微波膠粉比表面積對橡膠瀝青流變性能的影響

張智豪，李 波，李 鵬，楊進宇

(1.蘭州交通大學 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，蘭州 730070；2.蘭州交通大學 道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室；3.甘肅恒達路橋工程集團有限公司 甘肅省高等級公路養護工程研究中心)

由廢舊輪胎生產的膠粉可以與瀝青共混制備膠粉改性瀝青[1-3]，但是將膠粉與瀝青直接混合，所得產品的高低溫性能將發生下降。由于膠粉表面較為平整，與瀝青的相容性和界面結合能力較差。因此，有必要從膠粉的角度對其進行改性處理從而改善瀝青的使用性能。

膠粉的改性處理包括核殼改性法、再生劑法、機械力化學法、微波輻射法等，其中微波輻射法簡單且容易控制，將活化后的膠粉與瀝青共混后不僅發現膠粉與瀝青的相容性得到改善，而且改性瀝青的性能也明顯提高[4]。肖鵬等[5]采用微波輻射的方法對膠粉進行處理，發現制備的橡膠瀝青的熱穩定性得到顯著提高；康愛紅等[6]研究發現膠粉經過微波輻射后，其改性瀝青的高低溫性能和抗老化性能得到明顯改善。Lee等[7]發現相比于冷凍法膠粉，常溫法膠粉孔隙更多，比表面積大，能更快地與瀝青發生相互反應，制備的改性瀝青流變性能更佳；Shen等[8]發現膠粉的比表面積與瀝青流變性能之間存在良好的相關性。但是以往的研究沒有對膠粉活化后的比表面積與瀝青流變性能的關系進行深入分析，較少從微觀結構角度探討膠粉對瀝青改性的反應機理。

因此，本研究采用微波輻射方法對膠粉進行活化改性，從流變性角度分析微波作用對膠粉改性瀝青高溫性能的影響，通過對比膠粉活化前后的表觀形貌變化，考察比表面積與其改性瀝青流變性能之間的關系，為進一步完善微波膠粉對瀝青的改性機理奠定基礎。

1 實 驗

1.1 原材料

基質瀝青采用SK90號瀝青，性質見表1。選用常溫法生產的40目膠粉，其性質見表2。同時考慮膠粉生產方法對粒徑的影響，將膠粉過40目膠粉篩后備用，40目是30～40目之間的篩余量。

表1 SK90號基質瀝青的主要性質

表2 40目膠粉的性質

1.2 制備工藝

將廢舊輪胎膠粉放入60 ℃的恒溫干燥箱中烘干脫水30 min，然后取膠粉100 g置于微波裝置中，為避免膠粉發生碳化燃燒，微波時間不宜過長[9]，因此本實驗選擇在功率800 W條件下將膠粉分別活化30，60，90，120，150 s后冷卻至室溫，即制得活化廢膠粉。將基質瀝青加熱至流動狀態并倒入燒杯，然后將燒杯放進恒溫磁力加熱攪拌器升溫到反應溫度190 ℃，緩慢加入預熱的膠粉，并開始攪拌，攪拌速率為1 500 r/min，膠粉與瀝青攪拌反應60 min后，即制得膠粉改性瀝青。

1.3 分析方法

采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡對膠粉的表觀形貌進行觀察，將分散好并充分干燥的膠粉樣品黏在導電膠帶上，由于膠粉絕緣性高，故需要鍍金4次以上，提高樣品的導電性，隨后對膠粉進行觀測分析。

采用氣體吸附儀對膠粉的比表面積進行測定。采用美國TA公司生產的AR1500EX動態剪切流變儀對不同微波活化時間下的膠粉改性瀝青進行黏彈性分析，測試溫度為70 ℃，應變為12%，應力掃描頻率為10 rad/s，振蕩板間距為1 mm。

2 結果與討論

2.1 微波輻射對瀝青流變參數的影響

2.1.1微波輻射對復數剪切模量的影響圖1為膠粉的微波輻射對瀝青復數剪切模量(G*)的影響。由圖1可知：膠粉經過微波活化后，其改性瀝青的復數剪切模量相比未活化膠粉改性瀝青均出現了不同程度的增長，而復數剪切模量在一定程度上體現了材料受剪切力影響下抵抗變形的能力，由此說明相比于未活化膠粉改性瀝青，微波輻射能夠在一定程度上提高膠粉改性瀝青的高溫抗變形能力；當活化時間小于90 s時，隨著活化時間的延長，復數剪切模量值呈遞增趨勢；在活化時間為90 s時，復數剪切模量達到最高值7.014 kPa；當活化時間超過90 s后，隨著活化時間的增加，復數剪切模量值開始下降，但仍明顯大于未活化膠粉改性瀝青的復數剪切模量。

圖1 微波輻射對復數剪切模量的影響

2.1.2微波輻射對相位角的影響相位角是瀝青黏性和彈性變形數量的相對指標，相位角越小，瀝青越接近于彈性體[10-13]。圖2為膠粉的微波輻射對瀝青相位角的影響。由圖2可知：與未活化膠粉改性瀝青相比，膠粉經過微波活化后其改性瀝青相位角均出現不同程度的降低，表明對膠粉進行微波活化后，膠粉可為瀝青提供良好的彈性性能；當活化時間小于90 s時，隨著活化時間的增加，膠粉改性瀝青相位角逐漸減小，瀝青的彈性增強，而黏性降低；當活化時間為90 s時，相位角為55.43°，其改性瀝青的黏性最小而彈性最大；當活化時間為90 s以上時，隨著活化時間的增長，膠粉改性瀝青的相位角呈逐漸遞增趨勢，黏性逐漸恢復，而彈性開始降低。

