有機蒙脫土對廢膠粉改性瀝青性能的影響

王 旺

(廣東交科檢測有限公司，廣州 510550)

0 引言

截至2017年底，我國輪胎產量達到6.35億條[1-3]，同比增長4.1%，與此同時廢棄輪胎也隨之增加，對環境、生態造成很大的“黑色污染”。將廢棄輪胎經過特殊處理用于瀝青混合料中，不但解決了生態環境問題，而且對瀝青的路用性能具有一定的提高，節約了瀝青路面的修筑成本。但同時也存在一些問題，如廢膠粉作為分散相分散在基質瀝青中呈現為懸浮狀態，不能溶解在瀝青中，不能達到真正意義上的改性狀態，不能進行很好地儲存，容易出現離析狀態等[4-6]。

針對這些問題，研究人員[7-11]對廢膠粉進行了復合改性，目的是在基質瀝青與廢膠粉之間建立起一座“橋梁”，使廢膠粉改性瀝青具有更好的路用性能。本文采用有機蒙脫土(OMMT)作為偶聯劑，對廢膠粉改性瀝青進行復合改性，測試復合改性瀝青的三大指標、高溫性能和低溫性能，通過有機蒙脫土復合改性改善廢膠粉改性瀝青的高溫性能和低溫性能，在環保的基礎上，使廢膠粉改性瀝青的性能更加優異。

1 試驗方案

1.1 原材料

1.1.1 基質瀝青

本次研究用于配制橡膠瀝青的基質瀝青采用東莞泰和瀝青產品有限公司埃索70號基質瀝青，具體性能試驗結果見表1。由表1可知，本文所選用基質瀝青符合規范要求。

表1 70號瀝青性能指標

1.1.2 廢膠粉

廢橡膠粉的來源、生產方式和化學成份等因素，會對所生產的溫拌橡膠瀝青的質量產生較大影響。有研究表明，汽車輪胎制成的橡膠粉中含有炭黑、丁苯橡膠和天然橡膠等化學物質，對于改善瀝青性能效果顯著。本文采用的廢橡膠粉(100目)基本參數見表2。

表2 廢橡膠粉(100目)基本參數

1.1.3 有機蒙脫土

此次研究所選用的聚合物級納米蒙脫土是由白色、電荷密度適中的蒙脫石礦物，經多級提純、剝片，制得高純度大徑厚比蒙脫石與多種擴層劑充分有機化改性聚合而成。有機蒙脫土最大粒徑為120nm，顯微鏡觀測的平均粒徑為70～80nm，經過激光離子分布儀測試的超大的比表面積為750m2/g和200以上的徑厚比。將有機蒙脫土與聚合物復合后較原來的無機物復合可以減小用量20%～30%。

1.2 復合改性瀝青制備

為了分析不同摻量的OMMT對廢膠粉改性瀝青基本性能、高溫性能和低溫性能的影響，擬采用廢膠粉(100目)摻量為20%，有機蒙脫土摻量為1%、2%、3%、4%、5%。復合改性瀝青的制備過程如圖1所示。

圖1 改性瀝青制備流程

2 試驗結果

2.1 三大指標

三大指標即針入度、軟化點、延度是評價瀝青常規性能最常用的指標，本文對有機蒙脫土與20%的100目廢膠粉復合改性瀝青進行了常規性能試驗，試驗結果見表3。將三大指標值對摻量進行擬合，擬合結果如圖2所示。

表3 不同摻量有機蒙脫土-廢膠粉復合改性瀝青三大指標試驗結果

圖2 復合改性瀝青三大指標與有機蒙脫土摻量的關系

結合表3與圖2可見：

(1)隨著有機蒙脫土摻量的增加，復合改性瀝青的針入度減小，表明復合改性瀝青表觀黏度變大、瀝青變硬。有機蒙脫土納米級顆粒土，引入廢膠粉改性瀝青后，可增加復合改性瀝青內部摩擦系數，表觀密度也因此變大。

(2)隨著有機蒙脫土摻量的增加，軟化點開始升高，當摻量超過4%時，軟化點開始降低。

(3)隨著有機蒙脫土-廢膠粉改性瀝青中有機蒙脫土摻量的增加，5℃延度降低，瀝青塑性減小。

2.2 高溫性能

動態剪切流變儀DSR可用來測量瀝青的中、高溫流變性質，從而評價瀝青的高溫穩定性。在粘彈性范圍內，用來檢測瀝青的復數剪切模量G*、相位角δ、抗車轍因子G*/Sinδ，評價其流變特性。本文DSR試驗從58℃開始測試，如果抗車轍因子G*/Sinδ合格則提高一級進行64℃的測試，再合格繼續提高到70℃進行測試。不同摻量有機蒙脫土-廢膠粉復合改性瀝青DSR試驗的結果見表4。

