有機(jī)蒙脫土對(duì)廢膠粉改性瀝青性能的影響

王 旺

(廣東交科檢測(cè)有限公司，廣州 510550)

0 引言

截至2017年底，我國(guó)輪胎產(chǎn)量達(dá)到6.35億條[1-3]，同比增長(zhǎng)4.1%，與此同時(shí)廢棄輪胎也隨之增加，對(duì)環(huán)境、生態(tài)造成很大的“黑色污染”。將廢棄輪胎經(jīng)過特殊處理用于瀝青混合料中，不但解決了生態(tài)環(huán)境問題，而且對(duì)瀝青的路用性能具有一定的提高，節(jié)約了瀝青路面的修筑成本。但同時(shí)也存在一些問題，如廢膠粉作為分散相分散在基質(zhì)瀝青中呈現(xiàn)為懸浮狀態(tài)，不能溶解在瀝青中，不能達(dá)到真正意義上的改性狀態(tài)，不能進(jìn)行很好地儲(chǔ)存，容易出現(xiàn)離析狀態(tài)等[4-6]。

針對(duì)這些問題，研究人員[7-11]對(duì)廢膠粉進(jìn)行了復(fù)合改性，目的是在基質(zhì)瀝青與廢膠粉之間建立起一座“橋梁”，使廢膠粉改性瀝青具有更好的路用性能。本文采用有機(jī)蒙脫土(OMMT)作為偶聯(lián)劑，對(duì)廢膠粉改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，測(cè)試復(fù)合改性瀝青的三大指標(biāo)、高溫性能和低溫性能，通過有機(jī)蒙脫土復(fù)合改性改善廢膠粉改性瀝青的高溫性能和低溫性能，在環(huán)保的基礎(chǔ)上，使廢膠粉改性瀝青的性能更加優(yōu)異。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

本次研究用于配制橡膠瀝青的基質(zhì)瀝青采用東莞泰和瀝青產(chǎn)品有限公司埃索70號(hào)基質(zhì)瀝青，具體性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知，本文所選用基質(zhì)瀝青符合規(guī)范要求。

表1 70號(hào)瀝青性能指標(biāo)

1.1.2 廢膠粉

廢橡膠粉的來源、生產(chǎn)方式和化學(xué)成份等因素，會(huì)對(duì)所生產(chǎn)的溫拌橡膠瀝青的質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。有研究表明，汽車輪胎制成的橡膠粉中含有炭黑、丁苯橡膠和天然橡膠等化學(xué)物質(zhì)，對(duì)于改善瀝青性能效果顯著。本文采用的廢橡膠粉(100目)基本參數(shù)見表2。

表2 廢橡膠粉(100目)基本參數(shù)

1.1.3 有機(jī)蒙脫土

此次研究所選用的聚合物級(jí)納米蒙脫土是由白色、電荷密度適中的蒙脫石礦物，經(jīng)多級(jí)提純、剝片，制得高純度大徑厚比蒙脫石與多種擴(kuò)層劑充分有機(jī)化改性聚合而成。有機(jī)蒙脫土最大粒徑為120nm，顯微鏡觀測(cè)的平均粒徑為70～80nm，經(jīng)過激光離子分布儀測(cè)試的超大的比表面積為750m2/g和200以上的徑厚比。將有機(jī)蒙脫土與聚合物復(fù)合后較原來的無機(jī)物復(fù)合可以減小用量20%～30%。

1.2 復(fù)合改性瀝青制備

為了分析不同摻量的OMMT對(duì)廢膠粉改性瀝青基本性能、高溫性能和低溫性能的影響，擬采用廢膠粉(100目)摻量為20%，有機(jī)蒙脫土摻量為1%、2%、3%、4%、5%。復(fù)合改性瀝青的制備過程如圖1所示。

圖1 改性瀝青制備流程

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 三大指標(biāo)

三大指標(biāo)即針入度、軟化點(diǎn)、延度是評(píng)價(jià)瀝青常規(guī)性能最常用的指標(biāo)，本文對(duì)有機(jī)蒙脫土與20%的100目廢膠粉復(fù)合改性瀝青進(jìn)行了常規(guī)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。將三大指標(biāo)值對(duì)摻量進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖2所示。

