橡膠瀝青存儲穩定性衰減規律影響因素研究

2019-10-29 02:10:52陳朝輝

武漢理工大學學報(交通科學與工程版) 2019年5期

陳朝輝

(許昌市市政實業有限公司許昌 461000)

0 引言

對廢舊輪胎進行回收利用一直是各領域學者研究的熱點[1-3].在道路工程領域，相關學者提出將廢舊輪胎磨細為橡膠粉對瀝青進行改性，可改善瀝青部分性能[4-7]，因而對橡膠瀝青進行研究有重要意義.

白金安等[8]對比了橡膠瀝青和SBS改性瀝青高溫性能差異，發現橡膠瀝青高溫性能更優；Wang等對橡膠瀝青低溫性能進行了研究，發現橡膠顆粒可阻止裂紋產生，因而能改善瀝青低溫性能；杜騁等對橡膠瀝青疲勞性能進行了研究，發現橡膠能明顯改善基質瀝青抗疲勞性能，且與SBS復合使用時效果更優[10]；康愛紅等[11]對橡膠瀝青存儲穩定性進行了研究，發現摻入膠粉使基質瀝青抗離析性能變差，且摻量越高表現越明顯；王學民等[12]基于正交試驗對橡膠瀝青制備方法進行了優化，發現橡膠粉摻量為20%、細度為40目，剪切時間為90 min和剪切溫度為150～170 ℃之間時制備的橡膠瀝青綜合性能較好；王笑風等[13]對橡膠瀝青改性機理進行了研究，發現膠粉與基質瀝青的相互作用以物理共混為主，但也存在弱化學反應，其反應時間越長，化學反應越明顯.

現有研究主要涉及橡膠瀝青的高溫、低溫、疲勞、存儲穩定性及改性機理等，而橡膠瀝青制備完成后往往需要高溫存儲，但橡膠為聚合物，其性質與基質瀝青有較大差別，因此存儲過程中不可避免會發生離析現象，造成橡膠瀝青性能下降，因而有必要研究掌握橡膠瀝青存儲穩定性衰減規律影響因素，但現有研究對此較少涉及[14-15].故文中制備橡膠粉摻量、剪切溫度、剪切時間和剪切速率不同的橡膠瀝青進行不同存儲時間下存儲穩定性試驗，分析其存儲穩定性衰減規律，并提出抗離析性能優良的橡膠瀝青制備方法.

1 試驗概況

1.1 原材料

1) 基質瀝青試驗選用SK90#基質瀝青，主要技術指標檢測結果見表1.

2) 橡膠粉試驗用常溫研磨法生產380 μm目橡膠粉，主要技術指標見表2.

1.2 存儲穩定性試驗

將制備的橡膠瀝青加熱至160 ℃注入直徑和長分別為2.5和20 cm的鋁管后垂直置于163 ℃

表1 SK90#基質瀝青主要技術指標

表2 橡膠粉主要技術指標

烘箱中保溫0，12，24，36，48，60和72 h，取出后移入冷柜冷凍4 h，取鋁管上下1/3高度部分瀝青進行軟化點試驗，計算兩者軟化點差隨存儲時間變化規律評價橡膠瀝青存儲穩定性衰減特性.

2 橡膠粉摻量對橡膠瀝青存儲穩定性衰減規律影響

為分析橡膠粉摻量對橡膠瀝青存儲穩定性衰減規律的影響，將基質瀝青加熱至180 ℃，分別摻入12%，14%，16%，18%和20%的橡膠粉后使用MXR-A500-90型高速剪切機(工作頭直徑90 mm)以5 000 r/min速率剪切60 min制備橡膠瀝青，進而進行存儲穩定性試驗研究，得出其軟化點差隨存儲時間變化規律見圖1.

圖1 橡膠粉摻量對橡膠瀝青存儲穩定性衰減規律影響

由圖1可知：

1) 隨著存儲時間的增加，各個橡膠粉摻量下橡膠瀝青軟化點差均呈逐漸上升趨勢，表明存儲時間越長橡膠瀝青離析分層現象越明顯.同時，存儲時間為0 h時，五個橡膠粉摻量下橡膠瀝青軟化點差基本接近，而存儲時間達到72 h時五種橡膠瀝青軟化點差差異明顯，表明橡膠粉摻量不同時其制備橡膠瀝青存儲穩定性隨存儲時間增加的衰減速率不同，其中摻量為20%的橡膠瀝青衰減速率最快，而摻量為16%橡膠瀝青衰減速率最慢.

2) 隨著橡膠粉摻量的增加，橡膠瀝青存儲穩定性隨存儲時間增加的衰減速率呈先降低后升高趨勢，在摻量為16%時衰減速率最慢.各個存儲時間條件下橡膠粉摻量增加時其軟化點差整體上呈先減小后增大趨勢，其中以聚合物改性瀝青存儲穩定性試驗中軟化點差不大于2.5 ℃為要求計算時，12%，14%，16%，18%和20%的橡膠瀝青可存儲時間分別為46.5，49.7，56，39和32.7 h，顯然摻量為16%的橡膠瀝青可存儲時間最長.分析原因為橡膠粉摻量較低時橡膠顆粒尚未在瀝青中形成連續相網狀結構，此時增加摻量能促進網狀結構形成，整體上橡膠與瀝青相互約束性增強，抗離析性能變好，而摻量超過一定范圍后多余橡膠顆粒游離于瀝青，高溫存儲時容易發生離析.

