耐高溫型膠粉改性瀝青配方研究

郭玉偉

(河北省高速公路張涿張家口管理處 涿州市 072750)

0 引言

近年來，廢舊膠粉改性瀝青材料在道路工程領域占據越來越重要的地位，主要原因在于其在將廢物回收利用、避免環境污染的同時，還可以有效提高瀝青高低溫性能，改善路面因高溫引起的車轍、低溫引起的開裂等問題，增強瀝青路面抗水侵害能力，且吸聲降噪，安全環保。此外，膠粉改性瀝青成本低廉，性價比突出，因此在道路工程領域得到了極大的推廣應用。

在目前對膠粉改性瀝青材料的研究中，王笑風指出在道路工程中推薦使用硫化橡膠粉和SBS復合改性瀝青[1]。李國峰通過研究指出膠粉摻加量為瀝青質量的15%～20%,溶脹時間2～3h,剪切時間1.5h,剪切溫度186～189℃,剪切速率7000～8000r/min可顯著提高膠粉改性瀝青的高溫性能和儲存穩定性[2]。蔡斌針對大摻量膠粉改性瀝青,利用對比試驗的方法,研究了剪切速率、溶脹溫度、溶脹時間對改性瀝青性能指標的影響,并且確定了最佳溶脹時間為40min,最佳溶脹溫度為200～210℃,最佳剪切速率為7000rpm[3]。雖然目前對膠粉改性瀝青的研究較為深刻，但目前膠粉改性瀝青材料性能相對缺乏針對性，加之中國汽車工業的高速發展，重型汽車保有量不斷增加，致使車轍、裂縫等路面問題不斷加重，雖然膠粉改性瀝青相比于其他材料優勢顯著，但還需有針對性地對膠粉改性瀝青材料進行研究，本文旨在提高膠粉改性瀝青材料的高溫性能，拓寬材料在高溫地區的應用領域。

1 試驗原材料

本試驗所用原材料有基質瀝青、廢舊膠粉、SBS改性劑、軟化油、穩定劑及一種可以提高材料高溫性能的物質(本文命名為軟化點增強劑)。其中基質瀝青采用京博70#A級石油瀝青。廢舊膠粉采用大車胎24目膠粉，試驗所用SBS類型為線型，軟化油是一種有機酯類化合物，穩定劑用來保證膠粉改性瀝青成品穩定性，所采用的軟化點增強劑在提高材料高溫性能的同時還能起到助穩定的效果，基質瀝青、膠粉及膠粉改性瀝青技術指標見表1～表3。

表1 京博70#A級基質瀝青技術指標

表2 膠粉物理化學指標

表3 膠粉改性瀝青指標要求

2 膠粉改性瀝青制備工藝的確定

2.1 攪拌溫度

膠粉改性瀝青制備時的攪拌溫度、攪拌時間是影響成品改性瀝青質量的關鍵因素，攪拌時溫度過高可以加快膠粉與瀝青反應的速度，但溫度過高也會使瀝青耐久性變差。反之溫度過低，又不利于脫硫反應的進行，致使膠粉改性瀝青達不到應有的效果，因此在制備過程中對溫度的控制至關重要，通過不同攪拌溫度下膠粉改性瀝青性能的對比試驗用以確定最佳的攪拌溫度，具體指標見表4。

表4 不同攪拌溫度的膠粉改性瀝青的性能指標

由表4數據可知：在溫度為195～200℃時，膠粉改性瀝青各項指標合格。攪拌溫度影響著瀝青與膠粉的反應速率，攪拌溫度過低，制備出的膠粉改性瀝青粘度過大，隨著攪拌溫度的提高，瀝青粘度減小，軟化點逐漸降低，針入度及延度逐漸增大，因此認為195℃的攪拌溫度較為合適，既可以保證存儲一定時間后延度指標合格，又可以避免軟化點損失過多的問題，因此采用195℃的攪拌溫度。

2.2 攪拌時間

攪拌時間是影響膠粉改性瀝青性能的又一因素，攪拌時間的長短直接影響到膠粉在瀝青中是否充分溶脹，具體方案及檢測結果見表5。

表5 不同攪拌時間的膠粉改性瀝青的性能指標

由表5數據可知：攪拌時間過短，膠粉的脫硫反應進行不充分，造成瀝青粘度過大，不利于剪切的順利進行，當溶脹時間大于 35min 后，膠粉與瀝青反應基本達到平衡狀態，此時增長攪拌時間，瀝青的性能變化不大，因此采用35min的攪拌時間。

綜上所述，所研究的耐高溫型膠粉改性瀝青的制備工藝為：基質瀝青中加入軟化油、SBS、橡膠粉及軟化點增強劑，在195℃溫度下攪拌35min，然后一次剪切7min，剪切速率每分鐘上升1000r，達到7000rpm后保持不變，之后在攪拌過程中加入穩定劑，適當攪拌后進行二次剪切，其剪切工藝同一次剪切。

3 配方設計

3.1 正交實驗設計

采用正交試驗進行配方設計，原材料除基質瀝青外還有橡膠粉、軟化油、SBS改性劑、軟化點增強劑及穩定劑。研究過程中基質瀝青作為溶質其質量固定不變，其他材料按照基質瀝青質量的百分比摻入，每個變量確定4個水平，所以實驗采用5因素4水平進行設計，各因素水平見表6。

