原料對膠粉瀝青儲存穩(wěn)定性的研究*

李國峰，曹敏娜，陳　梅

(1 新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油與化學(xué)工程系，新疆奎屯 833200；2 新疆大學(xué)石油天然氣精細化工教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046)

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原料對膠粉瀝青儲存穩(wěn)定性的研究*

李國峰1，曹敏娜2，陳梅1

(1 新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油與化學(xué)工程系，新疆奎屯 833200；2 新疆大學(xué)石油天然氣精細化工教育部重點實驗室，新疆烏魯木齊 830046)

以克拉瑪依石化AH-110瀝青和塔河石化 AH-110 瀝青作為瀝青原料，以湖北合得利橡膠粉有限公司和天津天元亨橡膠制品廠的兩種廢橡膠粉作為改性劑，研究原料對改性瀝青儲存穩(wěn)定性能的影響。結(jié)果表明：不同的原料會對改性瀝青的性能產(chǎn)生一定的影響，膠粉改性瀝青性能除了與瀝青輕組分量有重要關(guān)系外，還與膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的量有一定的關(guān)系。

基質(zhì)瀝青，廢橡膠粉，改性，儲存穩(wěn)定性

我國的高速公路大部分都采用瀝青路面，然而，隨著交通的迅速發(fā)張，車輛的負載量日益加劇，使得高速公路受到不同程度的破壞[1-3]；此外，新疆的氣候非常惡劣，晝夜溫差非常大，使得新疆的瀝青路面面臨很大的挑戰(zhàn)。

經(jīng)研究表明，采用廢橡膠粉來改性瀝青，可以有效地改善瀝青的路用性能，在一定程度上改善瀝青的軟化點、針入度和延度，提高瀝青路面的抗高低溫能力和車轍能力[4-6]。

然而，廢橡膠粉改性后的瀝青其儲存穩(wěn)定性能很差，存在離析的現(xiàn)象，因此降低了廢橡膠粉瀝青的路用性能，并且給膠粉瀝青的儲存、運輸和施工帶來了很大的問題。據(jù)相關(guān)文獻報道[7-11]，其原因可能為：膠粉與瀝青的相對分子質(zhì)量相差很大，同時，二者的分子結(jié)構(gòu)也有差異，在熱力學(xué)上屬于不相容體系。從熱力學(xué)的角度和原理來分析，廢膠粉屬于聚合物，它與瀝青成分是不相容的，屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。從而膠粉作為分散相在分散介質(zhì)瀝青中存在著自動凝聚、離析和分層的能力。

本文主要針對膠粉改性瀝青的儲存穩(wěn)定性能很差的原因入手，分別采用不同的原料(廢橡膠粉和瀝青)進行膠粉改性瀝青實驗，研究膠粉瀝青的穩(wěn)定性能的影響因素，并分析其機理。

1　實驗部分

1.1主要原料及設(shè)備

表1　實驗原料及設(shè)備一覽表

1.2試樣制備

準備好兩個不同廠家的廢橡膠粉(40 目)，兩個不同公司的瀝青(AH-110)按相應(yīng)的比例稱量，進行瀝青改性實驗。具體制備步驟如圖1所示。

圖1　橡膠粉改性瀝青制備流程圖

1.3瀝青儲存穩(wěn)定性能測試

聚合物改性瀝青離析試驗是聚合物改性瀝青的儲存穩(wěn)定性能常規(guī)的評價方法，是目前國內(nèi)外評價聚合物改性瀝青儲存穩(wěn)定性經(jīng)常使用的方法。

本文采用常規(guī)的離析試驗來評價膠粉改性瀝青的熱儲存穩(wěn)定性，離析軟化點差的大小反映改性瀝青的熱儲存穩(wěn)定程度。

2　結(jié)果與討論

2.1基質(zhì)瀝青四組分對改性瀝青性能的影響

兩種基質(zhì)瀝青的四組分分析結(jié)果，如表2所示。

表2　兩種瀝青的四組分分析結(jié)果

從表2可以看出，不同廠家的兩種瀝青的四組分有所不同，但兩者的輕組分含量差別較小，因此，廢橡膠粉改性瀝青時膠粉吸收輕組分發(fā)生的溶脹相當。兩種瀝青的差別主要體現(xiàn)在膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的含量方面，塔河石化瀝青的瀝青質(zhì)遠遠高于克拉瑪依石化瀝青的瀝青質(zhì)。

2.2基質(zhì)瀝青紅外光譜分析

為了對比來自克拉瑪依石化和塔河石化這兩種基質(zhì)瀝青的差異，用紅外光譜試驗手段分析瀝青的分子結(jié)構(gòu)及官能團的差異(見圖2)。

從圖2克拉瑪依石化和塔河石化基質(zhì)瀝青的紅外光譜圖可以看出，兩種瀝青的圖譜基本相同。

在 2800cm-1～3000cm-1處瀝青的紅外光譜出現(xiàn)了兩個較強的吸收峰。波譜為2924.04cm-1處的吸收峰是亞甲基-CH2-吸收振動的結(jié)果；波譜為2854.29cm-1處的吸收峰是烷烴和環(huán)烷烴C-H的振動。

