基于正交試驗的SEBS/橡膠粉復合改性瀝青性能分析

傅 珍, 常曉絨, 代佳勝, 董文豪, 周 躍

(1.長安大學材料學院, 西安 710064； 2.長安大學公路學院, 西安710064)

交通荷載的增加及極端氣候的影響,導致瀝青路面出現各種病害,尤其是高溫永久變形和溫度疲勞開裂[1-2]。對高質量瀝青結合料的迫切需求促使研究者開發了苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene butadiene styrene,SBS)、丁苯橡膠(styrene butadiene ru-bber,SBR)、苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene ethy-lene butadiene styrene,SEBS)等各種聚合物改性瀝青,其中兩種及兩種以上聚合物材料組成的復合改性瀝青因能結合不同改性劑的優勢而引起廣泛關注[3-4]。

彈性體增加了瀝青的彈性性能,導致瀝青松弛特性擴大,延度提升。Wang等[5]研究發現廢舊膠粉(crumb rubber,CR)改性瀝青低溫性能較優,對瀝青高溫性能改善有限；Liu等[6]研究表明，膠粉摻量的增加能夠改善瀝青的抗車轍性能和彈性恢復率，但膠粉與瀝青之間的性能差異,會導致兩者混合后出現離析、質量不穩定、儲存性不佳等問題[7-8]。因此,有學者提出橡膠復合改性瀝青,其中SBS/橡膠粉改性瀝青研究最為廣泛[9-10],但SBS因丁二烯鏈段兩端不飽和雙鍵的存在,會對改性瀝青相容性和穩定性造成影響[11]。SEBS是SBS中B段上選擇性加氫的產物,其穩定性和抗老化性能較SBS更優異[12]。研究表明SEBS改性瀝青的熱穩定性、耐光氧老化性和相容性均優于SBS改性瀝青[13-15],因此,理論上采用SEBS和橡膠粉進行復合改性能更好提高瀝青的使用性能。馬峰等[16]對SEBS/橡膠粉復合改性瀝青低溫性能進行研究,結果表明其低溫性能優越。根據目前研究可知,膠粉、SEBS作為改性劑對瀝青性能均有所改善,且主要以單一改性劑作為研究對象,而SEBS/橡膠粉復合改性瀝青的研究較少,同時兩種改性劑在瀝青中的摻配比例及復合改性瀝青使用性能方面還有待進一步改進和完善。

為此，采用正交試驗確定復合改性瀝青各因素的最佳摻量,并與膠粉改性瀝青、SEBS改性瀝青、基質瀝青作對比分析,研究SEBS/橡膠粉復合改性瀝青的黏滯性、高低溫性能、感溫性及抗老化性,為推廣SEBS/橡膠粉復合改性瀝青在道路工程中應用奠定基礎。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

研究選用雙龍A-90#基質瀝青,相關性能指標如表1所示。

表1 90#瀝青相關性能指標Table 1 Performances of90# asphalt

橡膠粉顆粒大小為60目,各項技術參數如表2所示；SEBS采用中石化生產的YH-561型熱塑性橡膠,其各項指標如表3所示。

表2 橡膠粉相關性能指標Table 2 Rubber powder related performance index

表3 SEBS主要指標Table 3 Main technical indicators of SEBS

1.2 復合改性瀝青制備

SBES/橡膠粉復合改性瀝青中橡膠粉摻量為14%、15%、16%,SEBS改性劑摻量為瀝青總質量的4%、5%、6%；制備過程中兩種改性劑加入順序對成品改性瀝青有一定影響,因此試驗采用3種不同的制備方案，具體如下。

1.2.1 方案1

將基質瀝青在180 ℃烘箱中放置1.5 h使其呈熔融狀態,采用人工攪拌方式將SEBS、橡膠粉、1.5%相容劑分多次加入,使用5 500 r/min高速剪切機剪切60 min,加入1.5%穩定劑后人工攪拌20 min去除氣泡,放入160 ℃烘箱中溶脹發育1 h。

