膠粉SBS復(fù)合改性瀝青開發(fā)與應(yīng)用研究

梁金洪

(廣西交通投資集團(tuán)南寧高速公路運(yùn)營有限公司環(huán)城分公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《2021年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》,截至2021年年末,我國高速公路總里程已達(dá)528.07×104km以上。隨著交通行業(yè)的飛速發(fā)展,對(duì)瀝青混合料路面的使用性能提出了越來越高的要求。

近年來,汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展提高了人們的生活水平,但是也導(dǎo)致了大量的廢舊輪胎堆積,嚴(yán)重污染環(huán)境。將廢舊輪胎磨細(xì)制得的膠粉用于瀝青路面,可以提高路面的高低溫性能、減輕行車噪音、延長路面壽命。由于膠粉表面呈現(xiàn)較大的惰性,與瀝青的相容性較差,導(dǎo)致橡膠瀝青易發(fā)生離析現(xiàn)象。膠粉摻量過高則改性瀝青的黏度高,施工溫度要求高,膠粉摻量過低則改性效果較差[1]。

SBS改性瀝青具備優(yōu)良的高低溫性能和抗老化性能,但SBS改性劑價(jià)格高昂,嚴(yán)重限制了其推廣應(yīng)用。因此將膠粉和SBS復(fù)合使用,降低SBS改性劑摻量,得到的膠粉SBS復(fù)合改性瀝青,相對(duì)于單一SBS改性瀝青成本更低,且SBS改性劑有利于膠粉分散,能提高改性瀝青存儲(chǔ)穩(wěn)定性[2]。

已有研究對(duì)膠粉SBS復(fù)合改性瀝青加工工藝關(guān)鍵參數(shù)尚難達(dá)成統(tǒng)一共識(shí),且缺乏針對(duì)不同改性劑和不同基質(zhì)瀝青的組合。因此本文對(duì)膠粉SBS復(fù)合改性瀝青進(jìn)行研究,探討剪切時(shí)間、剪切溫度和剪切速率對(duì)瀝青改性效果的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 SBS改性瀝青

采用思特利有限公司生產(chǎn)的成品SBS改性瀝青作為復(fù)合改性瀝青制備溶劑。其主要性能見表1。

表1 瀝青主要性能指標(biāo)表

1.1.2 膠粉

采用河北省靈壽縣生產(chǎn)的40目膠粉。其主要性能指標(biāo)見表2。

表2 膠粉主要性能指標(biāo)表

1.2 試驗(yàn)方案

剪切時(shí)間、剪切溫度和剪切速率是影響復(fù)合改性瀝青效果的重要因素,本文以上述三個(gè)影響因素為試驗(yàn)條件,采用成品SBS改性瀝青為基礎(chǔ)瀝青,摻入SBS改性劑在不同試驗(yàn)條件下制得膠粉SBS復(fù)合改性瀝青,并進(jìn)行針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)延度試驗(yàn),評(píng)價(jià)膠粉SBS改性瀝青技術(shù)性能。

2 膠粉SBS復(fù)合改性瀝青的制備

根據(jù)目前的工藝流程與相關(guān)制備經(jīng)驗(yàn),膠粉改性劑摻量取16%,溶脹發(fā)育時(shí)間及溫度分別為180 ℃、60 min,剪切溫度分別確定為160 ℃、175 ℃、190 ℃、205 ℃,剪切時(shí)間分別為40 min、55 min、70 min、85 min,剪切速率分別為4 000 rpm、5 000 rpm、6 000 rpm、7 000 rpm。

為了保證試驗(yàn)方案實(shí)操的可行性和試驗(yàn)結(jié)果的合理性,試驗(yàn)方案采用正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行設(shè)計(jì),以軟化點(diǎn)、針入度、5 ℃延度作為膠粉SBS改性瀝青的改性效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。基于正交試驗(yàn)法建立3因素4水平試驗(yàn)表,如表3所示。

表3 剪切參數(shù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

按照上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案制備好膠粉SBS復(fù)合改性瀝青,并分別進(jìn)行針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、延度試驗(yàn),結(jié)果如表4所示。

表4 不同剪切工藝下改性瀝青的正交試驗(yàn)結(jié)果表

采用和值分析法與極差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。和值與極差計(jì)算結(jié)果見表5和表6。

表5 和值分析結(jié)果表

表6 極差分析結(jié)果表

2.1 剪切溫度對(duì)膠粉SBS復(fù)合改性瀝青的影響

2.1.1 高溫穩(wěn)定性

由圖1可知,當(dāng)剪切溫度為190 ℃時(shí),改性瀝青的高溫穩(wěn)定性最佳。當(dāng)剪切溫度在170 ℃～190 ℃時(shí),軟化點(diǎn)和值隨著剪切溫度的增加而上升。剪切溫度為190 ℃時(shí),軟化點(diǎn)和值達(dá)到了最大值,隨著溫度的升高,其值逐漸降低。剪切溫度上升,瀝青中的分子鏈與膠粉更易結(jié)合,使得瀝青的相對(duì)分子量變大,導(dǎo)致軟化點(diǎn)和值不斷提升。剪切溫度繼續(xù)升高,膠粉的脫硫和裂解反應(yīng)增強(qiáng),導(dǎo)致SBS形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用被弱化,瀝青的軟化點(diǎn)和值出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。

