活化廢膠粉改性瀝青機理研究_康愛紅

1、第25卷 第7期2008年7月公 路 交 通 科 技Journal of Highway and Transportation Research and DevelopmentVol 125 No 17 Jul 12008文章編號:1002O 0268(200807O 0012O 05收稿日期:2007O 03O 27基金項目:江蘇交通科學研究資助項目(05Y37作者簡介:康愛紅(1973-,女,江蘇如東人,博士研究生,講師,研究方向為道路工程1(kahyzu1631com活化廢膠粉改性瀝青機理研究康愛紅1,2(11同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室,上海 200092;21揚州大學 建

2、筑科學與工程學院,江蘇 揚州 225009摘要:針對微波輻射活化廢膠粉改善瀝青的作用機理展開了研究。采用微波輻射的方法對膠粉進行活化,實驗室制備普通廢膠粉改性瀝青與活化廢膠粉改性瀝青。利用接觸角分析、溶脹試驗及X 射線能譜分析(EDS等方法研究了微波活化膠粉的機理;利用電子掃描顯微鏡(SE M、差示掃描熱量儀(DSC及動態(tài)熱機械分析儀(DMA 分析了活化膠粉改善瀝青性能的機理。結(jié)果表明:活化后廢膠粉表面接觸角、平衡溶脹率、表面羥基含量、含氧基團均增加,微波輻射有效地打斷膠粉中的S O C 和S O S 鍵,膠粉從原本交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€形結(jié)構(gòu),使得膠粉表面活性大大加強;活化膠粉在瀝青中的顆粒

3、形貌更加蓬松,體積膨脹更加明顯,與瀝青結(jié)合更加穩(wěn)定,活化膠粉改性瀝青的結(jié)構(gòu)更加均勻和致密;瀝青組分及其損耗角正切發(fā)生變化,因而其性能更優(yōu)越。關(guān)鍵詞:道路工程;廢膠粉改性瀝青;微波活化;機理中圖分類號:U41417+5;U4161217 文獻標識碼:AResearch on the Mechanism of ACRMKANG Ai O hong1,2(11Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China;21Scho

4、ol of Architectural Science &Engineeri ng ,Yangzhou Universi ty,Yangzhou Jiangsu 225009,ChinaAbstract :The mechanism of activated crumb rubber modified asphalt (ACRM was carried out 1Microwave radiation was adopted to activate the crumb rubber powder,the ordinary crumb rubber modified asphalt (C

5、 RMand AC RM were made in laboratory 1Surface contac t angle analysis,swelling e xperiment,X O ray energy dispersion spectrosc opy were adopted to study the activation mechanism of microwave radiation to crumb rubber powder 1SEM,DSC and DMA were adopted to analyze the performance improvement mechani

6、sm of the activated crumb rubber to the modified asphalt 1The results show that (1the contact angle,the average ratio of swelling,the surface hydroxyl and the oxy group of the ac tivated crumb rubber (ACRare all raised;(2microwave radiation is effective to break the bonds of S O C and S O S of the c

7、rumb rubber (CRresulting in the part network structures of the CR transform into line structure whose surface activation is superior;(3the ACR becomes softer and bigger when it is mixed with asphalt,the interface bonding between C R and asphalt is tighter,the structure of ACR modified asphalt is mor

8、e uniform and compact;the che mical c omponent and the loss tangent of CRM and ACRM are changed 1All of the above greatly improved the performance of modified asphalt 1Key words :road engineering;crumb rubber modified asphalt;microwave activation;mechanism 0 引言以往研究1,2已經(jīng)表明,廢膠粉(crumb rubber,CR作為一種有利于經(jīng)

9、濟、環(huán)保的改性劑可以提高瀝青的高、低溫性能,但其存儲穩(wěn)定性較差;而通過微波輻射活化過的廢膠粉(活化膠粉,activated crumbrubber,AC R則能進一步提高改性瀝青的高、低溫性能及其溫度敏感性,并使其存儲穩(wěn)定性同時得到改善。本文采用化學分析方法3,4,對活化前后的廢膠粉及相應的改性瀝青進行了研究,試圖揭示活化廢膠粉改性瀝青的改性機理,從微觀結(jié)構(gòu)機理的角度解釋宏觀性能試驗結(jié)果。1改性瀝青的制備試驗所用基質(zhì)瀝青為國產(chǎn)泰州中海70#重交通道路瀝青,廢膠粉由南通新升橡膠制品有限公司生產(chǎn)提供,細度為80目,摻量為15%。將廢膠粉放入60e 的恒溫干燥箱中烘干脫水,然后將其置于微波裝置中設定