1.2.2 方案2

將膠粉分多次加入熔融狀態的基質瀝青中攪拌均勻,180 ℃下采用4 500 r/min高速剪切機剪切30 min；分批次加入SEBS改性劑、1.5%相容劑,6 000 r/min剪切機剪切時間30 min,加入1.5%穩定劑后使用玻璃棒攪拌10 min,放入180 ℃烘箱中溶脹發育60 min。

1.2.3 方案3

改性劑的加入順序與方案2相反,即先加入SEBS和相容劑,后加入橡膠粉和穩定劑,制備過程與方案2相同。

1.3 試驗方案

基于正交試驗結果分析SEBS和橡膠粉的摻量,并確定SEBS/橡膠粉復合改性瀝青的最佳制備方案。依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011),進行三大指標、布氏旋轉黏度、短期老化模擬(RTFOT)等試驗對復合改性瀝青、橡膠改性瀝青、SEBS改性瀝青、基質瀝青的黏滯性、高溫穩定性、低溫抗裂性、感溫性及抗老化性進行對比分析。

2 正交試驗結果與分析

2.1 正交試驗綜合可比性

試驗擬定三因素三水平,選用L9(34)正交表: SEBS摻量(4%、5%、6%)、橡膠粉摻量(14%、15%、16%)、制備方法(方案1、方案2、方案3),不考慮因素間交互作用,令SEBS摻量為因素A、橡膠粉摻量為因素B、制備方案為因素C,正交設計試驗因素水平表如表4所示。

表4 因素水平Table 4 Factor level

通過正交試驗確定出使SEBS/橡膠粉復合改性瀝青的性能指標達到所需要求的最佳試驗,對其軟化點、延度、針入度測試,采用綜合平衡法進行分析,找出最佳因素搭配；正交試驗方案如表5所示。

表5 正交設計試驗方案Table 5 Orthogonal design experiment scheme

按規定方案進行試驗,結果如表6所示。其中Ki表示任一列上水平號為i時,所對應的試驗結果之和，i=1,2,3；ki表示任一列上因素水平取i時,所得試驗結果的算術平均值,i=1,2,3；s為任一列上各水平出現的次數；R為數據結果的極差。

表6 正交設計試驗結果Table 6 Orthogonal design test result

2.2 正交試驗水平均值分析

將10 ℃延度、軟化點、25 ℃針入度分別作為描述瀝青低溫性能、高溫性能與黏滯性能3個指標。為分析三因素變化對瀝青高低溫性能及黏滯性能的影響,將三因素的不同指標繪制在圖1中。

圖1 各因素對瀝青三大指標影響Fig.1 Influence of various factors on the three major indexes of asphalt

對于10 ℃延度而言,其值越大表明瀝青的低溫抗裂性越好。從圖1(a)可以看出,僅從瀝青低溫性能考慮,SEBS和橡膠粉的最佳摻量分別為5%、14%。制備方法為屬性因素,因此不考慮橫坐標影響,依據延度值大小可知采用方案1最為合適。各因素的水平改變對指標的影響因素可通過極差來反映,極差越大表明該因素在試驗范圍內對指標的影響最為明顯,根據表6瀝青延度的極差結果可知SEBS摻量是影響復合改性瀝青低溫性能的最主要因素。故復合改性瀝青低溫性能較好,應選方案為A3B1C3。

對于25 ℃針入度而言,其值越小表明瀝青黏滯性越好。由圖1(b)瀝青針入度隨橡膠粉、SEBS摻量變化趨勢可知,SEBS和橡膠粉最佳摻量為5%、16%；采用制備方案2時瀝青針入度值最小,瀝青黏滯性最優。依據表6針入度極差結果RB>RA>RC可知,表明膠粉摻量是影響瀝青黏滯性的最主要因素。為得到黏滯性較優的復合改性瀝青,應選方案B2A3C1。

軟化點值越大表明瀝青高溫穩定性越好。依據圖1(c)可知,僅從瀝青高溫性能考慮,SEBS和橡膠粉的最佳摻量為5%、16%,依據軟化點值大小可知方案3最為合適；根據表6瀝青軟化點結果可知RA>RB>RC,SEBS摻量對復合改性瀝青高溫性能影響最為明顯,應選方案為A3B2C2。

