耐高溫型膠粉改性瀝青配方研究

郭玉偉

(河北省高速公路張涿張家口管理處 涿州市 072750)

0 引言

近年來(lái)，廢舊膠粉改性瀝青材料在道路工程領(lǐng)域占據(jù)越來(lái)越重要的地位，主要原因在于其在將廢物回收利用、避免環(huán)境污染的同時(shí)，還可以有效提高瀝青高低溫性能，改善路面因高溫引起的車(chē)轍、低溫引起的開(kāi)裂等問(wèn)題，增強(qiáng)瀝青路面抗水侵害能力，且吸聲降噪，安全環(huán)保。此外，膠粉改性瀝青成本低廉，性?xún)r(jià)比突出，因此在道路工程領(lǐng)域得到了極大的推廣應(yīng)用。

在目前對(duì)膠粉改性瀝青材料的研究中，王笑風(fēng)指出在道路工程中推薦使用硫化橡膠粉和SBS復(fù)合改性瀝青[1]。李國(guó)峰通過(guò)研究指出膠粉摻加量為瀝青質(zhì)量的15%～20%,溶脹時(shí)間2～3h,剪切時(shí)間1.5h,剪切溫度186～189℃,剪切速率7000～8000r/min可顯著提高膠粉改性瀝青的高溫性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性[2]。蔡斌針對(duì)大摻量膠粉改性瀝青,利用對(duì)比試驗(yàn)的方法,研究了剪切速率、溶脹溫度、溶脹時(shí)間對(duì)改性瀝青性能指標(biāo)的影響,并且確定了最佳溶脹時(shí)間為40min,最佳溶脹溫度為200～210℃,最佳剪切速率為7000rpm[3]。雖然目前對(duì)膠粉改性瀝青的研究較為深刻，但目前膠粉改性瀝青材料性能相對(duì)缺乏針對(duì)性，加之中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，重型汽車(chē)保有量不斷增加，致使車(chē)轍、裂縫等路面問(wèn)題不斷加重，雖然膠粉改性瀝青相比于其他材料優(yōu)勢(shì)顯著，但還需有針對(duì)性地對(duì)膠粉改性瀝青材料進(jìn)行研究，本文旨在提高膠粉改性瀝青材料的高溫性能，拓寬材料在高溫地區(qū)的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)所用原材料有基質(zhì)瀝青、廢舊膠粉、SBS改性劑、軟化油、穩(wěn)定劑及一種可以提高材料高溫性能的物質(zhì)(本文命名為軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑)。其中基質(zhì)瀝青采用京博70#A級(jí)石油瀝青。廢舊膠粉采用大車(chē)胎24目膠粉，試驗(yàn)所用SBS類(lèi)型為線型，軟化油是一種有機(jī)酯類(lèi)化合物，穩(wěn)定劑用來(lái)保證膠粉改性瀝青成品穩(wěn)定性，所采用的軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑在提高材料高溫性能的同時(shí)還能起到助穩(wěn)定的效果，基質(zhì)瀝青、膠粉及膠粉改性瀝青技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1～表3。

表1 京博70#A級(jí)基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 膠粉物理化學(xué)指標(biāo)

表3 膠粉改性瀝青指標(biāo)要求

2 膠粉改性瀝青制備工藝的確定

2.1 攪拌溫度

膠粉改性瀝青制備時(shí)的攪拌溫度、攪拌時(shí)間是影響成品改性瀝青質(zhì)量的關(guān)鍵因素，攪拌時(shí)溫度過(guò)高可以加快膠粉與瀝青反應(yīng)的速度，但溫度過(guò)高也會(huì)使瀝青耐久性變差。反之溫度過(guò)低，又不利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，致使膠粉改性瀝青達(dá)不到應(yīng)有的效果，因此在制備過(guò)程中對(duì)溫度的控制至關(guān)重要，通過(guò)不同攪拌溫度下膠粉改性瀝青性能的對(duì)比試驗(yàn)用以確定最佳的攪拌溫度，具體指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 不同攪拌溫度的膠粉改性瀝青的性能指標(biāo)

