廢膠粉復(fù)合高黏改性瀝青制備與性能研究

雷寧靜，孫增智，何銳，楊博，李媛

(1.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；3.山西雄鷹油墨實(shí)業(yè)有限公司，山西 太原 030031)

近年來廢舊輪胎的產(chǎn)量已達(dá)到上千萬噸，研究表明[1-5]，將廢舊輪胎加工處理后得到廢膠粉，并制備廢膠粉高黏改性瀝青可以改善其低溫性能和抗水損害性能，緩解環(huán)境污染問題。但膠粉改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性較差，添加助溶劑可以有效提高廢膠粉改性瀝青的相關(guān)性能[5-9]。由于膠粉摻量的限制，難以滿足高黏瀝青的黏度要求，添加增黏劑可以有效提高改性瀝青的黏度[10-13]。

本研究制備了一種廢膠粉復(fù)合改性高黏瀝青，通過常規(guī)指標(biāo)評價(jià)復(fù)合改性瀝青的性能，采用動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)(DSR)和小梁彎曲試驗(yàn)(BBR)分析高黏改性瀝青的流變性能并結(jié)合美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)瀝青膠結(jié)料PG分級體系對改性瀝青進(jìn)行分級。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

韓國SK-90#道路石油瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)規(guī)范對瀝青基本性能進(jìn)行檢測，其技術(shù)指標(biāo)見表1；40目廢舊輪胎橡膠粉，由子午線輪胎采用常溫粉碎法制備而成，其技術(shù)性質(zhì)見表2。

表1 SK-90#瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 廢膠粉技術(shù)參數(shù)

助溶劑選用塑性體材料APAO，是一種經(jīng)聚合得到的一種低分子量非晶態(tài)的共聚物[14]。其密度1.41 g/cm3，熔點(diǎn)295 ℃，外觀為乳白色固體，具有較好的韌性，較好的耐酸、耐堿、抗氧化性能。選用萜烯樹脂作為增黏劑，萜烯樹脂一種熱塑性材料，具有色淺、低氣味、高硬度、高附著力、抗氧化性和熱穩(wěn)定性好，相容性和溶解性好等優(yōu)點(diǎn)。以上兩種藥品均為實(shí)驗(yàn)試劑。

DHR-1型動(dòng)態(tài)剪切流變儀；TE-BBR彎曲梁流變儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本研究主要參照膠粉改性瀝青制備工藝。首先，將基質(zhì)瀝青加熱至160 ℃，加入稱量好的廢膠粉，普通攪拌30 min，攪拌速率500 r/min；緩慢加入助溶劑，同時(shí)用玻璃棒攪拌分散，溫度控制在175 ℃左右，即得改性瀝青。其次，將改性瀝青升溫至180 ℃，加入增黏劑，控制剪切速率為4 500 r/min，剪切時(shí)間45 min，整個(gè)過程溫度維持在180 ℃左右。最后，將剪切好的改性瀝青置于150 ℃烘箱中充分發(fā)育30 min。

1.3 性能測試

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀，參照AASHTO-TP5實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)，設(shè)定振動(dòng)速率為10 rad/s，頻率約為1.59 Hz，在58～82 ℃溫度范圍進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)。通過分析相位角，車轍因子分析改性劑對瀝青高溫性能的影響。

采用彎曲梁流變儀，設(shè)定溫度環(huán)境-12～-24 ℃條件下以恒定的應(yīng)力持續(xù)加載240 s，試件支撐：直徑25 mm的不銹鋼間距101.6 mm；位移傳感器：6.35 mm，在標(biāo)定范圍內(nèi)分辨率為2 μm。測定瀝青的勁度模量S和蠕變速率m，從而評定瀝青的低溫抗裂性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 性能分析

控制廢膠粉摻量分別為16%，18%，20%和22%不變，增黏劑的摻量分別為3%，4%和5%制備廢膠粉改性瀝青，并測定錐入度、軟化點(diǎn)、5 ℃延度和180 ℃黏度，結(jié)果見圖1。

圖1 廢膠粉和助溶劑對改性瀝青性能影響

由圖1可知，當(dāng)膠粉摻量固定不變時(shí)，隨著助溶劑摻量的增加，改性瀝青的錐入度有所降低，說明助溶劑的加入使得瀝青更加黏稠。隨著膠粉和助溶劑摻量的增加，5 ℃延度也隨之升高，并在廢膠粉摻量為20%，增黏劑摻量為5%時(shí)達(dá)到最高，表明助溶劑有效改善了改性瀝青的低溫性能。改性瀝青的軟化點(diǎn)隨著助溶劑摻量的增加而增加。橡膠粉和助溶劑的摻量越大，改性瀝青的黏度隨之增大且呈線性增長，這可能是由于助溶劑的摻加促進(jìn)了基質(zhì)瀝青與廢膠粉的交聯(lián)，從而使瀝青的黏度大幅增加[15-16]。