3 復合改性瀝青與基質、SEBS、橡膠粉改性瀝青路用性能對比

分析可知,3個指標對應的優化方案各不相同,對3種方案進行綜合平衡分析: SEBS摻量(因素A),3個指標對應的最優選擇均為A3。橡膠粉摻量(因素B),軟化點和針入度的最佳水平均為B2；且對于針入度而言,橡膠粉摻量為主要影響因素,故最優選擇為B2。制備方法(因素C),對3個指標的影響最小,考慮效率影響,選用制備時間較少的方案1,故最優方案為A3B2C3。

將最優方案制備的復合改性瀝青與基質瀝青、5%SEBS改性瀝青、16%橡膠粉改性瀝青的針入度進行測試,試驗溫度為15、25、30 ℃,對結果進行線性擬合,根據擬合參數計算4種改性瀝青針入度指數(PI)、當量脆點(T1.2)、當量軟化點(T800)、塑性溫度范圍(ΔT)等指標,綜合評估其路用性能。

3.1 溫度敏感性

計算上述4種改性瀝青的針入度指數、塑性溫度范圍(ΔT),結果如圖2所示。由圖2(a)可知,3種改性瀝青的針入度指數較基質瀝青均有所提升,其中復合改性瀝青的針入度指數雖小于膠粉改性瀝青,但與基質瀝青、SEBS改性瀝青相比其針入度指數較大,表明SEBS/橡膠粉作為改性劑可降低基質瀝青感溫性；由圖2(b)知,3種改性瀝青的塑性溫度范圍較基質瀝青分別提升18.9、8.3、9.0 ℃,表明膠粉改性瀝青的溫度穩定性最優,復合改性瀝青次之。

圖2 4種類型改性瀝青PI及ΔTFig.2 Four types of modified asphalt PI and ΔT

3.2 高溫性能

采用當量軟化點(T800)和軟化點來表征4種改性瀝青的高溫穩定性,結果如圖3所示。由圖3可知,膠粉改性瀝青、SEBS改性瀝青及復合改性瀝青的當量軟化點(T800)和軟化點相與基質瀝青相比有較大的提升,表明三種改性劑加入可以顯著改善瀝青的高溫穩定性；且復合改性瀝青的當量軟化點和軟化點最大,較基質瀝青提高約20%和23%,表明復合改性劑對瀝青高溫性能的改善效果最為明顯。

圖3 4種類型改性瀝青軟化點及當量軟化點Fig.3 Four types of modified asphalt softening point and equivalent softening point

3.3 低溫性能

采用當量脆點(T1.2)和10 ℃延度來表征4種改性瀝青的低溫抗裂性能,結果如圖4所示。

由圖4(a)可知,3種改性瀝青10 ℃拉伸程度較基質瀝青分別增長100%、89%、118%,表明3種改性劑的加入可顯著改善瀝青的低溫性能。其中復合改性瀝青作用效果最為明顯,這是因為SEBS在瀝青中的分布狀態與SBS相似,呈“帶狀”分布；且橡膠粉的加入增大瀝青黏度致使復合改性瀝青低溫性能上升。

圖4(b)可知,3種改性瀝青的當量脆點較基質瀝青均有所提升,但復合改性瀝青提升幅度較小。雖然10 ℃延度和當量脆點均是反映瀝青低溫特性的兩個指標,但10 ℃延度反應瀝青在外力作用下的發生拉伸而不破壞的能力,而當量脆點反映瀝青針入度為1.2時的溫度。因此復合改性瀝青主要是通過改善瀝青的延性來提高其低溫抗裂性能。

圖4 4種類型瀝青延度及當量脆點Fig.4 Four types of asphalt ductility, equivalent brittle point

3.4 黏滯性

采用布氏旋轉黏度、針入度分別表征瀝青黏度和稠度；分別測試了15、25、30 ℃下4種瀝青的針入度,結果如圖5(a)所示；測試4種不同類型改性瀝青在135、150、175 ℃下的布氏旋轉黏度如圖5(b)所示。