10、相應的功率和輻射的時間,制得活化廢膠粉。由上海弗魯克流體機械制造有限公司生產(chǎn)的FA25型高剪切分散乳化機進行改性瀝青制備,制備溫度為170 180e,剪切速率為7000r#min-1,剪切時間為1 h。2活化廢膠粉機理研究211廢膠粉的接觸角分析將廢膠粉平鋪于一平滑載玻片上,使膠粉間盡量沒有間隙,用另一載玻片將其壓平,利用OCA40視頻光學接觸角測量儀測試輻射前后二次蒸餾水對廢膠粉的接觸角。試驗結(jié)果列于表1。表1廢膠粉、活化廢膠粉接觸角Tab11Contact angle of CR and ACR膠粉(活化條件CRACR從表1可以看出,經(jīng)微波活化之后,廢膠粉的接觸角增大;但隨輻射功率增大,時

11、間延長,接觸角反而變小。這是由于廢膠粉在吸收微波能后,有利于膠粉表面含氧基團增多,極性加大;當功率增大,輻射時間延長,微波能積累較多,會使已形成的C O O鍵再次打斷,表面極性反而下降,導致接觸角變小。212廢膠粉的平衡溶脹率分析將試樣在100e、15MPa下模壓8min,使其成為一定的形狀,然后稱量。把試樣浸泡在甲苯溶液中并置于恒溫30e水浴,每隔一定時間測定試樣的質(zhì)量,按下式計算溶脹率Q=(m-m0P m0,(1式中,m0為溶脹前試樣的質(zhì)量;m為溶脹后試樣的質(zhì)量。 將求得的溶脹率Q與相應的時間t作圖,即得溶脹曲線,通過溶脹曲線可對其進行脫硫分析5。各種廢膠粉的溶脹曲線如圖1所示。圖1廢膠粉

12、、活化廢膠粉溶脹曲線Fig11Swelling curve of CR and ACR從圖1可以看出,溶脹后期曲線近似為一直線。將直線部分向t軸反方向延伸交Q軸于一點,該點的溶脹率為最大溶脹率:活化廢膠粉的最大溶脹率為113%左右,而普通廢膠粉為1118%。活化廢膠粉的溶脹特性可以直觀地反映交聯(lián)網(wǎng)絡的破壞程度6,因而以溶脹曲線和平衡溶脹率來評價脫硫效果是較為實用的方法。由于微波脫硫不能有效地把交聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)全部破壞,加之炭黑補強作用的保留,使膠料很難溶解,而只能進行有限溶脹,脫硫?qū)宦?lián)網(wǎng)絡的破壞越嚴重,平衡溶脹率越大。由圖1中明顯看出,經(jīng)微波活化過后,膠粉的溶脹程度較大及最大溶脹率增大,這說明了

13、脫硫的效果較好,即膠粉在微波活化過程中C=S鍵和S=S鍵被打斷,膠粉發(fā)生脫硫使得活性大大增強。213X射線能譜(E DS分析將活化前后的膠粉粒子表面噴金后用KevexSuper-Dry能譜儀測試膠粉粒子的C、O、S的含量7。其能譜圖見圖2和圖3。圖2廢膠粉EDS圖Fig12EDS of CR通過專業(yè)軟件的分析,得到廢膠粉所含各元素的分析數(shù)據(jù),見表2。元素分析結(jié)果表明,膠粉經(jīng)微波活化后,氧含量明顯升高,說明膠粉在微波活化時結(jié)合了一些氧,導13第7期康愛紅:活化廢膠粉改性瀝青機理研究圖3活化廢膠粉EDS圖Fig13EDS of ACR表2廢膠粉、活化廢膠粉元素組成Tab12The elements