圖2　兩種不同基質(zhì)瀝青的紅外光譜圖

在1000cm-1～1700cm-1處瀝青的紅外光譜出現(xiàn)了幾個較強的吸收峰。波譜1601.66cm-1左右的吸收峰是由于苯環(huán)的共軛雙鍵C=C骨架振動引起的。波譜1459.79cm-1處的吸收峰是亞甲基-CH2-面內(nèi)彎曲振動的結(jié)果。波譜1376.45cm-1處的吸收峰是-CH3中的C-H彎曲振動的結(jié)果。

從圖中可以看出，這兩種基質(zhì)瀝青的紅外光譜圖差異體現(xiàn)在指紋區(qū)中650cm-1～910cm-1，該區(qū)域又稱為苯環(huán)取代區(qū)，在指紋區(qū)域內(nèi)會反映苯環(huán)的不同取代位置。此外，在這個區(qū)域出現(xiàn)的峰都是苯環(huán)上C-H在面外搖擺振動的結(jié)果。

由紅外光譜計算瀝青芳香度計算公式：

知克拉瑪依石化基質(zhì)瀝青的芳香度為fA=0.447，塔河石化基質(zhì)瀝青的芳香度為fA=0.570，克拉瑪依石化基質(zhì)瀝青的芳香度低于塔河化基質(zhì)瀝青。

2.3不同基質(zhì)瀝青的改性試驗結(jié)果

考慮到膠粉摻量大會使塔河石化瀝青改性后的粘度大，而不利于改性瀝青的制備，因此本實驗摻加15%的膠粉來改性瀝青，以對比兩種基質(zhì)瀝青對膠粉改性瀝青的儲存穩(wěn)定性能的影響。

在保證膠粉、活化劑、穩(wěn)定劑用量相同和工藝條件(溶脹時間、剪切溫度、剪切時間、剪切速率)相同的條件下，分別以克拉瑪依石化瀝青和塔河石化瀝青為原料來進行膠粉改性瀝青試驗，改性瀝青的軟化點和離析試驗結(jié)果如圖3所示。

A—克拉瑪依石化瀝青改性后的橡膠瀝青B—塔河石化瀝青改性后的橡膠瀝青

由圖3可知，塔河石化瀝青改性后的軟化點遠遠高于克拉瑪依石化瀝青改性后的軟化點，知塔河石化瀝青改性后的粘度遠高于克拉瑪依石化瀝青改性后的粘度，塔河石化瀝青改性后的高溫性能更好；然而，塔河石化瀝青改性后的離析軟化點差明顯的低于克拉瑪依石化瀝青改性后的離析軟化點差，其值為 0.3℃<2.5℃合格，說明高溫儲存穩(wěn)定性較好。上述試驗結(jié)果足以表明塔河石化瀝青比克拉瑪依石化瀝青容易改性，就儲存穩(wěn)定性能而言可以制備出合格的產(chǎn)品；基質(zhì)瀝青的來源對改性后瀝青的性能有決定性的作用，改性瀝青性能除與基質(zhì)瀝青的輕組分量有關(guān)外，還與瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的量有重要的關(guān)系，瀝青四組分之間含量的組成對瀝青的改性的難易程度有重要的影響。四組分對改性瀝青的影響規(guī)律有待于進一步研究。

2.4膠粉類型對改性瀝青儲存穩(wěn)定性的影響

根據(jù)國外研究成果橡膠粉的性質(zhì)是影響橡膠瀝青性能的一個關(guān)鍵因素，橡膠粉的性質(zhì)主要取決于橡膠粉的物理性能和化學(xué)成分。來源不同的橡膠粉的物理指標和化學(xué)指標也不一樣。本試驗對比了兩個廠家的廢橡膠粉，其中1#廢橡膠粉源于湖北合得利橡膠粉有限公司，2#廢橡膠粉源于天津天元亨橡膠制品廠。

我國路用硫化廢橡膠粉的化學(xué)指標與實驗室所用的膠粉技術(shù)指標檢測結(jié)果，見表3所示。

表3　橡膠粉技術(shù)指標

在膠粉、活化劑、穩(wěn)定劑用量相同和工藝條件(溶脹時間、剪切溫度、剪切時間和剪切速率)相同的條件下，分別以 1#廢橡膠粉和 2#廢橡膠粉為原料來改性克拉瑪依石化瀝青，改性瀝青的軟化點試驗和離析試驗結(jié)果見圖4所示。

A—1#膠粉改性瀝青　B—2#膠粉改性瀝青

由圖4可知，1#膠粉改性瀝青的軟化點略低于 2#膠粉改性瀝青的軟化點，說明 2#膠粉在提高改性瀝青高溫性能方面優(yōu)于1#膠粉。同時，1#膠粉改性瀝青的離析軟化點差也略低于2#膠粉改性瀝青，這一現(xiàn)象說明1#膠粉在改善改性瀝青儲存穩(wěn)定性能方面略優(yōu)于 2#膠粉。這表明橡膠粉的基本性質(zhì)對改性瀝青的性能有一定的影響，1#膠粉和瀝青的相互作用優(yōu)于 2#膠粉。