圖5 不同溫度下4種改性瀝青針入度及布氏黏度Fig.5 Penetration and brinell viscosity of four modified asphalts at different temperatures

由圖5(a)可知,改性劑的加入降低瀝青針入度,其中SEBS改性瀝青的針入度小于膠粉改性瀝青,可能是因為SEBS中苯環的存在導致改性瀝青硬度增加,針入度降低；此外復合改性瀝青的針入度小于SEBS改性瀝青,這可能是因為膠粉加入產生結團現象,導致復合改性瀝青針入度降低[17]。

由圖5(b)可知,相對SEBS改性瀝青、復合改性瀝青而言,膠粉改性瀝青在3種溫度下的布氏黏度值最大,表明膠粉改性瀝青抵抗剪切變形的能力較強,在拌合過程中抗車轍能力較優,動穩定度值最大,對瀝青的高溫改善效果最佳。在3種類型改性瀝青中,復合改性瀝青布氏黏度雖最小,但其值均遠大于基質瀝青,且瀝青黏度滿足施工要求(135 ℃運動黏度≤3 Pa·s),黏度過大會增加瀝青泵送和拌合難度。

3.5 短期老化模擬

采用旋轉薄膜烘箱加熱試驗(RTFOT)對3種改性瀝青進行短期老化模擬,分別測試3大指標,通過對比老化前后延度差、質量變化及殘留針入度比來評價4種瀝青的抗老化性能,試驗結果如圖6所示。

圖6 短期老化前后4種瀝青指標變化Fig.6 Changes of four asphalt indexes before and after short-term aging

瀝青老化會發生自然硬化、揮發物衰減、氧化反應等現象,改變瀝青內部化學組分,因此老化試驗是評價改性瀝青穩定性的重要方法[18]。由圖6(a)可知，復合改性瀝青的質量損失與膠粉改性瀝青、SEBS改性瀝青變化相比較小,表明復合改性瀝青抗老化性能較優。

殘留針入度比反映針入度受瀝青老化的影響程度。由圖6(b)可知，3種改性瀝青的殘留針入度比均大于基質瀝青,且3種改性瀝青殘留針入度比相差較小,表明3種改性瀝青的針入度受瀝青老化的影響較小。由圖6(c)可以看出，4種類型瀝青在老化后延度均有所降低,其中膠粉改性瀝青、SEBS改性瀝青、復合改性瀝青的殘留延度比增長幅度分別為52.6%、28.8%、41.6%,膠粉改性瀝青的增長幅度最大,對瀝青抗老化性能影響程度最嚴重。

4 結論

選用不同摻量的橡膠粉、SEBS及不同的制備方法,通過設計三因素三水平正交試驗,以10 ℃延度、25 ℃針入度以及軟化點3個基本試驗作為評價指標,采用綜合平衡法得出相對較優的因素水平組合；同時對比分析基質瀝青、橡膠粉改性瀝青、SEBS改性瀝青、SEBS/橡膠粉復合改性瀝青的高溫性能、低溫性能、溫度敏感性和抗老化性能,得出如下主要結論。

(1)根據正交試驗結果可知,SEBS/橡膠粉復合改性瀝青中SEBS和橡膠粉的最佳摻量為5%和16%,最佳制備方案為SEBS和橡膠粉同時加入,采用此方法制備的復合改性瀝青具有更好的使用性能。

(2)通過正交試驗極差分析可知,對于瀝青黏滯性而言,橡膠粉的影響最為明顯,而對于改性瀝青的高低溫性能而言,SEBS摻量影響較大；由于制備的改性瀝青不僅考慮其路用性能,還需考慮其在拌合過程中的難易程度,因此在水平因素的選擇上還需考慮目標需求。

(3)與基質瀝青相比,復合改性瀝青的溫度敏感性、高溫穩定性、低溫抗裂性、抗老化性能得到顯著改善,其分別提升127%、20%、60%、99%,但與SEBS改性瀝青、膠粉改性瀝青相比,其感溫性較強,因此在大溫差地區需重新考慮各因素摻配比列。