急劇變硬，粘度明顯增大。究其原因主要是，當(dāng)橡膠粉摻量較小時，表面活化增強的橡膠粉可與瀝青中組分發(fā)生充分的溶脹、交換等反應(yīng)，獲得部分生膠彈性性能，在熱力與機械作用下，橡膠粉與瀝青質(zhì)界面充分結(jié)合，混合均勻，橡膠粉周圍凝膠膜促使顆粒之間彼此緊密接觸，在改性瀝青體系中形成加勁網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，橡膠粉與瀝青之間的粘結(jié)效力提高，進而明顯改善使得橡膠瀝青軟化點、延度以及彈性恢復(fù)性能。但隨著活化橡膠粉摻量提高，橡膠粉對瀝青中輕質(zhì)組分的吸收量逐漸增加，瀝青中輕質(zhì)組分的含量減小，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的含量相對增大，橡膠瀝青粘度明顯增大，橡膠粉在瀝青中分散均勻性降低，部分橡膠粉更集聚成膠結(jié)團，其與瀝青不能充分結(jié)合，且彼此間粘結(jié)性能不佳，從而影響橡膠瀝青的軟化點、延度等性能。綜合不同摻量次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青的性能，活化橡膠粉摻量宜控制在17%～25%，在施工條件允許情況下，活化橡膠粉摻量可提高至33%。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)次氯酸鈉活化橡膠粉表面活性增強，可更好與瀝青結(jié)合，溶脹程度加深，橡膠粉周圍凝膠膜增厚，橡膠粉與瀝青之間的粘結(jié)效力提高，且橡膠粉顆粒相互之間接觸機會增加，易于在改性瀝青體系中形成加勁網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，次氯酸鈉活化橡膠粉可較好改善橡膠瀝青的路用性能。而橡膠粉因溶脹充分而軟化，也可一定程度降低橡膠瀝青的粘度。

（2）次氯酸鈉活化橡膠粉摻量對橡膠瀝青性能至關(guān)重要。隨著次氯酸鈉活化橡膠粉摻量的提高，可顯著改善橡膠瀝青的高溫性能、低溫性能以及彈性恢復(fù)性能，但也導(dǎo)致橡膠瀝青的粘度明顯提高。因此，采用次氯酸鈉活化橡膠粉改性瀝青時，活化橡膠粉摻量宜控制在17%～25%，在施工條件允許情況下，活化橡膠粉摻量可提高至33%。

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TU75

：B

1007-6344（2017）08-0254-02

科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項目（12C26215116101）。

樊德，男，民族：漢，出生年月日：1967-08-12：籍貫：重慶市渝北區(qū)，學(xué)歷: 碩士研究生，研究方向：公路工程建設(shè)與管理，職稱：高級工程師，職務(wù)：副局長。 通訊作者：羅順帆