微波活化对橡胶沥青粘度及分子量的影响

李晓平 马伟中 乔 衡 颜鲁春 李海莲

（1甘肃省公路发展集团有限公司，甘肃 兰州 730070；2甘肃省公路路网监测重点实验室，甘肃 兰州 730070；3兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070）

橡胶沥青因其具有节约资源、保护环境和良好路用性能的特点，已逐渐应用于道路工程中。但是橡胶沥青的粘度较高，施工和易性较差，为此研究人员对废胎胶粉进行微波活化处理，以增加胶粉与沥青的相容性，改善橡胶沥青的各项性能，并降低粘度，提高施工和易性[1,2,3,4]。肖鹏等人的研究表明，胶粉经微波活化后所制备的橡胶沥青热稳定性得到明显提高，高低温性能得到明显改善，温度敏感性也优于普通橡胶沥青[5,6]。Kim等人发现，橡胶沥青中大分子含量与橡胶沥青粘度及高温性能具有较好的相关性[7,8,9,10]，但经过活化之后，活化橡胶沥青是否还具有同种性质还不得而知。另外，沥青与胶粉的交互反应与胶粉颗粒在沥青中的填充作用对橡胶沥青的性能有着重要影响[11]。分析国内外研究发现，以往的研究中并没有完全量化胶粉微波活化后，改性沥青的分子量分布与橡胶沥青粘性的关系。因此，本文采用5种不同微波活化时间的废胎胶粉所制备的橡胶沥青进行布氏粘度和凝胶渗透色谱试验，探究不同活化时间的胶粉所制备的橡胶沥青粘度和分子量的变化规律，在此基础上分析了橡胶沥青中的分子量分布对其粘度的影响规律。

1 原材料

1.1 基质沥青

基质沥青采用SK90#沥青。经检测各项指标符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求，技术指标检测结果如表1所示。

表1 SK90#基质沥青主要技术指标

1.2 废胎胶粉

本文使用的40目废胎胶粉由酒泉荣泰橡胶制品有限公司生产，其技术指标符合《橡胶沥青及混合料设计施工技术规范指南》的要求。表2为废旧轮胎胶粉的技术指标。

表2 橡胶粉的物理及化学技术指标

2 试验方案

2.1 胶粉的微波活化

首先将废胎胶粉放入60℃的恒温干燥箱中烘干至恒重，然后取100g胶粉于微波发生器中进行实验，微波辐射功率设定为800w，完成后将胶粉冷却至室温即制得活化废胶粉。为确定最佳微波活化时间，辐射时间分别为30s、60s、90s、120s、150s。

2.2 橡胶沥青的制备

将基质沥青加热至流动状态，取500g倒入烧杯中，然后将装有沥青的烧杯放进恒温磁力加热搅拌器升温到反应温度190℃，缓慢加入预热的100g废胎胶粉，并开始搅拌，搅拌速率必须由慢到快逐渐增加至设定的搅拌速率1500r/min，胶粉与沥青搅拌反应60min后，即制得橡胶沥青。

图1 布式旋转粘度仪

2.3 橡胶沥青粘度测试

使用布洛克菲尔德旋转粘度计对基质沥青、橡胶沥青、过滤沥青的粘度进行测试，测试时扭矩保持在10%-98%之间，基质沥青与滤除胶粉的沥青（过滤沥青）的粘度测试温度为135℃，采用21#转子，沥青质量为8.5g，转速为20转/分；橡胶沥青的粘度测试温度为180℃，采用27#转子，沥青取样质量为12.5g，转速设定为20转/分，每组进行三次平行试验。

2.4 凝胶渗透色谱试验（GPC）

进行凝胶渗透色谱试验时，设定色谱柱的温度为35℃，流动相为四氢呋喃（THF），流速为1.0mL/min，试样溶液浓度为2.0mg/ml。当沥青完全溶于THF后，用0.45um筛对溶液进行过滤，以消除改性沥青中胶粉颗粒的影响。GPC进样量为50uL，每组测试时长约为30min。

图2 凝胶色谱仪

3 结果与讨论

3.1 微波活化对橡胶沥青粘度的影响

图3 不同活化时间橡胶沥青的粘度（180℃）

由图3可知，与未活化的胶粉改性沥青相比，胶粉经过微波辐射后，其改性沥青的粘度均出现了下降。且随活化时间的增加，粘度呈先减小后增加的趋势，其粘度降幅分别为55.1%、59.7%、71.8%、53%、22.4%。当微波活化时间为90s时，胶粉改性沥青粘度达到最小，而当活化时间大于90s时，胶粉改性沥青的粘度相比于90s有了大幅度的上升。可见当微波功率恒定为800W时，在一定范围内增加活化时间（0-90s），可显著降低橡胶沥青的粘度。

3.2 微波活化橡胶沥青的分子量分布

图4为不同活化时间橡胶沥青的GPC图谱, 将测试得到的信号曲线分为三部分：大粒径分子（LMS）（1-5等分）、中粒径分子（MMS）（6-9等分）和小粒径分子（10-13等分），未活化的橡胶沥青GPC曲线位于活化胶粉改性沥青的左侧，可得橡胶沥青的大分子含量最高，经过微波活化的胶粉改性沥青LMS含量都有所减少。由图5可知，基质沥青经过胶粉改性之后，其LMS含量都有所增加，主要原因在于胶粉颗粒与基质沥青反应之后，胶粉吸收了沥青中的轻质油分，故橡胶沥青相对于基质沥青的LMS含量大幅增加。胶粉经过微波活化之后，改性沥青的LMS含量相对于普通橡胶沥青均有所下降，当微波时间为90s时降低幅度最大，微波活化胶粉改性沥青的LMS含量随活化时间的增加变化不大，保持在18%-20%。

图4 不同活化时间橡胶沥青的GPC图谱

图5 不同活化时间橡胶沥青的LMS含量

图6 分子量分布与粘度的相关性曲线图

由图6可知，经过微波活化之后，橡胶沥青的粘度与LMS含量之间具有较好的相关性（R2=0.74），而与MMS含量和SMS含量之间的相关性较差，因此经过微波活化后的橡胶沥青同普通橡胶沥青一样，仍然可以用LMS含量对活化胶粉改性沥青的粘度进行表征。

4 结 语

1）胶粉的微波活化对橡胶沥青有明显的降粘效果，在微波活化时间为90s时，活化胶粉改性沥青的降粘效果最佳。

2）经过微波活化之后，橡胶沥青的LMS含量相对于橡胶沥青均有所下降，微波活化90s时降低幅度最大。

3）活化胶粉改性沥青的粘度与LMS含量呈线性正相关，可用LMS含量对活化胶粉改性沥青的粘度进行表征。

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