由表4數(shù)據(jù)可知：在溫度為195～200℃時(shí)，膠粉改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)合格。攪拌溫度影響著瀝青與膠粉的反應(yīng)速率，攪拌溫度過(guò)低，制備出的膠粉改性瀝青粘度過(guò)大，隨著攪拌溫度的提高，瀝青粘度減小，軟化點(diǎn)逐漸降低，針入度及延度逐漸增大，因此認(rèn)為195℃的攪拌溫度較為合適，既可以保證存儲(chǔ)一定時(shí)間后延度指標(biāo)合格，又可以避免軟化點(diǎn)損失過(guò)多的問(wèn)題，因此采用195℃的攪拌溫度。

2.2 攪拌時(shí)間

攪拌時(shí)間是影響膠粉改性瀝青性能的又一因素，攪拌時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響到膠粉在瀝青中是否充分溶脹，具體方案及檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同攪拌時(shí)間的膠粉改性瀝青的性能指標(biāo)

由表5數(shù)據(jù)可知：攪拌時(shí)間過(guò)短，膠粉的脫硫反應(yīng)進(jìn)行不充分，造成瀝青粘度過(guò)大，不利于剪切的順利進(jìn)行，當(dāng)溶脹時(shí)間大于 35min 后，膠粉與瀝青反應(yīng)基本達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)增長(zhǎng)攪拌時(shí)間，瀝青的性能變化不大，因此采用35min的攪拌時(shí)間。

綜上所述，所研究的耐高溫型膠粉改性瀝青的制備工藝為：基質(zhì)瀝青中加入軟化油、SBS、橡膠粉及軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑，在195℃溫度下攪拌35min，然后一次剪切7min，剪切速率每分鐘上升1000r，達(dá)到7000rpm后保持不變，之后在攪拌過(guò)程中加入穩(wěn)定劑，適當(dāng)攪拌后進(jìn)行二次剪切，其剪切工藝同一次剪切。

3 配方設(shè)計(jì)

3.1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)進(jìn)行配方設(shè)計(jì)，原材料除基質(zhì)瀝青外還有橡膠粉、軟化油、SBS改性劑、軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑及穩(wěn)定劑。研究過(guò)程中基質(zhì)瀝青作為溶質(zhì)其質(zhì)量固定不變，其他材料按照基質(zhì)瀝青質(zhì)量的百分比摻入，每個(gè)變量確定4個(gè)水平，所以實(shí)驗(yàn)采用5因素4水平進(jìn)行設(shè)計(jì)，各因素水平見(jiàn)表6。

表6 各因素水平表

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)5因素4水平的正交試驗(yàn)，采用16組不同配方進(jìn)行試驗(yàn)，配方設(shè)計(jì)見(jiàn)表7，并檢測(cè)其180℃旋轉(zhuǎn)粘度、軟化點(diǎn)、25℃針入度、5℃延度四項(xiàng)指標(biāo)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8。

表7 L16(45)正交實(shí)驗(yàn)表

表8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)以上檢測(cè)結(jié)果，采用直觀分析法分別對(duì)180℃旋轉(zhuǎn)粘度、軟化點(diǎn)，針入度、延度四個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，見(jiàn)表9。

表9 各因素對(duì)各指標(biāo)的影響

通過(guò)分析以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

(1)各因素對(duì)180℃旋轉(zhuǎn)粘度值的影響順序依次為：橡膠粉>軟化油>軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑>SBS>穩(wěn)定劑。由于180℃旋轉(zhuǎn)粘度要求值為1.5～3Pa·s，膠粉改性瀝青在儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)發(fā)生降解，造成粘度降低，因此認(rèn)為初始粘度值應(yīng)在滿(mǎn)足要求的范圍內(nèi)取較大值，以2.5Pa·s附近為最佳，因此當(dāng)只考慮180℃旋轉(zhuǎn)粘度這一指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)的水平組合為A2B3C1/2D1E3。

(2)各因素對(duì)軟化點(diǎn)值的影響順序依次為：橡膠粉>軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑>軟化油>穩(wěn)定劑>SBS。本研究對(duì)軟化點(diǎn)有較高要求，因此軟化點(diǎn)值應(yīng)在滿(mǎn)足要求的范圍內(nèi)取較大值，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)只考慮軟化點(diǎn)這一指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)的水平組合為A3/4B1C4D4E3。