表6 各因素水平表

3.2 實驗結果

根據5因素4水平的正交試驗，采用16組不同配方進行試驗，配方設計見表7，并檢測其180℃旋轉粘度、軟化點、25℃針入度、5℃延度四項指標，檢測結果見表8。

表7 L16(45)正交實驗表

表8 試驗數據

通過以上檢測結果，采用直觀分析法分別對180℃旋轉粘度、軟化點，針入度、延度四個指標進行分析，見表9。

表9 各因素對各指標的影響

通過分析以上實驗數據可知：

(1)各因素對180℃旋轉粘度值的影響順序依次為：橡膠粉>軟化油>軟化點增強劑>SBS>穩定劑。由于180℃旋轉粘度要求值為1.5～3Pa·s，膠粉改性瀝青在儲存過程中會發生降解，造成粘度降低，因此認為初始粘度值應在滿足要求的范圍內取較大值，以2.5Pa·s附近為最佳，因此當只考慮180℃旋轉粘度這一指標時，最優的水平組合為A2B3C1/2D1E3。

(2)各因素對軟化點值的影響順序依次為：橡膠粉>軟化點增強劑>軟化油>穩定劑>SBS。本研究對軟化點有較高要求，因此軟化點值應在滿足要求的范圍內取較大值，由實驗數據可知，當只考慮軟化點這一指標時，最優的水平組合為A3/4B1C4D4E3。

(3)各因素對25℃針入度值的影響順序依次為：橡膠粉>軟化油>軟化點增強劑>SBS>穩定劑。本課題要求針入度值為40～60(0.1mm)，對針入度有較高要求，加之膠粉改性瀝青在儲存過程中會發生降解，造成針入度增大，因此認為初始針入度值應在滿足要求的范圍內取較小值，以45(0.1mm)附近為最佳，因此當只考慮25℃針入度這一指標時，最優的水平組合為A3B2C4D4E2/3。

(4)橡膠粉及SBS對5℃延度值的影響順序依次為：橡膠粉>SBS>軟化點增強劑>軟化油>穩定劑，且軟化點增強劑對延度為不利影響。延度值越大代表材料低溫延展性越好，因此當只考慮5℃延度這一指標時，最優的水平組合為A3B3/4C4D1E3。

3.3 實驗結果分析

綜合以上實驗數據，將各最優組合列于表10。

表10 各指標對應的最優組合

通過分析以上數據可知：

(1)橡膠粉對各指標影響程度最大，優先確定，其最優水平為2、3/4、3、3，在各指標最優組合中水平3出現3次，因此確定最優水平為水平3。

(2)軟化油對180℃旋轉粘度及針入度影響遠大于其他因素，分別為水平3和水平2。水平3相比各指標最優水平，軟化點降低了1.06%，針入度增大了8.20%；水平2相比各指標最優水平，粘度升高了12%，軟化點降低了0.91%，延度降低了9.09%，水平2對軟化點和延度均為不利影響，且粘度作為不易合格的指標升高比例較大，因此確定B(軟化油)的最優水平為水平3。

(3)SBS在各單指標最優組合中水平4出現3次，且其對粘度影響較小，因此確定C(SBS)的最優水平為水平4。E(穩定劑)的最優水平為水平3。此時除D(軟化點增強劑)因素外，確定的最優摻配為A3B3C4E3。

(4)軟化點增強劑除可以增強軟化點，還有助體系穩定，減小48h離析軟化點差，因此對比采用A3B3C4D1E3及A3B3C4D4E3配方時各指標性能的影響，其各項指標數據見表11。

表11 實驗結果

通過對比兩組實驗數據，明顯發現當軟化點增強劑采用水平4時48h軟化點差遠小于水平1，體系穩定性好，且各項指標均合格，但延度低，考慮到體系衰減后延度增大，針入度增大，粘度減小，因此確定D(軟化點增強劑)的最優水平為水平4 ，此時確定最優摻配組合為A3B3C4D4E3，其具體配比及指標見表12及表13。

表12 耐高溫型膠粉改性瀝青具體配比

表13 耐高溫型膠粉改性瀝青指標

由以上數據可知：通過耐高溫型膠粉改性瀝青工藝及配方制備出的膠粉改性瀝青綜合性能較為優異。

4 結論

通過采用正交實驗對耐高溫型膠粉改性瀝青進行了研究，得出以下主要結論：

(1)所研究的耐高溫型膠粉改性瀝青的制備工藝為：基質瀝青中加入軟化油、SBS、橡膠粉及軟化點增強劑，在195℃下攪拌35min，以1000r/min的速率上升至7000r后保持剪切7min，之后在攪拌過程中加入穩定劑，適當攪拌后重復上述剪切步驟。

(2)所研究的耐高溫型膠粉改性瀝青的配方為：基質瀝青100份，橡膠粉21份，軟化油0.6份，SBS2.5份，軟化點增強劑5份，穩定劑0.4份。

(3)通過耐高溫型膠粉改性瀝青工藝及配方制備出的膠粉改性瀝青綜合性能較為優異。