廢膠粉理化復(fù)合改性瀝青的配方研究

張秀烽

(湖南省官新高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖南 新化 417600)

0 引言

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(fā)展[1]。研究表明：廢膠粉改性瀝青可以提升路面的低溫抗裂性、抗疲勞性及抗反射裂縫的能力，增強(qiáng)混合料高溫抗車轍性能，降低輪胎噪音，延長(zhǎng)路面的使用壽命，表現(xiàn)出良好的路用性能及經(jīng)濟(jì)性[2]。但普通廢膠粉改性瀝青因存儲(chǔ)穩(wěn)定性較差等制約了其推廣應(yīng)用，于是研究人員試圖利用化學(xué)改性劑處理廢膠粉改性瀝青來(lái)提升性能。袁志祥[5]指出經(jīng)過(guò)化學(xué)改性后的膠粉摻入瀝青后制成的膠粉改性瀝青，有較好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性能，方便改性瀝青的儲(chǔ)存、運(yùn)輸、施工以及瀝青混合料的攤鋪和碾壓。申祥國(guó)[6]就膠粉目數(shù)如何影響改性瀝青性能做了大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明當(dāng)膠粉目數(shù)為30～60目時(shí)，所制得的膠粉改性瀝青各方面性能都較好。郭琦等[7]指出，向不同基質(zhì)瀝青中加入不同摻量的膠粉均能使其性能得到提高，當(dāng)膠粉摻量為20%左右時(shí)，改性效果最佳。馮新軍等[8]采用雙氧水對(duì)膠粉進(jìn)行表面氧化處理，以雙氧水用量、處理溫度、處理時(shí)間和膠粉目數(shù)這4個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，結(jié)果表明雙氧水用量和處理時(shí)間對(duì)于橡膠改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性影響較大，并優(yōu)化其制備工藝。鑒于廢膠粉化學(xué)改性瀝青具有良好的路用性能，本文采用正交試驗(yàn)探究各種改性助劑對(duì)改性瀝青性能的影響并優(yōu)化配方，以期進(jìn)一步提升廢膠粉復(fù)合改性瀝青性能，節(jié)省工程造價(jià)。

1 原材料

研究用原材料主要有瀝青、廢膠粉、軟化劑、活化劑和交聯(lián)劑等。其中瀝青為70#A級(jí)瀝青，主要性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 70#A級(jí)瀝青主要性能檢測(cè)結(jié)果指標(biāo)針入度/0.1 mm軟化點(diǎn)/℃10 ℃延度/cm15 ℃延度/cm含蠟量/%RTFOT殘留物質(zhì)量損失/%殘留針入度比/%10 ℃殘留延度/cm檢驗(yàn)結(jié)果715132>1001.30.157116技術(shù)要求60～80≥46≥20≥100≤2.2±0.8≥61≥6

試驗(yàn)所采用的廢胎膠粉為60目，相關(guān)物理和化學(xué)技術(shù)指標(biāo)均符合《路用廢胎橡膠粉》(JT/T 797—2019)要求。試驗(yàn)采用的軟化劑為精制妥爾油，主要用來(lái)提升瀝青輕質(zhì)組分對(duì)膠粉的滲透膨脹擴(kuò)張性能。試驗(yàn)采用的活化劑為再生高效活化劑B-450，活化劑能在高溫下產(chǎn)生自由基與橡膠分子的自由基相結(jié)合，阻止橡膠中S-S鍵、C-S鍵斷裂后的再聚合，從而提高膠粉脫硫降解效率，縮短脫硫時(shí)間，并提高再生膠的質(zhì)量。試驗(yàn)采用的交聯(lián)劑為不溶性硫黃IS-60,交聯(lián)劑主要促使膠粉與瀝青發(fā)生交聯(lián)硫化反應(yīng)，即膠粉表面具有懸垂的硫原子或活性硫與瀝青中的瀝青質(zhì)或膠質(zhì)的活性位發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而提高廢膠粉改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

2 廢膠粉理化復(fù)合改性瀝青配方設(shè)計(jì)與分析

2.1 配方方案設(shè)計(jì)

以廢膠粉、活化劑、交聯(lián)劑和軟化劑為影響因素，參考相關(guān)研究和助劑廠商推薦的摻量，上下浮動(dòng)構(gòu)建4因素3水平的正交試驗(yàn)配方，如表2所示，其材料摻量3水平分別為：廢膠粉取18%、23%、28%，軟化劑取2%、3%、4%，活化劑取1.5%、2.0%、2.5%，交聯(lián)劑取1%、2%、3%。按照上述配方和制備工藝流程(見(jiàn)圖1)制備9組改性瀝青，選擇反映瀝青高低溫性能的軟化點(diǎn)、5℃延度和儲(chǔ)存穩(wěn)定性的軟化點(diǎn)差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖1 廢膠粉理化復(fù)合改性瀝青制備工藝流程

