石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青路用性能試驗分析

劉偉榮

（甘肅路橋善建科技有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

目前，輪胎是最大的固體廢棄污染源之一。在我國，輪胎早期回收應(yīng)用基本上是私下煉制油品，早在20世紀(jì)60年代橡膠瀝青已經(jīng)開始使用于道路建設(shè)中，但是存在嚴(yán)重二次氣味、灰塵等污染和碳排放環(huán)保問題，存在加工麻煩、粘度極大、施工控制困難、品質(zhì)不穩(wěn)定等技術(shù)問題，所以橡膠瀝青的實際應(yīng)用一直不到改性瀝青行業(yè)的1%。近年來，相關(guān)技術(shù)人員開始重新去認(rèn)知廢舊輪胎橡膠瀝青的使用價值，并進(jìn)行技術(shù)研究，經(jīng)過多年的研究與實踐，推出石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青，目前該產(chǎn)品已經(jīng)開始逐步應(yīng)用于實際工程項目中。

甘肅公航旅石墨烯科技發(fā)展有限責(zé)任公司天水分公司（以下簡稱天水分公司）從2019年開始采用引進(jìn)技術(shù)合作的模式，開始石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青技術(shù)的本地化應(yīng)用研究，以及產(chǎn)品的生產(chǎn)。公司生產(chǎn)的石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青率先于2018年在兩徽高速等項目中得到試用。經(jīng)過近幾年的實驗路觀測，對引進(jìn)技術(shù)的自我深化再研究，生產(chǎn)工藝的反復(fù)試錯，目前積累了一定的室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)和部分較為成熟的產(chǎn)品配方、加工工藝以及施工操作。2021年又將石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青技術(shù)與產(chǎn)品擴(kuò)大應(yīng)用于甘肅七瓜等項目上。本文通過試驗分析石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青用于公路工程的性能。

1 室內(nèi)研究

關(guān)于石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的室內(nèi)研究，根據(jù)企業(yè)實際經(jīng)營“快、準(zhǔn)”的需要，主要探尋膠粉原材料、加工工藝兩個因素，以解決生產(chǎn)成本、產(chǎn)品性能、公司場地、設(shè)備工藝流程配置的實際問題。石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青主要材料組成：回收輪胎膠粉、SBS改性劑、基質(zhì)瀝青、穩(wěn)定劑、必要的助劑。為了更加全面掌握原材料對石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的影響，設(shè)計安排原材料變量試驗，對基質(zhì)瀝青、膠粉、助劑等原材料進(jìn)行相關(guān)性試驗。

1.1 膠粉的選擇

由于目前我公司不具備自己加工生產(chǎn)主要材料膠粉的能力，依據(jù)市場供應(yīng)的方便性、經(jīng)濟(jì)性、品質(zhì)等因素，在測試時，瀝青、助劑、SBS改性劑、工藝以及石墨烯的添加量等條件，選擇三種類型的橡膠粉進(jìn)行石墨烯橡膠瀝青適用性測試。選擇的3種膠粉分別為普通磨細(xì)生膠粉、橡膠工業(yè)用的再生膠粉以及近年新出現(xiàn)的專門應(yīng)用于路用橡膠瀝青的改性再生膠粉[1]，細(xì)度要求：40目。

1.1.1 試驗結(jié)果

膠粉實驗結(jié)果如表1所示。

1.1.2 試驗分析

選擇的3種類型膠粉經(jīng)過一定時間在高溫攪拌下或經(jīng)過剪切發(fā)育后，都可以達(dá)到改性原有基質(zhì)瀝青的性能，瀝青的高溫軟化點、低溫延度、針入度指標(biāo)都體現(xiàn)出改性性能，以及老化性能提高；普通生粉加工溫度需求一般不能低于185℃，而2種再生粉的加工溫度與常規(guī)普通改性瀝青相同，不低于170℃即可；普通生粉加工過程會產(chǎn)生大量難以接受的帶有硫的刺鼻氣味，2種再生粉只有橡膠味道；相同摻量下，生膠粉的粘度很大，無法滿足施工應(yīng)用，再生粉的粘度具有明顯優(yōu)越性；對比普通工業(yè)再生粉與路用的改性再生粉，路用再生粉的改性效果與指標(biāo)具有明顯優(yōu)越性。