針對高黏改性瀝青，軟化點(diǎn)與黏度作為主要考慮的性能指標(biāo)，由圖2b分析可得，軟化點(diǎn)與助溶劑摻量正相關(guān)，分析圖2d可知，橡膠摻量為22%時(shí)，此時(shí)助溶劑摻量對黏度影響效果并不顯著，增幅范圍僅為5%。結(jié)合錐入度與延度綜合性能及經(jīng)濟(jì)因素考慮，確定廢膠粉與助溶劑摻量分別為20%與5%。

為了提高復(fù)合改性瀝青的黏度，摻入增黏劑制備膠粉高黏改性瀝青，確定廢膠粉與助溶劑摻量為20%與5%不變，改變增黏劑的摻量分別為2%，3%，4%和5%制備復(fù)合高黏改性瀝青，并測定其基礎(chǔ)性能及60 ℃動(dòng)力黏度，分析結(jié)果見圖2。

圖2 不同增黏劑摻量對高黏改性瀝青性能影響

由圖2可知，隨著增黏劑摻量的增加，錐入度降低。軟化點(diǎn)隨著增黏劑摻量的增加而增加，低溫延度在摻量為3.5%左右達(dá)到峰值，改性瀝青的黏度隨著增黏劑摻量的增加而增大，增黏劑與膠粉形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得基質(zhì)瀝青由連續(xù)相變?yōu)橛蔀r青與膠粉顆粒共混的半連續(xù)相，膠粉顆粒填充于基質(zhì)瀝青中起著骨架作用，從而提高了改性瀝青的黏度[17-19]。結(jié)合其他性能，考慮最終確定增黏劑摻量為3%。

通過上述實(shí)驗(yàn)確定了高黏改性瀝青各改性劑的最佳摻量，廢膠粉、助溶劑和增黏劑摻量分別為20%，5%和3%。性能測試結(jié)果見表3。

表3 復(fù)合高黏改性瀝青性能指標(biāo)

2.2 動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)(DSR)

通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀對基質(zhì)瀝青與改性瀝青進(jìn)行剪切流變實(shí)驗(yàn)，測試基質(zhì)瀝青及4種不同增黏劑摻量改性瀝青的相位角(δ)、抗車轍因子G*/sinδ，瀝青的相位角反映瀝青中彈性成分和黏性成分的比例，δ值越小表明瀝青材料彈性響應(yīng)越大[20]。抗車轍因子表征瀝青材料抵抗永久變形的能力，G*/sinδ值越大則說明瀝青的抵抗永久變形能力越好[21-23]，結(jié)果見圖3。

由圖3a、3b可知，從相位角來看，當(dāng)溫度由58 ℃ 上升到84 ℃，基質(zhì)瀝青、改性瀝青的相位角呈線性增大。改性劑的加入使得相位角明顯下降，基質(zhì)瀝青的相位角遠(yuǎn)大于高黏改性瀝青的相位角，說明改性劑的加入改變了瀝青的黏彈性，相位角隨著增黏劑摻量的增大而降低，說明增黏劑的加入能夠提高改性瀝青的彈性性能[24-25]。老化后基質(zhì)瀝青和改性瀝青的相位角值均減小，主要是由于短期老化作用使得瀝青中輕質(zhì)組分減少，瀝青受氧化作用變硬。從趨勢來看，改性劑摻量越高，相位角越低，瀝青性能更加接近彈性體，抵抗高溫變形能力越好，加入改性劑后的瀝青受老化作用影響有所降低。

由圖3c、3d可知，隨著溫度的升高，5種瀝青的車轍因子均呈減小趨勢，表明瀝青隨著溫度升高由彈性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば誀顟B(tài)，瀝青受剪切作用產(chǎn)生的應(yīng)變逐漸減小。加入改性劑后的瀝青，車轍因子均遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青，表明膠粉與改性劑在瀝青中交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，瀝青中彈性成分提高，膠粉高黏瀝青的抗永久變形能力提高。但不同摻量改性劑對車轍因子影響并不大，增加幅度在5%左右。隨著溫度的升高，改性瀝青的車轍因子先是大幅度降低，而后趨于平緩，表明溫度越高，改性瀝青抗永久變形能力越低[26]。短期老化后，5種瀝青的車轍因子均有不同程度的降低，而高黏改性瀝青受老化作用影響相比與基質(zhì)瀝青影響較小。