圖2 微波輻射對相位角的影響

2.1.3微波輻射對車轍因子的影響Superpave規范中定義了車轍因子(G*/sinδ)以表征瀝青的高溫抗車轍能力，車轍因子越大表示抗車轍能力越強[14]。圖3為膠粉的微波輻射對瀝青車轍因子的影響。由圖3可知：膠粉經過微波活化后，膠粉改性瀝青的車轍因子相比普通膠粉改性瀝青均有大幅度提高，增長幅度為137%～316%，表明微波活化對膠粉改性瀝青的高溫抗車轍能力有著良好的改善效果；隨著活化時間的延長，車轍因子呈現先增加后減小的趨勢，在微波活化時間為90 s時車轍因子達到最高值8.519 kPa；當微波時間大于90 s后，雖然車轍因子有所降低，但仍明顯大于未活化膠粉改性瀝青的車轍因子。

圖3 微波輻射對車轍因子的影響

2.2 微波輻射對膠粉比表面積的影響

微波輻射時間對膠粉比表面積的影響見圖4。由圖4可知，未活化膠粉的比表面積為45.25 cm2/g，經過微波活化之后，膠粉顆粒的比表面積均有所增大，其中微波活化90 s的膠粉顆粒比表面積增加最為明顯，其值為53.98 cm2/g，這是因為微波輻射使膠粉中增加了很多微孔，同時使細小顆粒發生團聚，這些微孔和顆粒團聚現象的存在增加了膠粉的比表面積[14]。當微波活化時間大于90 s時，比表面積不再增加，這可能是因為膠粉獲得的微波能量超過了某一定值，使得膠粉顆粒中微孔破壞的速率超過了其形成速率，因此過量的微波活化導致膠粉顆粒比表面積有所降低[15-16]。

圖4 微波輻射時間對膠粉比表面積的影響

2.3 膠粉比表面積與瀝青流變參數的相關性分析

圖5 比表面積與復數剪切模量的線性回歸曲線

圖6 比表面積與相位角線性回歸曲線

2.4 掃描電鏡分析

圖7為不同微波活化時間下膠粉顆粒的掃描電鏡照片。由圖7可知：未活化的膠粉表面較為平整，其上分布著大小不等的孔，孔內及其周圍有許多微小碎片的附著物，呈現一定的平板狀，這樣的結構不利于膠粉在瀝青中的有效分散，不能充分發揮其對瀝青的改性作用[5]；而經過微波處理的膠粉都表現出不同程度的團聚現象，膠粉表面變得蓬松，顆粒間距變小，表面孔隙有所增多，且隨著微波處理時間的延長其團聚現象增加，表面孔隙有致密的趨勢；膠粉顆粒的表面可以明顯觀察到絮狀結構的存在，這是由于微小顆粒的聚集導致的，因此活化膠粉表面孔隙的增多和細小顆粒的聚集引起了微波活化膠粉比表面積的增加。膠粉比表面積的增加能夠使膠粉更好地吸附瀝青中的輕質組分發生溶脹，提高膠粉與瀝青的相容性，從而提高瀝青的高溫性能。

圖7 微波輻射前后膠粉的SEM照片

對比各階段膠粉的圖像，發現當活化時間為90 s時，膠粉表面絮狀結構最為明顯，團聚現象相比其它活化時間下的膠粉最為顯著，表面凹凸不平，比表面積大，而微波作用導致膠粉表面張力的增加也是產生上述現象的原因之一[18-19]。當活化時間大于90 s后，團聚物被重新分散，膠粉表面孔隙部分閉合，表面恢復一定的平板狀，因此與瀝青的接觸面減小，降低了吸附瀝青輕質組分的能力，從而使得改性瀝青的高溫流變性能降低。

3 結 論

(1)在一定時間范圍內(30～150 s)對膠粉進行微波活化，隨著活化時間的增加，膠粉改性瀝青的復數剪切模量呈先增大后降低的變化趨勢，相位角呈先減小后增大的變化趨勢，當微波輻射時間為90 s時，復數剪切模量達到最大，改性瀝青的高溫抗變形能力最好。

(2)活化膠粉改性瀝青車轍因子的變化趨勢與復數剪切模量一致，即隨著活化時間的增加，車轍因子呈現先增大后減小的趨勢，但都大于未活化的膠粉改性瀝青，其高溫抗車轍能力得到顯著改善。

(3)膠粉活化后其比表面積與改性瀝青高溫流變性能密切相關，在一定時間范圍內，微波輻射使膠粉比表面積增大，當微波輻射時間為90 s時，膠粉比表面積最大。而膠粉比表面積與瀝青復數剪切模量呈線性正相關，表明一定微波輻射時間下制備的改性瀝青具有較優的高溫抗變形能力。

(4)微波活化后的膠粉顆粒體積膨脹明顯，表面孔隙增加，比表面積顯著增長，這有利于膠粉吸收瀝青中的輕質組分，發生溶脹，提高膠粉與瀝青的相容性，從而改善瀝青的流變性能。

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