次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青性能研究

樊 德罗顺帆严 蕾李丽丽

（1重庆市交通委员会工程质量安全监督局， 重庆 400060；2.温江区新世纪中学高2015级二班， 成都 611130）3.重庆路面科技有限公司， 重庆 400030）

次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青性能研究

樊 德1罗顺帆2严 蕾3李丽丽3

（1重庆市交通委员会工程质量安全监督局， 重庆 400060；2.温江区新世纪中学高2015级二班， 成都 611130）3.重庆路面科技有限公司， 重庆 400030）

采用次氯酸钠对橡胶粉表面进行活化改性，对比次氯酸钠活化橡胶粉与普通橡胶粉改性沥青的性能，研究次氯酸钠活化橡胶掺量对橡胶沥青性能的影响，分析次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青的改性机理，探讨沥青中次氯酸钠活化橡胶粉的合理掺量。研究结果表明，次氯酸钠活化橡胶粉表面活性增强，可较好改善橡胶沥青路用性能，其在沥青中的掺量宜控制在17%～25%，但在施工条件允许的情况下，次氯酸钠橡胶粉改性沥青的掺量可提高至33%。

橡胶沥青；次氯酸钠；活化机理；橡胶粉掺量

0 引言

橡胶沥青技术始于20世纪40年代，经过多年的研究与应用，橡胶沥青以其优良的高温抗车辙、低温抗裂、良好的耐久性、降低路面噪音，以及有效回收利用废旧轮胎资源等一系列环保意义，成为美国、日本、南非等国家和地区最常用的路用材料之一[-3]。然而，橡胶粉是废旧橡胶经粉碎机断裂交联网状结构产生的大量分子碎片颗粒，其表面呈惰性[]，单纯采用橡胶粉改性沥青，虽可以改善沥青的流变性能，但对沥青路用性能改善效果有限。因此，为促进橡胶粉与沥青组分的溶胀、交换等反应，提高橡胶沥青的路用性能，对胶粉进行预处理越来越受重视，很多橡胶工业中橡胶粉的表面改性、胶粉降解方法逐渐应用到橡胶粉改性沥青行业中，诸如橡胶粉表面接枝改性、橡胶粉脱硫降解、微波降解等[-5]。本文选用强氧化剂次氯酸钠对橡胶粉进行预处理，通过分析次氯酸钠对橡胶粉表面的活化机理，对比次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青相比普通橡胶粉改性沥青的性能指标，分析次氯酸钠活化橡胶粉掺量对沥青性能的影响规律和影响程度，探讨次氯酸钠活化橡胶粉改善橡胶沥青的可能性，并提出次氯酸钠活化橡胶粉在沥青中的合理掺量。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用沥青为中海70＃基质沥青，其主要性能指标如表1所示。橡胶粉由废旧轮胎经粉碎制得，橡胶粉粒径为40目。次氯酸钠为市售，有效氯含量约为5.5%。由于次氯酸钠具有强氧化性，为避免次氯酸钠与空气中金属离子等杂质发生反应导致其氧化性降低，需要用去离子水按一定比例对其进行稳定。

表1 中海70#基质沥青主要性能指标

为了对比次氯酸钠活化橡胶粉对沥青的改性效果，采用相同工艺制备相同橡胶粉掺量的次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青和常规橡胶沥青，其中橡胶粉掺量为沥青质量的17%。两种橡胶沥青各性能指标对比情况如图1所示。

1.2 活化橡胶粉改性沥青制备

1.2.1 次氯酸钠活化橡胶粉

将一定量橡胶粉加入到带有搅拌器和温度控制装置的容器内，加入一定量的去离子水，是橡胶粉可均匀分散在去离子水中，并升温至40℃；加入次氯酸钠与去离子水的混合溶液对橡胶粉进行活化，其中，次氯酸钠活化橡胶粉溶液应保持40℃恒定温度3～4h，次氯酸钠掺量为橡胶粉质量的40%；过滤次氯酸钠活化橡胶粉溶液，并用清水洗涤，将滤饼在红外灯下烘干至质量恒定，即得到次氯酸钠活化橡胶粉[]。与普通橡胶粉相比，经次氯酸钠活化橡胶粉的表面由破坏的空间网络端组成，棱角更为分明，呈不规则的毛刺状。

1.2.2 活化橡胶粉改性沥青制备

将一定量基质沥青加热至熔融流动状态，缓慢匀速加入掺量好的次氯酸钠活化橡胶粉并搅拌均匀；将活化橡胶粉沥青混合料温度上升至180～190℃，搅拌60～90min，使得活化橡胶粉均匀分散沥青中，即可制得次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青。