表2 正交試驗(yàn)配方設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)序號(hào)膠粉(A)/%軟化劑(B)/%活化劑(C)/%交聯(lián)劑(D)/%軟化點(diǎn)/℃延度/cm軟化點(diǎn)差/℃11821.5164.58.62.821832.0264.612.02.031842.5362.914.71.542341.5269.312.53.252322.0368.015.02.262332.5171.311.52.772831.5374.014.53.482842.0175.011.33.292822.5276.813.22.5

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到不同試驗(yàn)水平對(duì)軟化點(diǎn)、延度和軟化點(diǎn)差的影響，如圖2(a)～圖2(c)所示，各因素對(duì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的極差分析結(jié)果見(jiàn)圖2(d)。

軟化點(diǎn)是反映瀝青溫度敏感性和高溫性能的重要指標(biāo)。由圖2(a)和圖2(d)的正交試驗(yàn)分析結(jié)果，可以得到各因素對(duì)軟化點(diǎn)的影響程度。膠粉的極差值遠(yuǎn)大于其他3個(gè)因素，故膠粉摻量是4個(gè)因素中對(duì)軟化點(diǎn)影響最大的因素，為主要因素，從提高瀝青軟化點(diǎn)角度，選取摻量為第3水平，即為A3。活化劑摻量和交聯(lián)劑摻量對(duì)軟化點(diǎn)影響次之，對(duì)應(yīng)摻量分別取第3、第1或第2水平，即C3、D1/D2。軟化劑摻量在4個(gè)因素中對(duì)軟化點(diǎn)影響最小，對(duì)應(yīng)摻量取第2水平，即B2。根據(jù)軟化點(diǎn)極差分析，得出4因素3水平的最佳摻量組合為A3B2C3D1，軟化點(diǎn)最不利的摻量組合為A1B3C2D3。

(a) 不同試驗(yàn)水平對(duì)軟化點(diǎn)的影響

(b) 不同試驗(yàn)水平對(duì)延度的影響

(c) 不同試驗(yàn)水平對(duì)離析的影響

(d) 不同因素的極差分析結(jié)果

延度是反映瀝青低溫性能和評(píng)定塑性的重要指標(biāo)。從圖2(b)和2(d)可以看出：交聯(lián)劑的極差值大于其他3個(gè)因素，故交聯(lián)劑摻量是4個(gè)因素中對(duì)延度影響最大的因素，為主要因素，從提升低溫性能的角度，選取摻量為第3水平，即為D3。膠粉摻量和活化劑摻量對(duì)延度影響次之，對(duì)應(yīng)摻量分別取第2(或第3)水平、第3水平，即A2/A3、C3。軟化劑摻量是4個(gè)因素中對(duì)延度影響最小，摻量取第3水平，即B3。對(duì)延度極差分析得出4因素3水平的最佳摻量組合為A2/A3B3C3D3，最不利增大延度的組合為A1B1C1D1。

軟化點(diǎn)差是表征改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。從圖2(c)和圖2(d)可以看出：膠粉的極差值最大，活化劑稍小于膠粉，它們的極差遠(yuǎn)大于其他2個(gè)因素，因此為保證儲(chǔ)存穩(wěn)定性不至于發(fā)生過(guò)大離析，膠粉摻量不宜過(guò)大，可選A2，活化劑摻量選取第3水平，即為C3。交聯(lián)劑有一定的影響，選D3；而軟化劑影響最小，且第1水平和第3水平相當(dāng)，因此選B1。對(duì)軟化點(diǎn)差的極差分析，得出4因素3水平的最佳摻量組合為A2B1C3D3，最不利增大軟化點(diǎn)差的組合為A3B2C1D1。

3 廢膠粉理化復(fù)合改性瀝青最佳配方分析

通過(guò)對(duì)軟化點(diǎn)、延度、軟化點(diǎn)差的正交試驗(yàn)極差分析，得到了3個(gè)指標(biāo)分別對(duì)應(yīng)的4因素3水平的最佳配方組合，如表3。

表3 各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最佳配方匯總%評(píng)價(jià)指標(biāo)廢膠粉摻量軟化劑摻量活化劑摻量交聯(lián)劑摻量軟化點(diǎn)2832.51/2延度23/2842.53軟化點(diǎn)差2322.53