表4 不同摻量有機蒙脫土-廢膠粉復合改性瀝青的DSR試驗結果

分析表4可見：

(1)復數模量G*在相同溫度下隨著有機蒙脫土摻量的增加而增大，相同的有機蒙脫土摻量下，復數模量G*隨著溫度的升高而降低。有機蒙脫土屬于顆粒狀物質，有機蒙脫土引入改性瀝青后會增加轉子轉動時所受到的摩擦力，所受到的阻力也變大，因此復數模量會隨著有機蒙脫土的增加而變大。而溫度升高時，瀝青逐漸由半固態變為流體形態，黏度降低，阻力變小，所以復數剪切模量變小。

(2)相位角δ在相同溫度下隨著有機蒙脫土摻量的增加先減小后增加，在有機蒙脫土摻量為3%時達到最小。相同有機蒙脫土摻量時，隨著溫度上升，相位角δ增大。

(3)抗車轍因子G*/sinδ在相同溫度下隨著有機蒙脫土摻量的增加而顯著增大。相同的有機蒙脫土摻量下，抗車轍因子G*/sinδ隨著溫度的升高而降低。有機蒙脫土的加入提高了瀝青的粘稠度，提高了瀝青的抗車轍因子，改善了瀝青的高溫性能。

2.3 低溫性能

低溫彎曲流變儀(BBR)試驗常用來研究瀝青的低溫性能。本文進行了三個溫度的試驗，分別為-12℃、-18℃、-24℃。通過BBR試驗得到不同摻量有機蒙脫土-廢膠粉復合改性瀝青的勁度模量及m值，分析不同摻量有機蒙脫土對復合改性瀝青低溫性能的影響。BBR試驗結果見表5。

表5 不同摻量有機蒙脫土-廢膠粉復合改性瀝青的BBR試驗結果

分析表5可見：

(1)在-12℃溫度下，有機蒙脫土-廢膠粉復合改性瀝青中有機蒙脫土摻量增加，蠕變勁度變大，膠漿變脆。而m值則出現不規律的變化，m值隨著有機蒙脫土的增加，先增加后降低再增加。

(2)在-18℃溫度下，有機蒙脫土-廢膠粉復合改性瀝青中有機蒙脫土摻量增加蠕變勁度呈波浪形變化，蠕變勁度先小幅度增加后降低再增加然后再降低。而m值則出現與蠕變勁度相反規律的變化規律，m值隨著有機蒙脫土的增加，先小幅度減小后增加再減小最后大幅度增加。

(3)在-24℃溫度下，有機蒙脫土-廢膠粉復合改性瀝青中有機蒙脫土摻量增加蠕變勁度呈波浪形變化，蠕變勁度先小幅度增加后降低再增加然后再降低。而m值隨著有機蒙脫土的增加，先小幅度減小后增加再減小。

(4)三種溫度下，蠕變勁度與m值隨有機蒙脫土的摻量變化規律并不一致。但在有機蒙脫土摻量為3%時會出現一個峰值，此峰值是除部分數值外m值達到最大、而蠕變勁度最小的點，此點在3個溫度下的低溫性能綜合最佳。

2.4 儲存穩定性能

瀝青的存儲穩定性通常采用163℃恒溫環境下儲存48h和7d后上層瀝青與下層瀝青的軟化點變化幅度來評價。本文采用此方法，開展了不同摻量有機蒙脫土-廢膠粉復合改性瀝青的存儲穩定性試驗，試驗結果如圖3所示。

圖3 不同OMMT摻量改性瀝青靜置前后軟化點差

由圖3可知，在163℃恒溫環境下靜置48h的瀝青，其上層瀝青的軟化點隨著OMMT摻量的增加而單調增加，而下層瀝青的軟化點基本保持穩定。顯而易見，隨著OMMT摻量的增加，上下層瀝青的軟化點差逐漸減小，即OMMT的加入提高了橡膠改性瀝青的儲存穩定性。

在163℃恒溫環境下靜置7d的瀝青，其上層瀝青的軟化點隨著OMMT摻量的增加呈先增大后輕微減小的變化趨勢，而下層瀝青的軟化點呈先增大后趨于穩定。當OMMT摻量由0%增加到3%時，上下層的瀝青軟化點差逐漸減小；當摻量超過3%時，軟化點差值逐漸增大，究其原因，可能是OMMT摻量過大，分散不均，出現團聚，降低了復合改性瀝青的儲存穩定性，故OMMT的摻量約3%為宜。

3 結論

本文采用有機蒙脫土作為復合改性劑，改善廢膠粉改性瀝青的性能。通過進行不同摻量的有機蒙脫土對復合改性瀝青性能的影響分析，得到如下主要結論：

(1)隨著有機蒙脫土摻量的增加，復合改性瀝青的高溫性能與存儲穩定性能逐漸改善，且有機蒙脫土摻量在0%～3%之間時，改善最為明顯。

(2)隨著有機蒙脫土摻量的增加，復合改性瀝青的低溫性能變差，在有機蒙脫土摻量為3%時，低溫性能受到的影響最緩和。

(3)綜合考慮各方面的因素，建議有機蒙脫土的最佳摻量范圍為3%～4%。