圖3 相位角(δ)和車轍因子(G*/sinδ)隨溫度的變化曲線

以美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)瀝青膠結(jié)料PG分級體系要求的老化前抗車轍因子>1 kPa，RTFOT后抗車轍因子>2.2 kPa為確定瀝青膠結(jié)料高溫PG分級的約束條件，短期老化作用后，基質(zhì)瀝青的PG分級降低一個(gè)等級，確定分級溫度為64 ℃，膠粉復(fù)合高黏改性PG等級可達(dá)到82 ℃。

2.3 彎曲梁流變實(shí)驗(yàn)(BBR)

通過彎曲梁流變實(shí)驗(yàn)考察瀝青在低溫狀態(tài)下的流變特性，BBR實(shí)驗(yàn)時(shí)將瀝青進(jìn)行RTFOT后繼壓力老化(PAV)，實(shí)驗(yàn)溫度采用-12，-18 ℃和-24 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果以蠕變勁度模量S和蠕變速率m值表示。S值反映瀝青的柔韌性，S值越小瀝青柔韌性能越好；m值反映了瀝青低溫勁度的時(shí)間敏感性和應(yīng)力松弛能力，m值越大，則表明瀝青在低溫狀態(tài)下越不容易開裂[27]，結(jié)果見圖4。

圖4 勁度模量(S)和蠕變速率(m)隨溫度的變化曲線

由圖4a可知，在相同實(shí)驗(yàn)溫度條件下，基質(zhì)瀝青相比于其他改性瀝青的勁度模量最高，且隨著改性劑的加入，勁度模量出現(xiàn)下降的趨勢，當(dāng)增黏劑量由3%增加到5%時(shí)，橡膠改性高黏瀝青的勁度模量降幅達(dá)到15%，表明增黏劑越大，瀝青的應(yīng)力松弛能力越好，抗裂性能越好。隨著溫度降低瀝青材質(zhì)越硬，脆性增加低溫性能降低[28-29]。

由圖4b可知，相同溫度下，基質(zhì)瀝青的蠕變速率最小，改性高黏瀝青的蠕變速率相比于基質(zhì)瀝青增大了50%，且隨著改性劑摻量的增加，蠕變速率也隨之提高。整體的蠕變速率隨著實(shí)驗(yàn)溫度的降低而減小。從指標(biāo)分析結(jié)果來看，不同增黏劑摻量在同一溫度下的蠕變速率相差不大，這表明隨著增黏劑摻量達(dá)到一定范圍時(shí)，隨著增黏劑摻量進(jìn)一步增加，改性效果變化幅度逐漸趨于平緩。上述結(jié)果表明，增黏劑的加入有效改善了瀝青在低溫條件下的應(yīng)力松弛能力，改善了瀝青的低溫性能。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，采用BBR評價(jià)瀝青材料的低溫性能時(shí)，蠕變曲線斜率m值不小于0.3，勁度模量S值不超過300 MPa為約束條件，基質(zhì)瀝青的PG分級為-18 ℃，高黏改性瀝青PG分級可達(dá)到-24 ℃。

3 結(jié)論

(1)助溶劑的加入顯著提高了改性瀝青的軟化點(diǎn)，有效降低了改性瀝青的錐入度。改性瀝青的黏度隨著廢膠粉摻量的增加而增加。當(dāng)廢膠粉摻量為20%、助溶劑摻量為5%時(shí)，改性瀝青性能最佳。

(2)加入增黏劑后，改性瀝青滿足高黏瀝青黏度指標(biāo)要求，并對其他性能無不利影響，當(dāng)增黏劑摻量達(dá)到一定程度時(shí)，增黏效果趨于穩(wěn)定狀態(tài)，其摻量宜控制在3%左右。

(3)當(dāng)廢膠粉與助溶劑摻量一定時(shí)，隨著增黏劑摻量的增加，改變了改性瀝青的黏彈性，顯著提高了復(fù)合改性高黏瀝青的高溫性能。增黏劑復(fù)配改性瀝青的勁度模量S大幅度減小，m值顯著增大，低溫性能提升顯著，但摻量對低溫性能影響幅度不大。

(4)當(dāng)廢膠粉摻量為20%、助溶劑摻量為5%，摻加3%增黏劑的膠粉高黏改性瀝青的高溫抗車轍能力、低溫抗裂性能均得到顯著提高，有效改善了復(fù)合改性瀝青的性能。

(5)采用SHRP分級的相關(guān)測試方法及指標(biāo)進(jìn)行膠粉復(fù)合高粘改性瀝青性能評價(jià)，其SHRP分級指標(biāo)滿足PG82-24的技術(shù)要求。