由表3可以看出，軟化點(diǎn)、延度、軟化點(diǎn)差3個(gè)指標(biāo)各自對(duì)應(yīng)的最佳配方組合并不相同，因此最佳配方應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合影響因素、評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性來(lái)綜合確定。軟化劑對(duì)所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響較小，考慮到經(jīng)濟(jì)成本，故其摻量取最低為2%。膠粉對(duì)延度而言，摻量可取第2或第3水平；對(duì)軟化點(diǎn)而言，摻量取第3水平；軟化點(diǎn)差隨著膠粉摻量增加而增大，考慮到膠粉也是影響高溫性能的最主要因素，因此膠粉摻量不宜低于23%?；罨瘎┯兄谀z粉的降解，從而提升廢膠粉復(fù)合改性瀝青的高低溫性能和儲(chǔ)存性能，因此其摻量取最大，為2.5%。交聯(lián)劑對(duì)延度和軟化點(diǎn)差的摻量均取第3水平，盡管取第1或第2水平有助于保證軟化點(diǎn)，但將1%和3%的交聯(lián)劑摻量進(jìn)行比較，軟化點(diǎn)降低僅2.9%，而延度減少了21.2%，軟化點(diǎn)差增加了11.3%，所以交聯(lián)劑摻量取3%。綜合上述分析，最終得出4因素3水平下的廢膠粉復(fù)合改性瀝青最佳配方為A2B1C3D3，即23%膠粉、2%軟化劑、2.5%活化劑、3%交聯(lián)劑。

按照上述最佳配方制備廢膠粉理化復(fù)合改性瀝青，除了測(cè)試其基本性能外，還采用SHRP計(jì)劃提出的高溫動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)與低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)對(duì)其高、低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)與SBS改性瀝青和普通膠粉改性瀝青進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：廢膠粉理化復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)超過(guò)70 ℃，離析軟化點(diǎn)差為2.1 ℃，5 ℃延度稍差于SBS改性瀝青，但綜合性能大大優(yōu)于普通膠粉改性瀝青。從高溫車轍因子來(lái)看，廢膠粉理化復(fù)合改性瀝青的高溫等級(jí)可達(dá)PG88，而SBS改性瀝青僅為PG76，普通膠粉改性瀝青為PG82；從低溫彎曲梁流變?cè)囼?yàn)結(jié)果可知，盡管3種改性瀝青的低溫等級(jí)均為PG-28，但是廢膠粉理化復(fù)合改性瀝青具有更低的勁度模量和更高的蠕變速率，從而表現(xiàn)出更好的彈性和低溫抗裂性。因此通過(guò)正交試驗(yàn)分析確定的廢膠粉理化復(fù)合改性瀝青的配方，無(wú)論高、低溫性能，還是儲(chǔ)存穩(wěn)定性都表現(xiàn)優(yōu)良，完全能滿足南方高溫多雨地區(qū)對(duì)瀝青膠結(jié)料的性能要求和施工要求。

(a) 基本性能測(cè)試結(jié)果

(b) 車轍因子測(cè)試結(jié)果

(c) 勁度模量測(cè)試結(jié)果

(d) 蠕變速率測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

1)以膠粉、軟化劑、活化劑和交聯(lián)劑為影響因素，設(shè)計(jì)了4因素3水平的廢膠粉理化復(fù)合改性瀝青最佳配方正交試驗(yàn)，選擇反映瀝青高、低溫性能的軟化點(diǎn)、5 ℃延度和儲(chǔ)存穩(wěn)定性的軟化點(diǎn)差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到

單一評(píng)價(jià)指標(biāo)的廢膠粉理化復(fù)合改性瀝青最佳摻量。

2)結(jié)合影響因素、評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性，經(jīng)綜合對(duì)比分析確定廢膠粉理化復(fù)合改性瀝青最佳配方為23%膠粉、2%軟化劑、2.5%活化劑、3%交聯(lián)劑。

3)對(duì)比最佳配方的廢膠粉理化復(fù)合改性瀝青、SBS改性瀝青和普通膠粉改性瀝青的性能發(fā)現(xiàn)，廢膠粉理化復(fù)合改性瀝青無(wú)論高、低溫性能,還是儲(chǔ)存穩(wěn)定性都表現(xiàn)優(yōu)良，完全能滿足南方高溫多雨地區(qū)對(duì)瀝青膠結(jié)料的性能要求和施工要求。