14、 of CR and AC R樣品平均值P%C S O Si Ca Zn214力學性能測試將微波活化前后的廢膠粉直接在雙輥開煉機上開煉成片,然后在100e,15MPa下模壓8min,成型放置24h后按GB P T528O1998測試其拉伸強度和斷裂伸長率。微波活化前后膠粉所制膠料的力學性能如表3所示。表3廢膠粉、活化廢膠粉膠料力學參數(shù)Tab13Mechanical parameter of sizing of CR and ACR 膠粉(活化條件CRACR從表3中可以看出,微波活化膠粉制備的膠料其拉伸強度和斷裂伸長率均有明顯提高,并且隨著微波輻射功率的提高和輻射時間的延長,所得膠料的力學性能也

15、相應提高,從而證實微波輻射可以破壞膠粉的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。微波輻射功率越大,輻射時間越長,膠粉的脫硫程度也就越大,得到的膠料再次交聯(lián)時形成的 交聯(lián)鍵也就越均勻,從而提高制品的性能。3活化廢膠粉改性瀝青機理研究311掃描電子顯微鏡(SEM分析通過掃描電子顯微鏡(SEM觀察廢膠粉在瀝青中的溶脹情況,見圖4。廢膠粉顆粒在瀝青中發(fā)生了溶脹,對比發(fā)現(xiàn),活化廢膠粉在瀝青中的顆粒形貌顯得更加蓬松,體積膨脹更加明顯。這是由于活化廢膠粉和瀝青的結(jié)合更加穩(wěn)定,膠粉吸收了更多的瀝青中輕質(zhì)油分,從而使得自身的體積更加膨脹。圖4廢膠粉、活化廢膠粉在瀝青中溶脹SEM圖F ig14SE M images of swelling

16、 of CR and ACR in asphalt同時利用SE M研究了改性瀝青的形貌,見圖5。如圖5可見,膠粉加入到瀝青中形成了一定的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),正是這種結(jié)構(gòu)給了瀝青以相當?shù)哪哿?使得瀝青的性能大幅度提高,膠粉在瀝青中起到了明顯的/加筋0作用。對比發(fā)現(xiàn),活化膠粉改性瀝青的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更加均勻和致密,這也是活化膠粉改性瀝青的性能會更加優(yōu)越的原因。圖5廢膠粉、活化廢膠粉改性瀝青SEM圖Fig15SEM images of CR and ACR modi fied asphalt312差示掃描熱量(DSC分析根據(jù)差示掃描熱量試驗原理8,瀝青在溫度變化過程中熱效應可以用DSC來測定。通過DSC譜圖吸收峰

17、的位置和吸熱量的多少可以表征瀝青中組分發(fā)生聚集態(tài)的微觀變化,進而評價瀝青的溫度穩(wěn)定性和推測改性瀝青的機理911。圖6為活化前后廢膠粉改性瀝青和基質(zhì)瀝青的DSC圖譜,相應的參數(shù)列于表4。瀝青是一種由分子大小不同,相對分子質(zhì)量不同,化學成份與結(jié)構(gòu)各不相同的眾多組分形成的復雜的有機物。眾多組分的吸熱峰重疊在一起形成一個溫度范圍較寬的吸熱峰,峰的大小、位置反映了瀝青的微觀性質(zhì):吸熱峰大,即吸熱包圍的面積大,說明瀝14公路交通科技第25卷 圖63種瀝青DSC譜圖Fig16DSC curve of3ki nds of asphalt表43種瀝青DSC曲線參數(shù)Tab14DSC curve parameter

18、 of3kinds of asphalt瀝青種類序號溫度區(qū)間P e峰值溫度P e吸熱量P(J#g-12=181582廢膠粉改性瀝青1-713517-2120183582=114899微波輻射廢膠粉改性瀝青1-100-5100154382=015512青在該溫度區(qū)間內(nèi)發(fā)生變化的組分多,在宏觀上必定對瀝青的物理性質(zhì)產(chǎn)生較大的影響;吸熱峰大,即吸熱量大的瀝青必定加熱后物理性質(zhì)的改變程度大,也即表現(xiàn)為熱穩(wěn)定性差。從差示掃描量熱量(DSC試驗結(jié)果看:基質(zhì)瀝青和改性瀝青的DSC曲線形狀相差比較大,改性瀝青的峰少于基質(zhì)瀝青,且更加的平坦,表現(xiàn)為吸熱峰面積的大小,活化廢膠粉改性瀝青與普通廢膠粉改性瀝青的總吸熱

