不同生產工藝參數對橡膠瀝青性能的影響

李海東

摘要：為改善橡膠瀝青性能，本論述從橡膠瀝青生產工藝參數出發，通過選取不同的生產工藝參數，系統研究不同工藝參數對橡膠瀝青性能的影響，同時測試了不同工藝參數下橡膠瀝青中膠粉溶解率，探究了膠粉溶解率對橡膠瀝青粘度、車轍因子和存儲穩定性的影響，并基于 TOPSIS 評價方法，對不同工藝參數下橡膠瀝青的性能進行綜合評價。結果表明：膠粉溶解率與橡膠瀝青各項性能都有一定的相關性;在較低生產溫度下，橡膠瀝青制備時應選用較長的反應時間和較高的攪拌速率，且橡膠瀝青的制備溫度不宜過高。

關鍵詞：橡膠瀝青;工藝參數;性能;灰關聯

中圖分類號：U24???????????????????????????????????????????? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著我國經濟的快速增長，每年有大量汽車報廢，導致每年產生數以萬計的廢舊輪胎，且每年廢舊輪胎以 8%～ 10%的速度極速增長。2020年，我國廢舊輪胎產量已超過2000萬 t，如此巨大的固體“黑色污染物”對生態環境將會造成嚴重危害[1 ]。而目前我國對廢舊輪胎的再利用率不足，故廢舊輪胎的再利用已成為近年來的研究熱點。

大量研究表明，將廢舊輪胎磨成膠粉，通過濕法或干法應用于瀝青路面建設，不僅可以回收利用廢舊輪胎固體廢棄物，減少對環境的污染，而且可以顯著提高瀝青路面的各項路用性能，具有較大的應用潛力[2 ]。目前國內外針對橡膠瀝青路面進行了大量研究，同時橡膠瀝青已成為瀝青路面建設的重要材料之一。但在橡膠瀝青使用過程中發現，橡膠瀝青存在高溫穩定性較差、容易發生離析等問題，而這一直是制約橡膠瀝青使用的主要技術瓶頸[3]。經研究表明：橡膠瀝青的生產工藝參數對其儲存穩定性和路用性能有至關重要的作用[4]。

目前主要通過采用填加穩定劑和其它改性劑的方式來提高橡膠瀝青的性能[5，6]，而基于其工藝參數對其性能的影響研究較少。為此，本研究通過設置不同的工藝參數，研究不同工藝參數下橡膠瀝青高溫性能和儲存穩定性的變化，并采用 TOPSIS 分析方法，探究工藝參數對各項性能指標的影響程度大小，從而為橡膠瀝青的制備和使用提供一定參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 瀝青

瀝青采用 SK 90#基質瀝青，其主要技術指標見表1 所列，且各項技術指標滿足規范要求。膠粉為40目廢舊輪胎橡膠粉（通過40目膠粉篩），其主要物理和化學指標見表2 所列。

1.2 橡膠瀝青制備

本試驗設置了不同的橡膠瀝青制備工藝參數，其中溫度分別為160℃、190℃和220℃，攪拌時間為60min、120 min、240 min 和480 min，攪拌速率分別為10 Hz、30 Hz 和50 Hz 。橡膠瀝青的主要制備流程為：首先將基質瀝青在烘箱（150℃）恒溫加熱1 h，然后將熔融的瀝青倒入專門的橡膠瀝青反應罐600 g，再將反應罐放置于恒溫磁力攪拌器中加熱至規定溫度（如180℃），同時緩慢加入膠粉，并慢速攪拌10 min，然后將攪拌器速率調至規定的攪拌速率攪拌一定時間，待橡膠瀝青制備完成后倒入專門的存放鋁盒進行封閉儲存，以備待測。橡膠瀝青的制備如圖1 所示。

