基于正交試驗的復合改性瀝青制備工藝研究

謝紅飛，宋 亮，高陽江，李永剛

1.新疆農業大學，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

新疆地處我國西部，幅員遼闊，但人煙稀少，如何盡可能的減少修建成本，一直國內眾多學者的研究重點。目前，新疆常用的瀝青有國外進口瀝青和克煉瀝青，由于成本問題國外瀝青一直未能夠大范圍應用，而常用克煉瀝青因其特殊組分導致高溫性能較差，在南疆地區或者北疆部分高溫地區應用較少。

同時，隨著改性瀝青研究不斷深入，改性劑種類不斷增加，最常用的改性劑有SBS、SBR、廢舊橡膠粉等。通過研究表明［1］SBS 具有良好的高低溫性能，但昂貴的價格阻礙其進一步發展［2］。另一方面，將廢舊膠粉作為改性劑可以有效地提高瀝青的高溫性能、彈性恢復能力等，但也有著黏度大、延度小的缺點。

對于復合改性，國外研究較少，國內已有初步研究，高占華［3］通過對膠粉預處理發現通過對膠粉預處理可以有效地提高復合改性的性能；楊光［4］借鑒國外的評價方法，利用美國的評價方法，系統研究了改性瀝青的高低溫性能，同時從微觀方面研究復合改性瀝青的改性機理。

本文因地制宜，以克煉90#和塔化60#為基質瀝青，SBS廢舊橡膠粉為改性劑，通過正交設計研究不同工藝對復合改性瀝青性能的影響。為進一步研究提供參考。

1 試驗

1.1 原料

基質瀝青：克拉瑪依瀝青90#和塔化瀝青60#，新疆路安特瀝青材料有限公司生產，依照JTG E20-2011（公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程）主要指標如表1 所示

表1 基質瀝青性能指標

廢橡膠粉：60 目，德朔化工有限公司生產主要指標如下。SBS：新疆獨山子石化公司生產SBS7302；糠醛油、硫磺等助劑。

表2 橡膠粉成分表

1.2 試驗方案

SBS/膠粉復合改性瀝青，是指將基質瀝青加熱到一定溫度，然后將糠醛油、SBS、橡膠粉以及硫磺等材料摻加到基質瀝青，通過剪切、攪拌、發育使其形成符合規范的改性瀝青。通過為了探索復合改性瀝青最佳制備工藝，以剪切溫度、剪切時間、攪拌時間為變量因子，通過正交設計得出表3 試驗方案.

2 結果分析

采用針入度、延度、軟化點、黏度作為評價指標，依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E20-2011 測定評價指標，測試結果如表4 所示

表3 正交試驗表

表4 SBS/膠粉復合改性瀝青正交試驗結果

由表4 可知，工藝參數對復合改性瀝青的性能有很大的影響。與基質瀝青相比，復合改性瀝青的軟化點得到大幅度提高，說明復合改性具有較好的高溫性能；隨著溫度升高，延度呈現先升高后下降的趨勢；通過表4 可知，工藝參數對黏度沒有太大影響，故而膠粉摻量是影響復合改性瀝青黏度重要因素。

2.1 極差分析

極差分析是正交設計常用的分析方法。它簡單易懂，操作方便，是人們常用的一種分析方法。主要包括計算和判斷兩個兩個步驟。計算方法如下：

（1）計算各因素水平之和

（2）計算各KJM 的平均值以及最大平均值和最小平均值之差

2.2 低溫性能分析

目前，在我國測試瀝青性主要是利用延度儀。主要步驟：首先，將完成后的試模放在25℃的環境下靜置1.5 個小時，然后利用熱刮刀片清楚高出試模的部分瀝青；其次，開動延度儀，使延度儀處于“制冷”、“水泵”模式，使其水浴達到5℃。最后。將試模放到延度儀中，冷卻時間為1.5 小時，然后進行暫停制冷和水泵，按動“延度”按鈕，當試件拉斷時，讀取示數。

通過表5 可知，各個因素對復合改性瀝青的延度指標影響較大，其中極大值為5.1，說明剪切時間對延度影響最大，發育時間和剪切溫度次之，攪拌時間影響最小。從表5 可以看出隨著剪切溫度升高，延度呈現大幅度提高，但當剪切溫度提升到190℃以后，延度進一步提高，但增加幅度減小，猜測原因可能是隨著溫度升高，基質瀝青部分老化，導致延度增加緩慢。

表5 軟化點數據分析

2.3 高溫性能分析

表6 軟化點數據分析

目前，我國常用軟化點儀和美國的差示掃描熱量（DSC）評價瀝青的高溫性能。鑒于試驗條件的限制，本文主要采用無錫市石油儀器設備有限公司提供的WSY-026 數顯式瀝青針入度測定儀。

主要步驟為將澆完模以后的試模置放在25℃的環境下靜置30 分鐘，然后將其放在5℃的水浴中放置15 分鐘，然后利用軟化點儀進行測試，當試樣受熱融化以后，與下層底板接觸的時候，立即讀取準確至0.5。測得數據為表6 所示。

通過表6 可知，發育時間極差最大。說明發育時間對于軟化點影響較大，其次是剪切溫度，剪切時間和攪拌時間對復合改性影響較小。因此，在對南疆地區進行試驗段測試時，應充分考慮發育時間的影響。

2.4 針入度分析

表7 針入度數據分析

針入度分級體系、粘度分級體系以及PG 分級體系是世界上常用的測定瀝青稠度的方法。雖然有越來越多的研究表明，針入度并不能很好的表明瀝青粘度，但由于條件限制，試驗仍然采用針入度分級體系，其方法是取出達到室溫的盛樣皿，試樣表面以上的水面不低于10mm；將試樣放入水浴之中，調整螺旋桿并通過反光鏡使針尖剛好接觸到瀝青表面；開始試驗，按下釋放鍵，至5s 停止，讀取數據。數據如表7 所示。

通過表7 可知，剪切時間影響最大，剪切溫度和攪拌時間對針入度影響程度次之，且影響相同，發育時間影響最小

3 結語

通過正交設計研究方案，收集試驗數據，利用極差分析研究各個工藝參數對于瀝青性能的影響，可得出如下結論：

（1）當進行研究時，應根據實際不同情況，對不同指標研究不同工藝對改性瀝青性能的影響。

（2）考慮到改性瀝青延度較小的特點，因此本文主要研究發育時間、剪切時間對改性瀝青影響。