3 制備工藝對橡膠瀝青存儲穩定性衰減規律影響

3.1 剪切溫度影響

為研究橡膠瀝青制備過程中剪切溫度對其存儲穩定性的影響，分別在170，180和190 ℃條件下以5 000 r/min速率剪切60 min制備摻量為16%橡膠瀝青進行存儲穩定性試驗研究，得出其軟化點差隨剪切溫度變化規律見圖2.

圖2 剪切溫度對橡膠瀝青存儲穩定性衰減規律影響

由圖2可知，橡膠瀝青制備過程中剪切溫度增加時其存儲穩定性隨存儲時間增加的衰減速率逐漸降低，但溫度超過180 ℃后降低幅度減小.各個存儲時間條件下剪切溫度增加時其軟化點差整體上呈降低趨勢，其中以聚合物改性瀝青存儲穩定性試驗中軟化點差不大于2.5 ℃為要求計算時，170，180和190 ℃條件下制備的橡膠瀝青可存儲時間分別為34.5，56和60 h，由170 ℃增加至180 ℃時可存儲時間增加62.3%，而由180 ℃增加至190 ℃時，可存儲時間僅增加7%.分析原因為剪切溫度增加時橡膠顆粒發生更多的脫硫降解反應，與瀝青相互作用增強的緣故.但考慮到較高的剪切溫度會造成能源消耗量增加，且加重瀝青老化，對其他性能不利，故就存儲穩定而言推薦的橡膠瀝青剪切溫度為180 ℃.

3.2 剪切時間影響

為研究橡膠瀝青制備過程中剪切時間對其存儲穩定性的影響，在180 ℃條件下以5 000 r/min速率分別剪切30，60，90和120 min制備摻量為16%橡膠瀝青進行存儲穩定性試驗研究，得出其軟化點差隨剪切時間變化規律見圖3.

圖3 剪切時間對橡膠瀝青存儲穩定性衰減規律影響

由圖3可知，橡膠瀝青制備過程中剪切時間增加時其存儲穩定性隨存儲時間增加的衰減速率呈先降低后升高趨勢，其中剪切時間由30 min增加到60 min時對存儲穩定性衰減速率的降低作用最為顯著，而剪切時間為90 min時存儲穩定性衰減速率最低.各個存儲時間條件下剪切時間增加時其軟化點差整體上呈先下降后上升趨勢，其中以聚合物改性瀝青存儲穩定性試驗中軟化點差不大于2.5 ℃為要求計算時，30，60和90 min條件下制備的橡膠瀝青可存儲時間分別為34.5，56，62.4和52 h，其中剪切時間由30 min增加至60 min時可存儲時間增加62.3%，由60 min增加至90 min時，可存儲時間增加11.4%，而由90 min增加至120 min時，可存儲時間降低16.7%.分析原因為剪切時間過短時不能使橡膠顆粒充分分散于基質瀝青，橡膠顆粒容易團聚，故高溫存儲時容易離析，而剪切時間過長時橡膠顆粒脫硫降解嚴重，另一方面持續的剪切可能破壞橡膠網狀結構，故存儲時間延長時存儲穩定性更容易衰減.

3.3 剪切速率影響

為研究橡膠瀝青制備過程中剪切速率對其存儲穩定性的影響，在180 ℃條件下以3 000，5 000，7 000和9 000 r/min剪切速率分別剪切90 min制備摻量為16%橡膠瀝青進行存儲穩定性試驗研究，得出其軟化點差隨剪切速率變化規律見圖4.

圖4 剪切速率對橡膠瀝青存儲穩定性衰減規律影響

由圖4可知，橡膠瀝青制備過程中剪切速率增加時其存儲穩定性隨存儲時間增加的衰減速率呈先降低后基本不變趨勢，其中剪切速率由3 000 r/min增加到5 000 r/min時對存儲穩定性衰減速率的降低幅度最為顯著，而剪切時間超過7 000 r/min后對存儲穩定性衰減速率基本無影響.各個存儲時間條件下剪切時間增加時其軟化點差整體上呈先下降后基本不變趨勢，其中以聚合物改性瀝青存儲穩定性試驗中軟化點差不大于2.5 ℃為要求計算時，3 000，5 000，7 000和9 000 r/min剪切速率條件下制備的橡膠瀝青可存儲時間分別為46.5，62.4，67.2和66.9h，其中剪切速率由3 000 r/min增加至5 000 r/min時，可存儲時間增加34.2%，由5 000 r/min增加至7 000 r/min時，可存儲時間增加7.7%，而由7 000 r/min增加至9 000 r/min時，可存儲時間變化率僅為0.4%.故就存儲穩定而言推薦的橡膠瀝青剪切速率為7 000 r/min.