圖1 剪切溫度-軟化點(diǎn)和值/針入度和值變化曲線圖

對(duì)于針入度和值,其值隨著剪切溫度的增大而不斷增大,在170 ℃～190 ℃時(shí)增長迅速,超過190 ℃時(shí)增速放緩。合適的剪切溫度可以提高瀝青的高溫穩(wěn)定性,有效提高SBS與瀝青之間的相互作用,使其形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.1.2 低溫抗裂性

由圖2可知,當(dāng)剪切溫度為190 ℃時(shí),改性瀝青的低溫抗裂性能最佳。當(dāng)剪切溫度為160 ℃～190 ℃時(shí),5 ℃延度和值不斷增大,但是隨著剪切溫度的繼續(xù)提高,5 ℃延度和值出現(xiàn)了下降的情況。當(dāng)剪切溫度較低時(shí),瀝青的黏性影響膠粉與瀝青混合的均勻性,膠粉易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,因此適當(dāng)提高剪切溫度,能夠增強(qiáng)分子間的熱運(yùn)動(dòng),加強(qiáng)SBS分散相與微粒之間抵抗外力的能力,提升抗形變能力,增加延度。但是剪切溫度過高,會(huì)導(dǎo)致瀝青出現(xiàn)老化,反而對(duì)瀝青的低溫抗裂性不利。

圖2 剪切溫度-5 ℃延度和值變化曲線圖

2.2 剪切時(shí)間對(duì)粉膠SBS復(fù)合改性瀝青的影響

2.2.1 高溫穩(wěn)定性

由圖3可知,當(dāng)剪切時(shí)間為70 min時(shí),改性瀝青的高溫穩(wěn)定性最佳;剪切時(shí)間在40～70 min時(shí),軟化點(diǎn)和值隨著剪切時(shí)間增加而上升;剪切時(shí)間在70～85 min時(shí),軟化點(diǎn)和值迅速下降,由307.6 ℃降為304.9 ℃。針入度和值隨著剪切時(shí)間增加而不斷增大,當(dāng)剪切時(shí)間在70～85 min時(shí),針入度和值保持增長但是增長速率下降。

圖3 剪切時(shí)間-軟化點(diǎn)和值/針入度和值變化曲線圖

剪切時(shí)間短,則膠粉顆粒和SBS改性劑未被完全剪開,導(dǎo)致針入度和值與軟化點(diǎn)和值低,隨著剪切時(shí)間的增長,改性劑不斷分散到瀝青中去,同時(shí)又會(huì)不斷地聚集,最后達(dá)到平衡,使得軟化點(diǎn)和值增加,而過長的剪切時(shí)間則會(huì)使改性劑出現(xiàn)聚集,并且導(dǎo)致瀝青老化,使軟化點(diǎn)和值降低。隨著剪切時(shí)間的增加,膠粉降解產(chǎn)生的橡膠烴,而橡膠烴有較高的柔性,因此針入度和值仍保持增長。

2.2.2 低溫抗裂性

由圖4可知,當(dāng)剪切時(shí)間在70 min時(shí),改性瀝青的低溫抗裂性最佳。剪切時(shí)間在40～70 min時(shí),5 ℃延度和值不斷增加,達(dá)到89.5 cm,但是剪切時(shí)間繼續(xù)增加,其5 ℃延度和值基本保持不變。當(dāng)剪切時(shí)間較短時(shí),改性瀝青中存在大量的膠粉、SBS積聚團(tuán)體,改性瀝青未形成穩(wěn)定的體系。在受拉的狀態(tài)下,膠粉、SBS積聚團(tuán)體與瀝青的界面處易出現(xiàn)裂縫,導(dǎo)致瀝青的抗拉性能不足。隨著剪切時(shí)間的增加,積聚團(tuán)體分散變小,與瀝青混合得更加均勻,使改性瀝青形成一個(gè)穩(wěn)定的體系,繼續(xù)增加剪切時(shí)間無法進(jìn)一步提高其混合的均勻性。

圖4 剪切時(shí)間-5 ℃延度和值變化曲線圖

2.3 剪切速率對(duì)粉膠SBS復(fù)合改性瀝青的影響

2.3.1 高溫穩(wěn)定性

由圖5可知,當(dāng)剪切速率為6 000 rpm時(shí),改性瀝青的高溫穩(wěn)定性最佳。當(dāng)剪切速率在4 000～6 000 rpm時(shí),軟化點(diǎn)和值隨剪切速率增加而不斷上升。當(dāng)剪切速率在6 000～7 000 rpm時(shí),軟化點(diǎn)和值呈現(xiàn)下降趨勢。剪切速率增大,改性劑與瀝青混合更加均勻,粒子粒度越小,表面積變大,改性劑聚合物會(huì)吸附更多的瀝青組分,表面能降低,形成的網(wǎng)絡(luò)狀更加的緊密,限制瀝青分子的流動(dòng),導(dǎo)致軟化點(diǎn)增加。當(dāng)剪切速率繼續(xù)增加,則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)受到破壞,瀝青發(fā)生老化,軟化點(diǎn)和值下降。