1.2 改性工藝影響研究

1.2.1 常規(guī)工藝分類

根據(jù)常規(guī)膠粉的改性設(shè)備特點和加工工藝的不同，按膠粉是否進(jìn)行過磨處理、膠粉是否進(jìn)行預(yù)混處理等，改性工藝分為3種工藝流程：一次過磨流程、膠粉不過磨流程、膠粉預(yù)混過磨流程[2]。

1.2.2 工藝試驗設(shè)計

配方與工藝設(shè)計如表2所示。

表2 配方與工藝設(shè)計

1.2.3 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

工藝試驗結(jié)果如表3所示。

表3 工藝試驗結(jié)果

根據(jù)結(jié)果分析可知：相同材料、配比摻量下，膠粉經(jīng)過預(yù)混和剪切過磨的改性指標(biāo)效果優(yōu)于沒有過磨的；膠粉在前期經(jīng)過預(yù)混后，對離析差值有幫助；膠粉是否進(jìn)行剪切過磨工藝，嚴(yán)重影響瀝青配伍性，過磨橡膠瀝青存放衰減明顯優(yōu)越。

1.3 石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青配方選擇

選擇配比為瀝青100%+2.5%～2.8%SBS+20%～22%路用再生膠粉+1.0%～1.2%助劑+1.5%石墨烯液+0.25%穩(wěn)定劑的路用改性再生膠粉，通過膠粉預(yù)混過磨工藝流程進(jìn)行重復(fù)性試驗及混合料試驗研究[3]。石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青測試結(jié)果如表4所示。

表4 石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青測試結(jié)果

根據(jù)實際生產(chǎn)結(jié)果，研究選擇確定的膠粉等主要材料、加工配比以及生產(chǎn)工藝等科學(xué)合理，完全可以生產(chǎn)出符合要求的石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青。

2 石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青路用性能指標(biāo)驗證

從2019年開始以甘肅當(dāng)?shù)刈畛Ｓ玫母咝阅転r青路面結(jié)構(gòu)為主，進(jìn)行石墨烯橡膠復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能指標(biāo)驗證，并開展實際路段的施工鋪設(shè)。選取兩微路路面項目石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝清進(jìn)行測試，其結(jié)果作為產(chǎn)品效果評價。

2.1 抽提篩分試驗

對現(xiàn)場取樣瀝青混合料在室內(nèi)進(jìn)行抽提試驗，檢測油石比和合成級配，試驗結(jié)果見表5。

表5 現(xiàn)場抽提級配檢測結(jié)果

2.2 高溫穩(wěn)定性試驗

試驗條件：在60.0±0.5℃，0.7±0.05MPa條件下進(jìn)行車轍試驗以檢驗瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，車轍動穩(wěn)定度試驗結(jié)果見表6所示。

表6 車轍試驗動穩(wěn)定度

2.3 瀝青小梁低溫彎曲試驗

試驗條件：溫度-10℃，速率50mm/min，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青小梁低溫彎曲試驗結(jié)果

2.4 結(jié)果分析

從表5～表7的測試結(jié)果可知，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料的性能優(yōu)越，滿足高速公路的路面建設(shè)使用要求。

3 結(jié)束語

綜上所述，從環(huán)保角度考慮，普通生膠粉存在加工應(yīng)用中高溫排放的嚴(yán)重二次污染，不適合用于改性瀝青應(yīng)用；從施工、使用性能、經(jīng)濟(jì)性以及回收輪胎使用量角度分析，采用路用改性再生膠粉作為石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的主要材料是合理的；從實際加工與產(chǎn)品性能分析得出，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青的合理加工工藝為：在170～180℃下進(jìn)行膠粉與SBS攪拌預(yù)混，進(jìn)行剪切過磨，之后再進(jìn)行發(fā)育，能將膠粉均勻溶脹磨細(xì)分散于SBS改性瀝青中，形成存放穩(wěn)定的復(fù)合改性瀝青；按配方生產(chǎn)的石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青解決了以往橡膠瀝青的高溫排放、味道污染、膠粉使用量低、施工粘度大以及存放性能衰減或存放不穩(wěn)定等品質(zhì)問題；不同產(chǎn)品的室內(nèi)外混合料測試結(jié)果表明，石墨烯復(fù)合橡膠改性瀝青混合料的性能優(yōu)越，滿足高速公路的路面建設(shè)使用要求。