19、量均小于基質(zhì)瀝青,這就說明改性瀝青的熱穩(wěn)定性能得到了明顯的改善,其中活化廢膠粉熱穩(wěn)定性能最優(yōu)。313動態(tài)熱機械(D MA試驗分析對基質(zhì)瀝青和微波輻射前后廢膠粉進行DMA掃描12,所得結(jié)果如圖7、圖8所示。圖7顯示基質(zhì)瀝青低溫時模量很高,而膠粉改性瀝青低溫段的模量顯著降低,這是由于膠粉在瀝青中有效地吸收了瀝青中的蠟質(zhì)和輕質(zhì)組分,使共混體系表現(xiàn)出膠粉本身的高柔性橡膠相性能,從而使改性瀝青的低溫性能得以改善。但并非改性瀝青的低溫模量越小越好,模量越小,分子間的作用力越弱,改性瀝青也越容易斷裂。微波活化膠粉后,所制改性瀝青的低溫模量相對未活化膠粉改性瀝青的要高,這是由于 活化膠粉的表面活性增大,與瀝青

20、間的界面結(jié)合加圖73種瀝青模量O溫度曲線圖Fig17Module O temp erature curve of3kinds of asphalt圖83種瀝青損耗角正切O溫度曲線圖Fig18Loss tangent O temperature curve of3kinds of asphal t強,更易在瀝青中發(fā)生溶脹,從而使體系的模量變大,改性瀝青的低溫性能得到增強。圖8中可以看出,基質(zhì)瀝青的正切角tan D較大,添加膠粉進行改性后,tan D變小,這是由于基質(zhì)瀝青中各組分分子大小不一,且瀝青分子鏈上的側(cè)基和支鏈結(jié)構(gòu)較多,分子受熱運動時,分子之間的摩擦力較大,內(nèi)耗較高,表現(xiàn)在DMA譜圖上則t

21、an D較大。加入膠粉之后,膠粉表面的活性基團與瀝青分子中的極性基團相作用,從而使瀝青分子鏈的支鏈結(jié)構(gòu)減少,同時膠粉吸收瀝青中的小分子組分發(fā)生溶脹,也利于瀝青分子間潤滑,因此分子受熱運動時,瀝青中各組分分子間或同一組分分子間的摩擦阻力變小,內(nèi)耗減小,tan D變小,從而使瀝青低溫時的柔性增加,低溫性能得以改善。采用活化膠粉改性瀝青,因活化膠粉的表面極性高,表面活性大,與瀝青中較大分子的相互作用能力相應加大,使得瀝青中的分子鏈相對固定,分子間的摩擦又有所增加,故其tan D值介于基質(zhì)瀝青與未活化膠粉改性瀝青之間,而分子鏈的固定使得改性瀝青的剛性得到加強,軟化點升高,高溫性能得以加強。性能試驗中活

22、化膠粉改性瀝青的5e延度較高,且軟化點較大證實了這一點。4結(jié)語(1微波輻射使膠粉表面含氧基團增多,表面接15第7期康愛紅:活化廢膠粉改性瀝青機理研究 觸角增大;微波輻射有效地打斷了膠粉中的C=S鍵和S=S鍵,破壞了膠粉的交聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),使其平衡溶脹率增大,從而提高了膠粉表面的活性。(2活化膠粉在瀝青中的顆粒形貌顯得更加蓬松,體積膨脹更加明顯;活化膠粉改性瀝青網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更加均勻和致密,致使其改性瀝青的性能更優(yōu)越。(3DSC譜圖表明活化膠粉改性瀝青中瀝青組分發(fā)生聚集態(tài)的微觀變化,使其熱穩(wěn)定性得以改善; DMA試驗表明,膠粉在瀝青中的溶脹致使改性瀝青的損耗角正切發(fā)生變化,使其高低溫性能得以改善。參考文獻

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