圖5 剪切速率-軟化點(diǎn)和值/針入度和值變化曲線圖

針入度和值隨著剪切速率的增加而不斷減少,且下降的速率不斷增加;剪切速率增加,導(dǎo)致剪切溫度不斷上升,導(dǎo)致瀝青出現(xiàn)老化,使針入度和值不斷降低。

2.3.2 低溫抗裂性

由下頁圖6可知,當(dāng)剪切速率為6 000 rpm時(shí),改性瀝青的低溫抗裂性最佳。當(dāng)剪切速率在4 000～6 000 rpm時(shí),5 ℃延度和值不斷上升。當(dāng)剪切速率達(dá)到7 000 rpm時(shí),5 ℃延度和值呈現(xiàn)下降趨勢。剪切速率較低時(shí),瀝青與SBS、膠粉的分散效果較差,剪切速率的增加改善了改性劑與瀝青的均勻性,使其形成一個(gè)穩(wěn)定的體系;但隨著剪切速率繼續(xù)增加,剪切機(jī)與改性劑及瀝青摩擦生熱,溫度上升,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子周圍的瀝青發(fā)生老化,而且改性劑被剪切得過細(xì),不利于瀝青內(nèi)部形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖6 剪切速率-5 ℃延度和值變化曲線圖

2.4 剪切工藝的確定

由表6數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于三大指標(biāo)的極差,剪切溫度的影響是最顯著的,其次是剪切時(shí)間和剪切速率。對(duì)于膠粉SBS復(fù)合改性瀝青,當(dāng)剪切溫度為190 ℃、剪切時(shí)間為70 min、剪切速率為6 000 rpm時(shí),改善的效果最佳。

3 復(fù)合改性瀝青混合料路用性能分析

為探究膠粉SBS復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能,以SBS改性瀝青混合料與膠粉改性瀝青混合料作為對(duì)照組,以膠粉SBS復(fù)合改性瀝青混合料作為試驗(yàn)組,分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)及四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。

3.1 高溫穩(wěn)定性能

動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)可較為真實(shí)地還原瀝青混合料在高溫條件下受到車輛荷載作用的工況,試驗(yàn)過程可依次分為結(jié)構(gòu)層密實(shí)階段、蠕變穩(wěn)定發(fā)展階段、加速蠕變破壞階段三個(gè)階段,本文將通過第二階段模型方程及流變次數(shù),來評(píng)價(jià)混合料的高溫性能。SBS改性瀝青、膠粉改性瀝青及膠粉SBS復(fù)合改性瀝青的動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果見表7。

表7 不同改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果表

由表7可知,三種瀝青混合料的流變次數(shù)FN由大到小排序及斜率K由小到大排序均為:膠粉SBS復(fù)合改性瀝青>膠粉改性瀝青>SBS改性瀝青,說明膠粉SBS復(fù)合改性瀝青混合料在蠕變穩(wěn)定發(fā)展階段行程更長,蠕變速率更小,高溫性能在三種瀝青混合料中最優(yōu)。

3.2 低溫抗裂性能

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)膠粉SBS復(fù)合改性瀝青混合料、膠粉及SBS單一改性瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)(試驗(yàn)溫度為-10 ℃),試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 不同瀝青混合料低溫小梁試驗(yàn)結(jié)果曲線圖

由圖7可知,膠粉SBS復(fù)合改性瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變最高,其次是SBS改性瀝青混合料,最后是膠粉改性瀝青混合料,說明復(fù)合改性瀝青混合料的低溫性能最佳。這可能是因?yàn)闉r青中既有SBS形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),也有膠粉顆粒提供的應(yīng)力吸收作用,使得復(fù)合改性瀝青低溫條件下存儲(chǔ)更多的應(yīng)變能,從而使混合料表現(xiàn)出更優(yōu)良的低溫抗裂性能[3]。

綜合本節(jié)分析,膠粉SBS復(fù)合改性瀝青混合料的高低溫性能均優(yōu)于單一改性瀝青混合料。該復(fù)合改性瀝青可降低SBS改性劑摻量,節(jié)約材料成本,而技術(shù)性能也優(yōu)于橡膠改性瀝青,因此其具備較好的工程應(yīng)用推廣前景。

4 結(jié)語

(1)不同的剪切工藝對(duì)膠粉SBS復(fù)合改性瀝青的改性效果影響較大,在剪切工藝中,剪切溫度的變化對(duì)改性效果的影響最大,剪切溫度和剪切速率對(duì)改性效果的影響較小。

(2)對(duì)于膠粉SBS復(fù)合改性瀝青,當(dāng)剪切溫度為190 ℃、剪切時(shí)間為70 min、剪切速率為6 000 rpm時(shí),瀝青改性的效果最佳。

(3)膠粉SBS復(fù)合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性均優(yōu)于單一SBS或膠粉改性瀝青,具備優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢,適合推廣應(yīng)用。