表3 不同摻量有機(jī)蒙脫土-廢膠粉復(fù)合改性瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

圖2 復(fù)合改性瀝青三大指標(biāo)與有機(jī)蒙脫土摻量的關(guān)系

結(jié)合表3與圖2可見：

(1)隨著有機(jī)蒙脫土摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的針入度減小，表明復(fù)合改性瀝青表觀黏度變大、瀝青變硬。有機(jī)蒙脫土納米級(jí)顆粒土，引入廢膠粉改性瀝青后，可增加復(fù)合改性瀝青內(nèi)部摩擦系數(shù)，表觀密度也因此變大。

(2)隨著有機(jī)蒙脫土摻量的增加，軟化點(diǎn)開始升高，當(dāng)摻量超過4%時(shí)，軟化點(diǎn)開始降低。

(3)隨著有機(jī)蒙脫土-廢膠粉改性瀝青中有機(jī)蒙脫土摻量的增加，5℃延度降低，瀝青塑性減小。

2.2 高溫性能

動(dòng)態(tài)剪切流變儀DSR可用來測(cè)量瀝青的中、高溫流變性質(zhì)，從而評(píng)價(jià)瀝青的高溫穩(wěn)定性。在粘彈性范圍內(nèi)，用來檢測(cè)瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ、抗車轍因子G*/Sinδ，評(píng)價(jià)其流變特性。本文DSR試驗(yàn)從58℃開始測(cè)試，如果抗車轍因子G*/Sinδ合格則提高一級(jí)進(jìn)行64℃的測(cè)試，再合格繼續(xù)提高到70℃進(jìn)行測(cè)試。不同摻量有機(jī)蒙脫土-廢膠粉復(fù)合改性瀝青DSR試驗(yàn)的結(jié)果見表4。

表4 不同摻量有機(jī)蒙脫土-廢膠粉復(fù)合改性瀝青的DSR試驗(yàn)結(jié)果

分析表4可見：

(1)復(fù)數(shù)模量G*在相同溫度下隨著有機(jī)蒙脫土摻量的增加而增大，相同的有機(jī)蒙脫土摻量下，復(fù)數(shù)模量G*隨著溫度的升高而降低。有機(jī)蒙脫土屬于顆粒狀物質(zhì)，有機(jī)蒙脫土引入改性瀝青后會(huì)增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受到的摩擦力，所受到的阻力也變大，因此復(fù)數(shù)模量會(huì)隨著有機(jī)蒙脫土的增加而變大。而溫度升高時(shí)，瀝青逐漸由半固態(tài)變?yōu)榱黧w形態(tài)，黏度降低，阻力變小，所以復(fù)數(shù)剪切模量變小。

(2)相位角δ在相同溫度下隨著有機(jī)蒙脫土摻量的增加先減小后增加，在有機(jī)蒙脫土摻量為3%時(shí)達(dá)到最小。相同有機(jī)蒙脫土摻量時(shí)，隨著溫度上升，相位角δ增大。

(3)抗車轍因子G*/sinδ在相同溫度下隨著有機(jī)蒙脫土摻量的增加而顯著增大。相同的有機(jī)蒙脫土摻量下，抗車轍因子G*/sinδ隨著溫度的升高而降低。有機(jī)蒙脫土的加入提高了瀝青的粘稠度，提高了瀝青的抗車轍因子，改善了瀝青的高溫性能。

2.3 低溫性能

低溫彎曲流變儀(BBR)試驗(yàn)常用來研究瀝青的低溫性能。本文進(jìn)行了三個(gè)溫度的試驗(yàn)，分別為-12℃、-18℃、-24℃。通過BBR試驗(yàn)得到不同摻量有機(jī)蒙脫土-廢膠粉復(fù)合改性瀝青的勁度模量及m值，分析不同摻量有機(jī)蒙脫土對(duì)復(fù)合改性瀝青低溫性能的影響。BBR試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同摻量有機(jī)蒙脫土-廢膠粉復(fù)合改性瀝青的BBR試驗(yàn)結(jié)果

