復合改性瀝青的研發與性能評價

張明明，劉 濤，崔冀川，唐 磊

(重慶重交再生資源開發股份有限公司,重慶市瀝青路面再生工程技術研究中心,重慶 401121)

0 引言

在國家“交通強國”戰略的指引下,依靠科技創新和技術進步,我國的道路基礎建設正在向綠色、耐久的方向快速發展[1]。廢膠粉改性瀝青因符合綠色低碳交通等理念的需求而得到飛速的發展。因此膠粉改性瀝青正在進一步被道路建設者們推廣和利用,將廢膠粉加入瀝青制成廢膠粉改性瀝青既能夠改善瀝青的性能,又具有良好的環保性,是當前研究的熱點方向[2-6]。但是膠粉和瀝青的化學結構差異較大,導致兩者的相容體系穩定性不佳、部分性能較差[7-9]。因此膠粉/SBS復合改性瀝青作為一項兼具經濟、社會和環保效益的技術,在一定程度上降低了生產成本,提高了路用性能,有助于持續性地推進生態友好、集約高效的高質量交通建設。

1 原材料性質

1.1 基質瀝青

制備復合改性瀝青的基質瀝青選用70號基質瀝青,根據JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術規范[10]要求,按照JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程規定,對基質瀝青進行性能試驗,檢測結果滿足規范要求,具體數據如表1所示。

表1 瀝青主要技術指標

1.2 SBS

本次選用目前道路上比較成熟的SBS改性劑作為復合改性瀝青的主要成分之一,SBS是苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物,易吸收瀝青中的飽和酚發生溶脹,在瀝青中形成穩定的網狀結構,改善復合改性瀝青性能[11]。溶脹后的SBS極性更接近膠質,瀝青組分對聚合物粒子的充分溶脹和聚合物粒子對瀝青組分的良好吸附時對瀝青進行聚合物改性,能夠提高瀝青的韌性、延展性、抗疲勞性和抗剝離能力等性能[12]。

1.3 高膠顆粒

研究利用多階連續綠色脫硫技術制備的高膠顆粒,對膠粉的處理主要是脫硫活化,將橡膠分子鏈中的部分硫鍵破壞,打開膠體的三維網狀結構[13],提高天然橡膠含量,可以采用物理、化學和生物的方法進行脫硫[14],脫硫后的膠粉與SBS和瀝青在高溫下快速共混,在實現膠粉和SBS高摻量的同時,增強瀝青的延展性、耐熱性和耐紫外線老化性能[15-16],改善復合改性瀝青的熱儲存穩定性能、加工性能與和易性。

1.4 環烷基橡膠油

環烷基橡膠油來自天然石油,價格低廉、來源可靠,并且由于其特有的結構,環烷油與橡膠有著良好的增塑與互溶性。因此,選用環烷基橡膠油作為改性劑的增塑劑,促使橡膠塑化成型,增加熱塑性橡膠與瀝青的相容性,減少復合改性瀝青的離析現象。

1.5 穩定劑

改性瀝青的穩定性一直是一大難題,特別是膠粉改性瀝青,穩定劑多采用含硫復合物,摻量常為瀝青質量的0.1%～0.3%,在改性劑分散后加入可使聚合物與基質瀝青間形成相界面吸附層,提高復合改性瀝青穩定性[17]。過量穩定劑則易使瀝青反應過于強烈,導致凝膠無法使用。

2 復合改性瀝青材料配方正交設計

2.1 因素與水平的選擇

試驗所選取的4個因素分別為高膠顆粒、SBS、環烷基橡膠油、穩定劑各自的摻量。分別將其命名為A,B,C,D。其各因素水平根據前期實驗及相關文獻參考如表2所示。

表2 各因素水平表

表2中各水平代表該因素占瀝青質量的百分比,根據正交實驗的水平和因素選取,本次研究正交實驗組數確定為9組,分別測試每一組的三大指標以及動力黏度對各因素進行初步的判斷,從表3中選取L9(34)的正交表格實驗安排,具體排列及測試數據見表3。

表3 正交試驗表

2.2 各因素水平極差分析

將正交試驗測試數據進行各因素水平極差分析,確定各因素的最優組合,通過4組最優組合確定復合改性瀝青的配方。具體數據如表4—表7所示。

表4 針入度極差分析表

表5 延度極差分析表

表6 軟化點極差分析表

表7 黏度極差分析表

根據表4—表7的極差分析,通過k值確定各因素優化水平組合：

針入度：A1B1C2D1 延度：A2B3C3D1

軟化點：A2B3C2D3 黏度：A3B3C1D1

由于黏度與延度是較難控制的兩個指標,因此優先從黏度與延度指標中進行選擇,從黏度與延度的優組合A3B3C1D1以及A2B3C3D1可以看出,兩個優選組合均出現了B3,D1,所以可以確定的優水平為B3,D1,然后通過觀察因素A和因素C每個水平出現的頻率,A2和C2出現次數最多,同時綜合對比成本以及在A2和C2水平時各指標數據,確定C因素優水平為C2,A因素優水平為A2,暫定最佳配方組合為A2B3C2D1。即高膠顆粒15%,SBS 4%,油3%,穩定劑0.15%。