1.3 主要試驗方法

1.3.1?? 橡膠粉溶解率測試

取橡膠瀝青20 g，采用三氯乙烯浸泡10 min，然后將浸泡溶液過80目篩，濾出橡膠瀝青中的橡膠粉，再用三氯乙烯沖洗幾遍，直至完全沖洗干凈，在60℃烘箱中烘干至恒重并稱重，膠粉的溶解率ω計算如式（1 ），其中 m 為橡膠瀝青中膠粉的實際質量，m0為清洗后膠粉的質量：

1.3.2? 流變性能測試

采用布氏旋轉粘度和動態剪切流變儀（DSR）對橡膠瀝青的高溫流變性能進行測試，其中粘度測試溫度為 180℃，采用27#轉子，轉速為20 r/min 。采用 DSR 對64℃的車轍因子 G*/sinδ進行測試，測試時采用應變控制模式，應變為12%，角頻率為10 rad/s。

1.3.3? 存儲穩定性測試

采用改性瀝青的離析試驗方法對橡膠瀝青的儲存穩定性進行研究，在直徑為25 mm、長為140 mm 的鋁管中倒入熱瀝青50 g，并放置在163±5℃的烘箱中保溫48 h，然后取出鋁管并冷卻，測試上下1/3部位橡膠瀝青的復數模量，并按式（2）計算其儲存穩定性指標，其中SI 值越大，表明上下車轍因子差值越大，橡膠瀝青的離析就越大，SI 值越低，橡膠瀝青的儲存穩定性也就越好。

2 試驗結果及分析

2.1 膠粉溶解率對橡膠瀝青性能的影響

針對不同工藝參數的橡膠瀝青各項性能進行測試，其結果見表3 所列。從表3 可以看出，膠粉的各工藝參數對橡膠瀝青的性能產生較大影響，不同工藝參數組合下，橡膠瀝青的性能產生較大變化。

大量研究表明，膠粉顆粒在瀝青中主要發生物理溶脹反應，同時伴隨著部分膠粉顆粒的溶解，因此，膠粉的溶解對瀝青性能的影響起到至關重要的作用。為研究膠粉溶解率對橡膠瀝青性能的影響，采用線性擬合的方式，針對表3 中膠粉溶解率和橡膠瀝青各項性能的關系進行擬合，其結果如圖2～4所示。

圖2 所示為膠粉溶解率與橡膠瀝青粘度的關系。從圖2 中可以看出：膠粉溶解率與瀝青粘度具有一定相關性，膠粉溶解率與粘度的關系主要受制備溫度的影響，當溫度較低（≤190℃）、膠粉摻量相同時，膠粉溶解率與橡膠瀝青粘度具有良好的線性關系（R2=0.84），粘隨溶解率的增加而逐漸增大，表明此時膠粉溶解率越高，其性能越好;而當溫度較高時（220℃），橡膠瀝青粘度隨溶解率的增大而逐漸降低，其相關系數為 R2=0.71，此時膠粉的溶解對橡膠瀝青的粘度起到不利影響。6CB323FD-18BB-40C8-A2EE-1EFF9744A4E3

因此，溫度是影響橡膠瀝青性能的主要因素，在橡膠瀝青制備時，生產溫度較低時應選取較長的反應時間和較高的攪拌速率，以使膠粉的溶解率提高。而當采用較高溫度（220℃）制備橡膠瀝青時，應選較短的反應時間和較低的攪拌速率，以降低對膠粉的溶解，保證橡膠瀝青性能。

圖3 所示為膠粉溶解率與橡膠瀝青車轍因子的相關性。從圖3 中可以看出：膠粉的溶解率與車轍因子具有一定的相關性，其相關系數為0.65，整體上膠粉的溶解對車轍因子有一定不利影響，其原因有可能是膠粉的溶解率越高，導致膠粉的溶脹反應減弱，使得膠粉對瀝青中輕質組分的吸收量減少;但整體上，隨著溶解率的增大，車轍因子的變化幅度不大，表明溶解率對車轍因子的影響較小。