分析表5可見：

(1)在-12℃溫度下，有機(jī)蒙脫土-廢膠粉復(fù)合改性瀝青中有機(jī)蒙脫土摻量增加，蠕變勁度變大，膠漿變脆。而m值則出現(xiàn)不規(guī)律的變化，m值隨著有機(jī)蒙脫土的增加，先增加后降低再增加。

(2)在-18℃溫度下，有機(jī)蒙脫土-廢膠粉復(fù)合改性瀝青中有機(jī)蒙脫土摻量增加蠕變勁度呈波浪形變化，蠕變勁度先小幅度增加后降低再增加然后再降低。而m值則出現(xiàn)與蠕變勁度相反規(guī)律的變化規(guī)律，m值隨著有機(jī)蒙脫土的增加，先小幅度減小后增加再減小最后大幅度增加。

(3)在-24℃溫度下，有機(jī)蒙脫土-廢膠粉復(fù)合改性瀝青中有機(jī)蒙脫土摻量增加蠕變勁度呈波浪形變化，蠕變勁度先小幅度增加后降低再增加然后再降低。而m值隨著有機(jī)蒙脫土的增加，先小幅度減小后增加再減小。

(4)三種溫度下，蠕變勁度與m值隨有機(jī)蒙脫土的摻量變化規(guī)律并不一致。但在有機(jī)蒙脫土摻量為3%時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，此峰值是除部分?jǐn)?shù)值外m值達(dá)到最大、而蠕變勁度最小的點(diǎn)，此點(diǎn)在3個(gè)溫度下的低溫性能綜合最佳。

2.4 儲(chǔ)存穩(wěn)定性能

瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性通常采用163℃恒溫環(huán)境下儲(chǔ)存48h和7d后上層瀝青與下層瀝青的軟化點(diǎn)變化幅度來評(píng)價(jià)。本文采用此方法，開展了不同摻量有機(jī)蒙脫土-廢膠粉復(fù)合改性瀝青的存儲(chǔ)穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同OMMT摻量改性瀝青靜置前后軟化點(diǎn)差

由圖3可知，在163℃恒溫環(huán)境下靜置48h的瀝青，其上層瀝青的軟化點(diǎn)隨著OMMT摻量的增加而單調(diào)增加，而下層瀝青的軟化點(diǎn)基本保持穩(wěn)定。顯而易見，隨著OMMT摻量的增加，上下層瀝青的軟化點(diǎn)差逐漸減小，即OMMT的加入提高了橡膠改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

在163℃恒溫環(huán)境下靜置7d的瀝青，其上層瀝青的軟化點(diǎn)隨著OMMT摻量的增加呈先增大后輕微減小的變化趨勢(shì)，而下層瀝青的軟化點(diǎn)呈先增大后趨于穩(wěn)定。當(dāng)OMMT摻量由0%增加到3%時(shí)，上下層的瀝青軟化點(diǎn)差逐漸減??；當(dāng)摻量超過3%時(shí)，軟化點(diǎn)差值逐漸增大，究其原因，可能是OMMT摻量過大，分散不均，出現(xiàn)團(tuán)聚，降低了復(fù)合改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，故OMMT的摻量約3%為宜。

3 結(jié)論

本文采用有機(jī)蒙脫土作為復(fù)合改性劑，改善廢膠粉改性瀝青的性能。通過進(jìn)行不同摻量的有機(jī)蒙脫土對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響分析，得到如下主要結(jié)論：

(1)隨著有機(jī)蒙脫土摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的高溫性能與存儲(chǔ)穩(wěn)定性能逐漸改善，且有機(jī)蒙脫土摻量在0%～3%之間時(shí)，改善最為明顯。

(2)隨著有機(jī)蒙脫土摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的低溫性能變差，在有機(jī)蒙脫土摻量為3%時(shí)，低溫性能受到的影響最緩和。

(3)綜合考慮各方面的因素，建議有機(jī)蒙脫土的最佳摻量范圍為3%～4%。