(3)各因素對(duì)25℃針入度值的影響順序依次為：橡膠粉>軟化油>軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑>SBS>穩(wěn)定劑。本課題要求針入度值為40～60(0.1mm)，對(duì)針入度有較高要求，加之膠粉改性瀝青在儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)發(fā)生降解，造成針入度增大，因此認(rèn)為初始針入度值應(yīng)在滿(mǎn)足要求的范圍內(nèi)取較小值，以45(0.1mm)附近為最佳，因此當(dāng)只考慮25℃針入度這一指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)的水平組合為A3B2C4D4E2/3。

(4)橡膠粉及SBS對(duì)5℃延度值的影響順序依次為：橡膠粉>SBS>軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑>軟化油>穩(wěn)定劑，且軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑對(duì)延度為不利影響。延度值越大代表材料低溫延展性越好，因此當(dāng)只考慮5℃延度這一指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)的水平組合為A3B3/4C4D1E3。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

綜合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將各最優(yōu)組合列于表10。

表10 各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)組合

通過(guò)分析以上數(shù)據(jù)可知：

(1)橡膠粉對(duì)各指標(biāo)影響程度最大，優(yōu)先確定，其最優(yōu)水平為2、3/4、3、3，在各指標(biāo)最優(yōu)組合中水平3出現(xiàn)3次，因此確定最優(yōu)水平為水平3。

(2)軟化油對(duì)180℃旋轉(zhuǎn)粘度及針入度影響遠(yuǎn)大于其他因素，分別為水平3和水平2。水平3相比各指標(biāo)最優(yōu)水平，軟化點(diǎn)降低了1.06%，針入度增大了8.20%；水平2相比各指標(biāo)最優(yōu)水平，粘度升高了12%，軟化點(diǎn)降低了0.91%，延度降低了9.09%，水平2對(duì)軟化點(diǎn)和延度均為不利影響，且粘度作為不易合格的指標(biāo)升高比例較大，因此確定B(軟化油)的最優(yōu)水平為水平3。

(3)SBS在各單指標(biāo)最優(yōu)組合中水平4出現(xiàn)3次，且其對(duì)粘度影響較小，因此確定C(SBS)的最優(yōu)水平為水平4。E(穩(wěn)定劑)的最優(yōu)水平為水平3。此時(shí)除D(軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑)因素外，確定的最優(yōu)摻配為A3B3C4E3。

(4)軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑除可以增強(qiáng)軟化點(diǎn)，還有助體系穩(wěn)定，減小48h離析軟化點(diǎn)差，因此對(duì)比采用A3B3C4D1E3及A3B3C4D4E3配方時(shí)各指標(biāo)性能的影響，其各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表11。

表11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，明顯發(fā)現(xiàn)當(dāng)軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑采用水平4時(shí)48h軟化點(diǎn)差遠(yuǎn)小于水平1，體系穩(wěn)定性好，且各項(xiàng)指標(biāo)均合格，但延度低，考慮到體系衰減后延度增大，針入度增大，粘度減小，因此確定D(軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑)的最優(yōu)水平為水平4 ，此時(shí)確定最優(yōu)摻配組合為A3B3C4D4E3，其具體配比及指標(biāo)見(jiàn)表12及表13。

表12 耐高溫型膠粉改性瀝青具體配比

表13 耐高溫型膠粉改性瀝青指標(biāo)

由以上數(shù)據(jù)可知：通過(guò)耐高溫型膠粉改性瀝青工藝及配方制備出的膠粉改性瀝青綜合性能較為優(yōu)異。

4 結(jié)論

通過(guò)采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)耐高溫型膠粉改性瀝青進(jìn)行了研究，得出以下主要結(jié)論：

(1)所研究的耐高溫型膠粉改性瀝青的制備工藝為：基質(zhì)瀝青中加入軟化油、SBS、橡膠粉及軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑，在195℃下攪拌35min，以1000r/min的速率上升至7000r后保持剪切7min，之后在攪拌過(guò)程中加入穩(wěn)定劑，適當(dāng)攪拌后重復(fù)上述剪切步驟。

(2)所研究的耐高溫型膠粉改性瀝青的配方為：基質(zhì)瀝青100份，橡膠粉21份，軟化油0.6份，SBS2.5份，軟化點(diǎn)增強(qiáng)劑5份，穩(wěn)定劑0.4份。

(3)通過(guò)耐高溫型膠粉改性瀝青工藝及配方制備出的膠粉改性瀝青綜合性能較為優(yōu)異。