對比兩種膠粉技術(shù)指標可以看出，這兩種膠粉的差別主要體現(xiàn)在天然橡膠含量、丙酮抽出物和橡膠烴含量方面。Li Xiang[12]曾指出，丙酮抽出物的含量越高，在橡膠粉中樹脂類的含量越高。把這類膠粉添加到瀝青中，脂肪酸在熱能和機械作用下滲透到基質(zhì)瀝青中，而在基質(zhì)瀝青中的飽和分和芳香分也能包裹和吸收膠粉中的大分子。通過膠粉和基質(zhì)瀝青組分相互浸潤可達到好的溶脹和相容性，從而改善了膠粉改性瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性能。此外，橡膠烴含量越高，越有利于膠粉改性瀝青的性能，從以上的分析可知，1#膠粉與瀝青的相互作用略強于2#膠粉。

3　結(jié)論

本文主要從原料基質(zhì)瀝青和膠粉的種類兩個方面著手，通過測定不同原料制備的橡膠瀝青性能的差異，探討了不同來源的基質(zhì)瀝青和膠粉對改性瀝青性能的影響，得到如下結(jié)論：

(1)塔河石化瀝青比克拉瑪依石化瀝青容易改性，膠粉改性瀝青性能除了與瀝青輕組分量有重要關(guān)系外，還與膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的量有一定的關(guān)系。

(2)膠粉的性質(zhì)對改性瀝青的性能有重要的影響，膠粉中丙酮抽出物含量、 天然橡膠含量、橡膠烴含量越高，越有利于橡膠-瀝青的相互作用，對改性瀝青的高溫儲存穩(wěn)定性能有所改善。

(3)就原料基質(zhì)瀝青和膠粉對改性瀝青性能影響程度而言，基質(zhì)瀝青的作用遠遠高于膠粉，對瀝青改性后的性能起決定性作用。因此，在橡膠粉改性瀝青選取原料方面，對基質(zhì)瀝青的選擇非常重要，直接影響著改性瀝青的性能。

[1] 原建安.丁苯橡膠改性機理分析[J].石油瀝青，1995，9(3)：46-48.

[2] 曹敏娜，陸江銀，薄文旻.廢橡膠粉改性瀝青性能及研究[J].湖南交通科技，2012，38(4)：67-70.

[3] 李群，萬益春，唐乾富.廢舊橡膠輪胎粉改性瀝青技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用綜述[J]. 中國交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2011，12：52-53，53-76.

[4] 張登良.改性瀝青機理及應(yīng)用[J].石油瀝青，2003，17(2)：36-38.

[5] 宋官龍，王楠洋，閆玉玲，等.聚合物改性瀝青研究進展[J].當代化工，2012，41，(10)：1066-1068.

[6] Soon-Jae Lee，Chandra K Akisetty，Serji N Amirkhanian .The Effect of Crumb Rubber Modifier(CRM) on the Properties of Rubberized Binders in HMA Pavements[J]. Construction and Building Materials，2008，22(7)：1368-1376.

[7] 鄒明旭.廢膠粉改性道路瀝青的研究進展[J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2005，26(2)：31-34.

[8] 馬玉峰，林青.廢膠粉改性瀝青研究進展[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2008，38(12)：37-39.

[9] Potgieter C J，Coetsee J S.Bitumen rubber asphalt：Year 2003 design and construction Procedures in South Africa[J].Asphalt Rubber，2003，2(12)：65-84.

[10] Corbett L W. Dumbbell mix for better asphalt[J].Hydrocarbon Proeess，1979，26(4)：173-177.

[11] 房斌，吳奇峰，張爭奇.橡膠改性瀝青存儲穩(wěn)定性及改善措施研究[J]. 公路，2012，3(4)：203-207.

[12] Li Xiang，Jian Cheng，Guohe Que.Microstructure and Performance of Crumb Rubber Modified Asphalt[J].Construction and Building Materials，2009，23(12)：3586-3590.

The Study of Raw Materials for Storage Stability of Crumb Rubber Asphalt

LI Guo-feng1，CAO Min-na2，CHEN Mei1

(1 Department of Petro and Chemical Engineering，Xinjiang Career Technical College，Kuitun 833200，Xinjiang，China；2 Key Laboratory of Oil &Gas Fine Chemicals，Ministry of Education，Xinjiang University，Urumqi 830046，Xinjiang，China)

In this paper，the AH-110 asphalt which were from Karamay and Tahe factories were used as raw materials，the crumb rubber produed in Hubei deli and Tianjin Yuanheng factoryies were used as modifiers，researching on the effects of storage stability of modified bitumen from raw materials. The results showed that：the different materials have some effects on the performances of modified asphalt，the modified asphalt performance not only has an important relationship with the asphalt light group，but also have a certain relationship with the amount of resin and asphaltenes.

asphalt，crumb rubber，modify，storage stability

新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研啟動基金項目，項目號：XYZY2015YJ001

曹敏娜，碩士研究生，工業(yè)催化；E-mail：1312588441@qq.com

TU 535