2 次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青性能

2.1 次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青与传统橡胶沥青性能比较

图1 橡胶粉掺量相同时，两种橡胶沥青性能指标对比图

对比图1中两种橡胶沥青的性能指标发现，与未活化橡胶粉改性沥青相比，次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青的软化点提高了3.2℃，弹性恢复性能提高了4.3%，延度提高幅度较小，仅有0.2cm，粘度有所降低，降低了0.4Pa.s。可见，在橡胶粉掺量相同的情况下，次氯酸钠活化橡胶粉在提高橡胶沥青的软化点和弹性恢复性能的同时，还降低了橡胶沥青的粘度，为橡胶粉掺量的增加提供了可行性。

废旧橡胶粉多属于二烯烃类橡胶，含有大量不饱和双键，这些双键以及临近的亚甲基均比较活泼，在一定条件下可发生化学反应。次氯酸钠作为一种强氧化剂，与橡胶粉在恒定温度混合一定时间，会将橡胶粉表面的双键、亚甲基等活性基团氧化为羟基，羰基(醛及羧基)，增强橡胶粉表面的极性和反应性，从而提高橡胶粉与极性高分子材料，如聚氨酯、环氧树脂、聚酯树脂、聚氯乙烯等体系的相容性和结合能力。牟东兰等人通过对比次氯酸钠活化前后橡胶粉的XPS全谱图发现[4]，次氯酸钠活化橡胶粉XPS谱图中出现原橡胶粉没有的C=O峰，这是橡胶粉表面被次氯酸钠氧化的证据；次氯酸钠活化前后橡胶粉的扫描电镜图（SEM，如图2～图3所示）也说明次氯酸钠使橡胶粉表面发生活化反应，橡胶粉表面结合能力增强；测量次氯酸钠活化前后橡胶粉的接触角发现，未活化橡胶粉的接触角为84.4°，次氯酸钠活化橡胶粉的接触角为70.8°，降低了13.6°，直观反应了次氯酸钠的强氧化作用使得橡胶粉表面发生活化反应，橡胶粉表面的含氧基团增加，表面张力增大，极性增强8。

图2 未活化橡胶粉SEM图

图3 活化橡胶粉SEM图

2.2 不同掺量的次氯酸钠对活化橡胶粉改性沥青性能的影响

为研究次氯酸钠活化橡胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响规律，分别制备次氯酸钠活化橡胶粉掺量为基质沥青质量17.0%、25.0%、33.0%、37%以及41.0%的改性沥青，并参照我国改性沥青的技术标准和美国FHWA磨细废胶粉改性沥青标准评价不同掺量次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青的各项性能指标。不同掺量次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青的性能指标见图4～图8。

图4 活化橡胶粉掺量对橡胶沥青软化点的影响橡胶沥青5℃延度的影响

图5 活化橡胶粉掺量对

图6 活化橡胶粉掺量对橡胶沥青弹性恢复性能的影响

图7 活化橡胶粉掺量对橡胶沥青 针入度的影响

图8 活化橡胶粉掺量对橡胶沥青粘度的影响

2.2.1 橡胶沥青的高温性能

从图4可以看出，与基质沥青相比，次氯酸钠活化橡胶粉可显著提高沥青的软化点，当活化橡胶粉掺量为17%时，橡胶沥青的软化点为61.8℃，满足橡胶沥青技术标准。随着次氯酸钠活化橡胶粉掺量的增加，橡胶沥青的软化点逐渐增加，说明次氯酸钠活化橡胶粉可显著改善橡胶沥青的高温性能。

2.2.2 橡胶沥青的低温性能

从图5可以看出，与基质沥青相比，次氯酸钠活化橡胶粉可明显提高沥青的5℃延度，当活化橡胶粉掺量为17%时，橡胶沥青的5℃延度为8.3cm，满足橡胶沥青技术标准。随着次氯酸钠活化橡胶粉掺量的增加，橡胶沥青的5℃延度逐渐增加，说明次氯酸钠活化橡胶粉可显著改善橡胶沥青的低温性能。

2.2.3 橡胶沥青的弹性恢复性能

从图6可以看出，与基质沥青相比，次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青的弹性恢复性能明显增加，当活化橡胶粉掺量为17%时，橡胶沥青的弹性恢复性能高达78%。随着次氯酸钠活化橡胶粉掺量的增加，橡胶沥青的弹性恢复性能逐渐增加，但增长幅度随橡胶粉掺量的提高有所降低。说明次氯酸钠活化橡胶粉可显著提高橡胶沥青的弹性恢复能力，降低沥青路面经车辆荷载作用后的残余变形，减少路面破坏，提高路面的抗疲劳性能。