圖4 所示為膠粉溶解率與橡膠瀝青儲存穩定性指標的相關性。從圖4 中可以看出：膠粉的溶解率與 SI 指標也具有一定的相關性，隨著膠粉溶解率的增大，SI值越小，橡膠瀝青的儲存穩定性也就越好，其原因可能是隨著膠粉的部分溶解，橡膠瀝青內部可形成交聯的三維網狀結構，從而在高溫條件下，其穩定性較好;因此，為保證橡膠瀝青的儲存穩定性能，應在一定程度上保證膠粉顆粒的溶解率。

2.2 基于TOPSI S法的橡膠瀝青工藝參數評價

Topsis法的基本思想是：針對評價指標的原始數據矩陣，通過矩陣歸一化處理，得到有限方案中的最優方案和最劣方案，然后分別計算各評價對象與最優方案和最劣方案的距離，獲得各評價對象與最優方案的相對接近程度，然后進行排序，以此距離作為評價優劣的依據[4]。

對橡膠瀝青生產工藝參數進行優選，主要評價指標包括車轍因子、粘度和 SI，各個指標的測試結果見表3 所列。對表3 的數據進行歸一化處理，得到表4 所列的規范矩陣。

經處理，得到矩陣的最優和最劣向量分別為：

分別求得各方案到理想點的相對接近度，結果見表 5所列。

由表3可以看出，基于多指標優化評價，最終得到各工藝參數下橡膠瀝青性能的綜合排序，其中排名第一為 N8，這是由于膠粉含量較高（15%），在較低溫度下（≤190℃），膠粉摻量是影響瀝青性能的最主要因素;排名第二為 N9，由前述分析可知，在較低溫度下，為獲得性能良好的橡膠瀝青，改性瀝青應選用較高的攪拌速率、較長的拌和時間;N14、N11和 N16分別排名第三、第四和第五，此時制備溫度為220℃，膠粉摻量對橡膠瀝青性能影響較小，在此溫度下，較長的攪拌時間和較高的速率可提高膠粉的溶解，從而改善其存儲穩定性，但此溫度下，橡膠瀝青容易老化，且如此高的溫度能耗較大，經濟性較差。

3 結論

（1）橡膠瀝青中膠粉會產生一定溶解，膠粉的溶解對橡膠瀝青的粘度產生一定影響，在較低生產溫度下，膠粉的溶解率越高，其粘度越大;而在較高生產溫度下，膠粉的溶解對橡膠瀝青性能產生一定不利影響。

（2）膠粉的溶解對橡膠瀝青車轍因子和存儲穩定性也產生一定影響。整體上，隨著膠粉溶解率的增大，橡膠瀝青的車轍因子略有降低，但降低程度不大;而膠粉溶解率越大，橡膠瀝青的存儲穩定性越好。

（3）TOPSIS分析結果表明，在較低生產溫度下，膠粉摻量是影響橡膠瀝青性能的最主要因素，為保證橡膠瀝青性能，應選用較長的制備時間和較高的攪拌速率;較高溫度下，膠粉摻量對橡膠瀝青的影響程度降低，嚴格控制反應速率和反應時間同樣可制備性能良好的橡膠瀝青，但其生產溫度較高，能耗大，經濟性較差。

參考文獻：

[1]? 張健，季正軍，李彬，等. 橡膠瀝青在道路工程中的應用綜述[J].公路交通科技（應用技術版），2019（6）：21-23.

[2]? 劉斌，胡省. 廢橡膠粉/SBS復合改性瀝青技術性能研究[J].公路工程，2019（6）：257-260.

[3] ?公晉芳，閆超超. 橡塑復合改性瀝青及其混合料性能研究[J]. 新型建筑材料，2019（12）：85-89，104.

[4]? 楊小龍，李波，李曉輝. 基于Topsis法的水泥混凝土路面紋理優選[J]. 公路，2014（11）：27-30.

[5]? 李鴻軻. 環烷油溫拌橡膠瀝青路用性能研究[J]. 中外公路，2019（3）：270-274.

[6]? 任世峰. SBS/脫硫橡膠復合改性瀝青路用性能研究[J]. 北方交通，2019（11）：71-73，78.6CB323FD-18BB-40C8-A2EE-1EFF9744A4E3