3 復合改性瀝青配方驗證

通過正交實驗確定復合改性瀝青初步配比,需要進一步進行復合改性瀝青性能的驗證以確定配方的效果及穩定程度,實驗室制備復合改性瀝青使用剪切方法如下：

1)用電子天平稱量500 g基質瀝青試樣放于盛樣器中,在烘箱中加熱180 ℃。

2)按照比例稱取一定質量的高膠顆粒、SBS改性劑以及橡膠油,加入到瀝青中并用玻璃棒攪拌均勻。

3)使用剪切機按照4 000 r/min～5 000 r/min速率對瀝青剪切30 min,剪切過程中溫度維持在180℃±10 ℃。

4)關閉剪切機,加入一定量的穩定劑并使用分散機按照1 000 r/min～2 000 r/min速率對復合改性瀝青攪拌發育60 min,攪拌過程中溫度維持在180 ℃±10 ℃。

5)關閉分散機,復合改性瀝青制備完成,立即澆模進行相關實驗。

配方驗證相關數據如表8所示。

表8 復合改性瀝青實驗數據

從表8可以看出,復合改性瀝青配方為瀝青∶高膠顆粒∶SBS∶橡膠油∶穩定劑=100∶15∶4∶3∶0.15,通過規范要求剪切方法進行剪切實驗,各指標均符合JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術規范中表4.6.2SBSI-D以及表D2.2高黏度改性瀝青的技術要求,且效果良好,對瀝青有著很好的改性效果。因此可以確定復合改性瀝青配方∶瀝青∶高膠顆粒∶SBS∶橡膠油∶穩定劑=100∶15∶4∶3∶0.15可以作為一種新型的改性瀝青用于混合料的生產,但同時也需要進一步驗證混合料的性能是否滿足相關規范要求。

4 復合改性瀝青混合料性能驗證

表9 瀝青混合料溫度控制表 ℃

根據規范要求溫度控制,進行混合料的拌和與性能驗證,混合料具體技術指標按照JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術規范中要求確定,具體實驗數據如表10,表11所示。

表10 OGFC-13瀝青混合料實驗數據

表11 SMA-13瀝青混合料實驗數據

從表10,表11中數據可以看出,復合改性瀝青應用于兩種瀝青混合料中其性能均能滿足規范要求。其中混合料的浸水飛散試驗指標效果突出,飛散試驗主要就是測試混合料集料之間的點黏接能力,黏接能力越好,混合料的表面集料越不容易脫落和散失,表明瀝青的用量恰當以及復合改性瀝青的黏結性強。同時混合料也展現出了較好的高溫性能,OGFC-13和SMA-13兩種級配的動穩定度都達到了5 000次/mm以上,較好地反映了該復合改性瀝青作用于混合料中時在高溫季節抵抗形成車轍的能力,非常適合用于重慶這種炎熱地區的抗車轍使用。其他指標比如穩定度、殘留穩定度、凍融劈裂強度比以及低溫彎曲等等,也都優于一般的混合。通過以上數據分析,可以看出復合改性瀝青提升了混合料的綜合路用性能。進一步證明了該復合改性瀝青的優異性,可進行大生產試用。

5 結語

1)根據L9(34)正交試驗結果極差分析,從各因素的最優組合確定復合改性瀝青配方為：瀝青∶高膠顆粒∶SBS∶橡膠油∶穩定劑=100∶15∶4∶3∶0.15。

2)基于設計配方剪切得到復合改性瀝青進行性能驗證,各指標均能滿足JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術規范中表4.6.2中對SBSI-D改性瀝青以及表D2.2中對高黏度改性瀝青的技術要求。

3)使用復合改性瀝青進行不同級配(OGFC-13,SMA-13)的瀝青混合料性能測試,混合料性能均能滿足規范要求。確定該配方作為一種新型的復合改性瀝青適用于瀝青混合料,且能大幅度的提升混合料性能。

4)此次研究只是建立在實驗室的基礎上,后續還需要進行工廠化復合改性瀝青生產以及瀝青性能的測試驗證。同時需要進一步探索生產和施工工藝,確保工廠化生產的產品穩定性。

5)對復合改性機理的分析比較淺顯,后期還需要查閱相關的文獻以及大量的實驗來支撐自己的理論知識。