2.2.4 橡胶沥青的粘度

从图7～图8可以看出，与基质沥青相比，次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青较为粘稠，当活化橡胶粉掺量为17%时，橡胶沥青的针入度为62（0.1mm），粘度为1.4Pa.s，均满足橡胶沥青技术指标。随着次氯酸钠活化橡胶粉掺量的增加，橡胶沥青的针入度逐渐减小，粘度逐渐增加，且活化橡胶粉掺量越高，橡胶沥青明显变硬，且高温粘度增大。当活化橡胶粉掺量为33%时，橡胶沥青的粘度值高达6.0Pa.s，相比橡胶沥青的技术标准粘度的最大值5.0Pa.s高出1.0Pa.s。

2.3 次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青机理分析

综合国内外橡胶沥青改性机理研究成果，在高温条件下橡胶粉与沥青结合，橡胶粉吸收沥青中的轻质组分溶胀，橡胶粉体积增加，沥青中沥青质和胶质含量相对增加，橡胶沥青体系粘度增大[[5][]]。对于次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青而言，经次氯酸钠氧化作用，橡胶粉表面双键、亚甲基等活化基团被氧化为羟基、羰基（醛及羧基），橡胶粉表面的极性和反应性增强。因此，相比普通橡胶粉，次氯酸钠活化橡胶粉在热力与机械作用下可与沥青更好结合，溶胀程度加深，橡胶粉周围凝胶膜增厚，橡胶粉与沥青之间的粘结效力提高，且橡胶粉颗粒相互之间接触机会增加，易于在改性沥青体系中形成加劲网络结构。因此，表面活性增强的橡胶粉可更好改善橡胶沥青路用性能。同时，因活化橡胶粉溶胀程度加深，橡胶粉柔顺度提高，橡胶沥青的粘度有所降低。

分析次氯酸钠活化橡胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响规律发现，橡胶粉掺量较小时，次氯酸钠活化橡胶粉可显著提高橡胶沥青的软化点、延度和弹性恢复性能；但随着橡胶粉掺量的提高，橡胶沥青软化点、延度以及弹性恢复性能的改善效果逐渐减小，且橡胶粉掺量达到一定值后，橡胶沥青急剧变硬，粘度明显增大。究其原因主要是，当橡胶粉掺量较小时，表面活化增强的橡胶粉可与沥青中组分发生充分的溶胀、交换等反应，获得部分生胶弹性性能，在热力与机械作用下，橡胶粉与沥青质界面充分结合，混合均匀，橡胶粉周围凝胶膜促使颗粒之间彼此紧密接触，在改性沥青体系中形成加劲网络结构，橡胶粉与沥青之间的粘结效力提高，进而明显改善使得橡胶沥青软化点、延度以及弹性恢复性能。但随着活化橡胶粉掺量提高，橡胶粉对沥青中轻质组分的吸收量逐渐增加，沥青中轻质组分的含量减小，沥青质和胶质的含量相对增大，橡胶沥青粘度明显增大，橡胶粉在沥青中分散均匀性降低，部分橡胶粉更集聚成胶结团，其与沥青不能充分结合，且彼此间粘结性能不佳，从而影响橡胶沥青的软化点、延度等性能。综合不同掺量次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青的性能，活化橡胶粉掺量宜控制在17%～25%，在施工条件允许情况下，活化橡胶粉掺量可提高至33%。

3 结论

（1）经次氯酸钠活化橡胶粉表面活性增强，可更好与沥青结合，溶胀程度加深，橡胶粉周围凝胶膜增厚，橡胶粉与沥青之间的粘结效力提高，且橡胶粉颗粒相互之间接触机会增加，易于在改性沥青体系中形成加劲网络结构。因此，次氯酸钠活化橡胶粉可较好改善橡胶沥青的路用性能。而橡胶粉因溶胀充分而软化，也可一定程度降低橡胶沥青的粘度。

（2）次氯酸钠活化橡胶粉掺量对橡胶沥青性能至关重要。随着次氯酸钠活化橡胶粉掺量的提高，可显著改善橡胶沥青的高温性能、低温性能以及弹性恢复性能，但也导致橡胶沥青的粘度明显提高。因此，采用次氯酸钠活化橡胶粉改性沥青时，活化橡胶粉掺量宜控制在17%～25%，在施工条件允许情况下，活化橡胶粉掺量可提高至33%。

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TU75

：B

1007-6344（2017）08-0254-02

科技部科技型中小企业技术创新基金项目（12C26215116101）。

樊德，男，民族：汉，出生年月日：1967-08-12：籍贯：重庆市渝北区，学历: 硕士研究生，研究方向：公路工程建设与管理，职称：高级工程师，职务：副局长。 通讯作者：罗顺帆